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泥水盾构弃渣在同步注浆材料中的再利用研究

摘要:为了解决泥水盾构的弃渣处理过程会显著增加施工成本,且极易造成环境污染的常见问题,依托杭州望江路过江大直径泥水盾构隧道工程,考虑掘进线路处于黏土地层,提出了弃渣取代同步注浆原材料再利用方案。探讨了弃渣取代膨润土原材料的可行性,通过均匀设计试验测试了浆液性能,并结合目标规划(goal programming,GP)模型实现了浆液配比优化.研究结果表明:经初步处理后的泥水盾构弃渣可取代膨润土材料,最优配比下同步注浆浆液的流动度为 23.1 cm,2 h 析水率为 2.2%,28 d 结石体收缩率为5.8%,初凝时间为 649 min,结石体 28 d抗压强度可达 2.65 MPa,均能满足杭州现场同步注浆性能要求,且该技术的经济和环境效益显著。
  随着城市化进程的不断加快与人们出行需求的不断增长,地铁建设成为了解决该类问题的有效措施之一。地铁建设将不可避免地穿越江河湖海,由于泥水平衡盾构适宜于自稳性差、含水率高的松软黏土土层,其已成为一种能应用于大直径复杂水下隧道开挖的重要手段而被广泛采用。相比于土压平衡盾构,泥水平衡盾构施工过程需要泥水处理过程,泥水处理需要更高的成本、占用更大的场地,且大量泥土弃渣会加剧弃渣场堆渣压力,另外,弃渣在外运过程中会经常出现漏洒的情况,影响城市道路环境,因此弃渣的处理研究具有十分重要的现实意义。
  从绿色回收、综合利用的角度来处理渣土符合当今我国国情及国际发展趋势,也能有效解决该类工程难题.目前已有部分学者进行了隧道掘进弃渣的再利用研究,并取得了一定的研究成果,涉及领域包括路基材料、泥浆成膜等。其中,泥水盾构弃渣取代同步注浆原材料也是近年来研究的热点,如:文献利用盾构泥砂替代膨润土及河砂,探讨了盾构泥砂的组成、掺量、塑性指数等对注浆材料性能的影响;文献回收利用线路废弃黏土及其泥浆配制了盾构掘进用泥浆,废弃粉细砂用作同步注浆材料以及废弃卵砾石和碎岩用于混凝土骨料;文献研究了开挖排放的粉细砂在盾构同步注浆中的再利用问题;文献[9]利用废弃泥浆配制同步注浆砂浆,研究了其对砂浆工程性能的影响;文献结合南京长江隧道工程,对盾构开挖弃渣作为注浆材料的可行性进行了试验研究.但现有关于泥水盾构弃渣取代同步注浆材料的研究仍处于探索阶段,研究主要集中在可行性验证方面,而如何获得可满足工程要求的最优同步注浆材料配比用于实际工程则尚未涉及。
  鉴于此,本研究基于均匀试验探讨了盾构弃渣取代膨润土来配制同步注浆浆液的可行性,同时结合 GP(目标规划)模型、Matlab 编程等获得了满足工程需求的同步注浆最优配比。
1 现场调研及试验准备
1.1 盾构工程概况
  杭州望江路过江盾构隧道总长约 1.837 km,为双线隧道,盾构段主要位于钱塘江水域内,线路与钱塘江垂直,埋深约 12~22 m.沿线穿越的开挖地层有 8 种,地层特性差异性较大,分别为砂质粉土夹淤泥质粉质黏土(14.6%)、圆砾(9.7%)、含砂粉质黏土(3.9%)、粉质黏土(13.5%)、粉砂(5.1%)、淤泥质粉质黏土(12.4%)、淤泥质粉质黏土夹粉砂(32.9%)、粉砂夹粉土(7.9%),其中粉砂与圆砾等粗粒地层所占比例约为 14%,粉土、黏土等细粒地层占比约为 86%。
  当泥水盾构穿越细粒地层时,由于须控制泥浆质量比和黏度的上升,会产出更多的弃浆及黏土弃渣(见图 1).弃渣含水率较高,处理过程会显著增加施工成本且易污染环境。对于本工程大直径泥水盾构而言,由于地层的特殊性,弃渣的产量是巨大的,因此若能将此弃渣回收作为壁后注浆材料,则不仅可以大大降低所需巨量注浆材料的购置成本,还能缩减弃渣处理费用、减少城市污染。
1.2 弃渣特性研究
  对絮凝离心后的黏土弃渣进行采样,渣样为棕褐色黏土,无特殊气味.渣样原土取自盾构右线400~420 环,处于淤泥质粉质黏土夹粉砂地层。
  a. 弃渣物理特性研究.参考文献[11]相关试验方法,对黏土弃渣进行物理特性测试,相关物理指标如下:干、湿密度分别为 0.955 g•cm-3和 1.602g•cm-3;含水率为 67.7%;质量比(该物质质量与同体积水的质量的比值)为 2.68;孔隙比为 1.806;饱和度为 100.5%;液塑限分别为 61.707%和 26.283%;液塑性指数分别为1.17和35.42.颗粒分析曲线见图2,图中:β 为小于某粒径的颗粒占总重的百分比;d为粒径。
  分析可知:所取弃渣为流塑状黏土,其塑性指数较大,表明土颗粒较细,比表面积较大,土的黏粒或亲水矿物(如蒙脱石)含量较高;弃渣的不均匀系数 Cu为 10.67,曲率系数 Cc为 2.04,粒径分布范围较广,粒径不均匀、级配良好。
  b. 弃渣微观性能分析.膨润土以蒙脱石为主要矿物成分,而弃渣试样经 XRD(X 射线衍射)成分分析,其主要成分(质量分数)为石英(31.03%)与长石(21.35%),蒙脱石质量分数为 16.38%.对膨润土与黏土弃渣进行 SEM(扫描电子显微镜)扫描,扫描结果见图 3。由图可知:当放大 3 000 倍时,可见二者均类似于片板状集合体,当水分子进入时,其晶层平面由于类质同象置换的影响而带有一定的永久负电荷,使得膨润土有良好的离子交换性、吸附性和膨胀性。
  由此可知:弃渣颗粒较细,比表面积较大,土的黏粒或亲水矿物含量较高;弃渣粒径分布范围较广,粒径不均匀、级配良好;弃渣试样中粉粒、黏粒占比大且蒙脱石含量较高;具有类似膨润土的片板状集合体,因此弃渣极具替代膨润土材料的可能。进一步将黏土弃渣代替膨润土进行多组砂浆配制的对比试验,发现黏土弃渣具有类似于膨润土在单液活性砂浆中的效果,可增加水泥砂浆的流动性、保水性等相关性能。综上分析发现回收利用盾构黏土弃渣并将其代替膨润土材料是完全可行的。
2 同步注浆材料试验研究
2.1 试验材料与浆液制备
  采用以水泥、粉煤灰、膨润土、砂和水为原料的可硬性活性浆液进行研究。其中:水泥采用南方水泥有限公司产 P.O42.5 普通硅酸盐水泥;砂采用普通河砂(含水率为 3%,细度模数为 2.91,含泥量为6%);粉煤灰采用汇丰新材料有限公司产Ⅰ级粉煤灰(600 目);膨润土(800 目纳基膨润土,蒙脱石含量为 87%)采用黏土弃渣替代;试验用水采用自来水。制备过程如下:首先将一定量的弃渣与水混合均匀,调制出质量比合适的弃渣泥浆;然后迅速在所得泥浆中掺入一定比例的水泥、粉煤灰与河砂并充分搅拌,得到试验用水泥砂浆;所得试验组水泥砂浆可分别进行流动度、泌水率(将自重作用下 2 h内泌水的体积与浆液体积的比值称为泌水率)等多项性能特性试验,最后留小部分进行装模,加以适当龄期的养护后进行浆体抗压试验。
2.2 试验方法与试验方案
  a. 试验方法。浆液的稠度、凝结时间、抗压强度参照文献测定;参照文献,采用截锥圆模测定制浆 5 min 后浆液的流动度;浆液的泌水率参考相关方法进行测定;采用 NB-1 质量比计进行质量比测定;结石体收缩率取养护 28 d 后的试样收缩体积与试模原体积的比值。
  b. 试验方案.根据以往现场施工经验,拟定水胶比(水与粉煤灰加水泥的质量比)范围为 0.6~1.0,胶砂比范围为 0.60~0.84,膨水比范围为 0.08~0.24,粉灰比范围为 1.8~4.2。设计以水胶比、胶砂比、膨水比、粉灰比等 4 因素 5 水平的均匀试验,因素水平见表 1。试验次数选用试验实际水平数的 3 倍,故安排 15 组。参考《均匀设计与均匀设计表》。当因素数都为 4 时,选用均匀性更好的均匀表 U15*(157)中的 1,2,4,6 列进行均匀设计。
  c. 替代方案.如表 2 所示,先测得各膨水比水平下的水与膨润土混合所得泥浆质量比,然后在黏土弃渣与水混合制浆的过程中,通过改变渣水比来调节黏土泥浆的质量比(将此泥浆通过 0.075 mm 土壤筛以筛除大于该粒径的杂质颗粒后进行质量比测定),使其与预设膨水比水平下的膨润土泥浆质量比相等。
3 试验结果分析
3.1 浆液性能要求
  由于盾构施工的特殊性,同步注浆浆液须满足:短期时间内可泵性好,稳定性好;浆液注入后能较快地凝结,并具有一定的早期强度;结石体收缩率小等要求。结合文献及现场施工情况,在水下大直径泥水盾构的快速掘进过程中,设定本工程注浆材料须分别满足以下综合要求:稠度为 10~14cm;初始流动度为 22~25 cm;28 d 结石体收缩率不大于 8%;2 h 泌水率不大于 5%;初凝时间为 10~14 h;1,7,28 d 抗压强度分别不小于 0.2,0.6,2.4MPa。
3.2 均匀试验结果
  均匀试验结果见表 3,表中:S 为 28 d 结石体收缩率;F 为初始流动度;B 为 2 h 泌水率;T 为初凝时间。结合浆液性能要求可知试验组浆液的各项性能指标试验值几乎全部包含同步注浆材料性能指标要求值区间在内,说明本次均匀设计是合理的。
3.3 多元回归分析
  考虑到稠度测定时的特殊情况,最终选取初始流动度、泌水率、结石体收缩率、初凝时间和抗压强度等 7 项关键浆液性能指标进行多元回归分析。
3.3.1 建立多元回归方程
  利用逐步分析法中的后退法对试验数据进行多元回归分析。回归模型采用二次型多元回归模型,以进一步反映水胶比(x1)、胶砂比(x2)、膨水比(x3)和粉灰比(x4)这 4 个自变量及两两交互作用对浆液初始流动度、2 h 泌水率、初凝时间、28 d 结石体收缩率及不同龄期的无侧限抗压强度(Cn)等性能的影响。回归方程为:

3.3.2 回归模型评价
  a. 回归方程拟合度.多元线性回归方程一般选用修正的决定系数作为的拟合度评价指标。表 4 为拟合效果分析,表中 Y 为因变量。表 4 给出了回归模型的相关系数 r、决定系数 R2以及修正决定系数,可以看出 接近于 1,说明回归方程的拟合程度较好。
  b. 回归方程显著性.表 5 列出了各回归方程方差分析中的关键统计量以检验回归方程的显著性,表中:e 为回归方程自由度;V 为显著性检验值,符合 F 分布;P 为显著性水平,当 0.01<P<0.05 时,表示回归显著,当 P≤0.01 时,回归极显著。可以看出:各回归方程的显著性水平均远小于 0.01,表明回归极显著,回归模型可信度很高。
4 基于 GP 模型配比优化
4.1 GP模型的构建及求解方法
  GP 模型是以线性规划为基础,为解决多目标决策问题而发展起来的一种数学模型。其基本构建流程如下:
  a. 提出优化目标;
  b. 确定优化变量及其各种约束条件;
  c. 建立目标与变量之间的函数关系;
  d. 形成 GP 模型,选用适当的优化算法对该模型进行求解。
  针对本次多目标规划问题,采用评价函数法中的理想点法对约束条件下的最优配比进行求解。理想点法的基本求解流程如下:
  a. 确定多目标函数,并通过约束条件与变量区间求出单目标函数的最优解;
  b. 将单目标函数最优解代入原目标函数确定理想点解;
  c. 利用原目标函数与理想点解,根据最短距离法构造评价函数;
  d. 编程求出最优解.
4.2 基于Matlab的GP模型求解
  将目标函数设为式(1)的 7 个回归方程,相应约束条件见 3.1 节,利用 Matlab 编制程序,计算目标函数的理想点解并构造评价函数,解得注浆材料的最优配比:水胶比为0.745;胶砂比为 0.84;膨水比为 0.161;粉灰比为 2.014。进一步得出实际优化配比参数(按 1 000 kg 计算):水泥为 108.405 kg;粉煤灰为 218.274 kg;河砂为 388.904 kg;弃渣泥浆为284.416 kg,其中黏土弃渣泥浆的质量比为 1.08。
4.3 模型验证
  根据配比优化参数进行室内浆液配制及相关性能试验,所得同步注浆浆液性能数据如表 6 所示。由表 6 可知:配比优化后浆液的各项性能指标实测值均处于同步注浆材料性能指标要求值区间,说明配比优化后的同步注浆浆液性能可达到现场大直径泥水盾构的快速掘进作业要求。
5 效益分析
  以上研究证明:利用盾构泥水处理后所产的黏土弃渣代替膨润土作为现场同步注浆浆液材料是完全可行的。若投之于实际工程应用,则可产生可观的经济效益与环境效益。
  a. 经济效益
  对优化配比下的注浆材料进行经济性分析:若按浆液平均注入率为 150%,掘进速度为 16 m/d 计算,可得单线每天注入浆液方量为 407.405 m3;若按浆液比重 1 850 kg/m3进行计算,单线每天注入浆液质量约为 753.699 t。按市面上纳基膨润土参考价 600元/t 计算,可得出单线每天可节省同步注浆费用约2.37 万元。另外,根据现场实际施工情况,当盾构在淤泥质粉质黏土地层掘进时,单线每天所得原状渣土重量约为 1 000 t,其天然含水率约为 =40%,由试验测得絮凝离心处理后弃渣含水率约为 =65%,那么单线每天的三级处理弃渣的质量 M 为1 178.531 t,根据目前建筑渣土处理费市场标准进行运输计价及渣土处理计价,得出单线每天的运送及渣场处理总费用为 1.85 万元。
综上所述,单线每天总计可节省同步注浆材料费用、运送及渣场处理费用共 4.22 万元,说明利用黏土弃渣代替膨润土作为同步注浆材料有较高经济价值。
  b. 环境效益
  回收利用黏土弃渣代替膨润土作为同步注浆材料综合来看至少有以下几点环境效益:节约了近 5%的工程场地资源,减少了施工场地的污染;避免了运渣车在城市道路上的高频运输作业,保护了城市道路环境;减小了弃渣场的堆渣压力;缓解了城市弃渣乱排现象,一定程度上保护了城市生态环境。
6 结论
  a. 杭州望江路过江盾构的黏土弃渣泥浆具有与膨润土浆液相似的物理、化学性能,回收利用盾构黏土弃渣以取代同步注浆材料中的膨润土浆液具有较高的可行性。具体表现为:弃渣颗粒较细,比表面积较大,土的黏粒或亲水矿物含量较高;弃渣粒径分布范围较广,粒径不均匀、级配良好;弃渣试样中粉粒、黏粒占比大且蒙脱石含量较高。
  b. 黏土弃渣取代膨润土材料配制的同步注浆浆液性能可满足设计要求,经回归拟合及配比优化计算,当同步注浆材料配比wC:wF:wS:wM=108.405:218.274:388.904:284.416,黏土弃渣泥浆质量比为 1.08 时,所得浆液性能可最大程度上满足预期性能指标要求。
  c. 利用黏土弃渣代替膨润土材料具有显著的经济效益和环境效益。本工程单线每天可节省同步注浆材料费用、运送及渣场处理费用约 4.22 万元,且节约了近 5%的工程场地资源,减少了对施工场地及城市道路环境的污染。黏土弃渣主要产生于三级压滤或离心过程,考虑到弃渣特性与现场应用的经济性,本研究主要适用于粉土、黏土等细粒占比较大的掘进地层;另外,考虑现场施工的便捷与高效性,可完全跳过泥水循环的三级处理环节,直接对现场废浆池内的原浆进行比重调节(一般弃浆池内泥浆质量比较大),达到标准后再代替膨润土与水进行注浆浆液的配制。 

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