劉成龍

中鐵十四局集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250014

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，現(xiàn)代地下空間得到越來越廣泛的利用[1]，地下工程的建設(shè)規(guī)模、施工速度和技術(shù)水平得到長(zhǎng)足發(fā)展[2]。采用地下綜合管廊施工有利于解決路面反復(fù)開挖、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)以及地下基礎(chǔ)設(shè)施滯后等問題，已成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要方向[3-4]。目前預(yù)制技術(shù)的發(fā)展帶來的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)效益方面的優(yōu)勢(shì)也給綜合管廊施工帶來新的研究動(dòng)力，裝配式技術(shù)施工速度快、占用時(shí)間短、工程質(zhì)量?jī)?yōu)、環(huán)境友好、施工作業(yè)空間小、公共安全風(fēng)險(xiǎn)低，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[5-6]。

城市淺埋大空間施工機(jī)械化開挖需對(duì)城市道路“開膛破肚”，影響地面交通[7-9]，而城市淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)一體機(jī)成套裝備和施工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不中斷路面交通條件下地下大空間機(jī)械化開挖施工、結(jié)構(gòu)快速裝配支護(hù)、覆土即時(shí)密實(shí)回填快速恢復(fù)道路，尤其是預(yù)拌流態(tài)固化土技術(shù)對(duì)快速恢復(fù)道路交通起關(guān)鍵作用[10-13]。黃明利等[14]分析明挖法施工的技術(shù)特點(diǎn)，介紹基坑肥槽預(yù)拌固化土回填技術(shù)，闡述了預(yù)拌固化土對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)防水的作用；陳容華等[15]利用挖方土為原材料配制預(yù)拌流態(tài)固化土，再進(jìn)行填方，通過流態(tài)固化土流動(dòng)性試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了影響基于粉質(zhì)黏土的預(yù)拌流態(tài)固化土性能的因素。周永祥等[16]闡述固化土及預(yù)拌固化土的概念、巖土固化劑的開發(fā)與配制原則，分析預(yù)拌流態(tài)固化土的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能、收縮等基本性能，指出預(yù)拌固化土可以顯著節(jié)省人工成本，協(xié)同處置工程泥漿在內(nèi)的渣土類建筑垃圾、低品質(zhì)工業(yè)固廢等大宗固廢，可用于管廊等市政工程的填筑。梁志豪等[17]提出利用工程廢棄泥漿制備預(yù)拌流態(tài)固化土。張旭光[18]介紹了長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌流態(tài)固化土樁復(fù)合地基的工作性狀和作用機(jī)理，以及長(zhǎng)螺旋壓灌流態(tài)固化土的施工工藝。

常見的基坑、肥槽回填通常采用回填土分層回填、壓實(shí)或夯實(shí)[19]、分層檢測(cè)的方法，每層厚度為0.2～0.3 m，如果分層厚度過大，則無法達(dá)到所要求的壓實(shí)度，因此，回填工程效率較低[20]。當(dāng)基坑較深、作業(yè)空間狹窄時(shí)，很難達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范要求，無法滿足壓實(shí)度95%的設(shè)計(jì)要求。由于管廊結(jié)構(gòu)基坑與一般基坑不同，其長(zhǎng)條狀基坑肥槽相對(duì)于一般基坑回填難度較大[21]。因此需要應(yīng)用土體固化技術(shù)[22]，快速、顯著地改變?cè)恋奈锢砹W(xué)性能，使之成為相對(duì)強(qiáng)度高、密度大、孔隙小、壓實(shí)度高的工程材料。依托城市地下空間施工快速裝配支護(hù)技術(shù)，本文研究一種新型環(huán)保、高性能的預(yù)拌流態(tài)固化土材料，以期能夠滿足城市淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)技術(shù)中已裝配管節(jié)背后肥槽的及時(shí)、密實(shí)回填要求。

1 工程概述

山西綜合改革示范區(qū)起步區(qū)姚村綜合管廊建設(shè)工程包括管廊主體工程和管廊附屬工程等。管廊為支線管廊，單側(cè)布置，長(zhǎng)4.90 km，位于姚村規(guī)劃路北側(cè)綠化帶下。人民路至真武路段采用三艙矩形斷面，真武路至太太路段采用四艙矩形斷面。入廊管線有污水、給水、再生水、熱力、天然氣、電力和通信等7種管線。淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)一體機(jī)(簡(jiǎn)稱支護(hù)一體機(jī))可在不影響路面交通的情況下，同步實(shí)施基坑開挖、基底處置、預(yù)制管節(jié)拼裝、路面快速回填等多種工序，實(shí)現(xiàn)城市環(huán)境下淺埋基坑快速、經(jīng)濟(jì)、綠色施工。但是，管廊結(jié)構(gòu)基坑深度較大、作業(yè)空間狹窄，難以滿足規(guī)范要求，回填工程效率較低。

2 預(yù)拌流態(tài)固化土配比技術(shù)

采用新的土體固化技術(shù)，可快速、顯著地改變?cè)恋奈锢砹W(xué)性能。以復(fù)合礦物設(shè)計(jì)-化學(xué)激發(fā)作用為設(shè)計(jì)思路預(yù)拌流態(tài)固化土[23]，以低污染、高性價(jià)比的鍋爐廢渣、粉煤灰、脫硫石膏、煤矸石、建筑固廢、礦渣、激發(fā)劑和土壤等原材料為配比材料拌制固化土，要求固化土的坍落度為150～200 mm，3、7、28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別不低于0.2、0.4、0.8 MPa，回填肥槽的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa，初凝時(shí)間不小于3 h、終凝時(shí)間不大于10 h。

2.1 流態(tài)粉煤灰水泥土試驗(yàn)

流態(tài)粉煤灰水泥土試驗(yàn)主要是測(cè)定流態(tài)粉煤灰水泥土的相關(guān)性能，研究P.O 3.25普通硅酸鹽水泥、P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、坍落度、粉煤灰對(duì)固化土3、7、28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響(在進(jìn)行此試驗(yàn)前，應(yīng)先進(jìn)行單摻試驗(yàn)，已獲知水泥的最小摻量)。試驗(yàn)樣品代碼采用字母+數(shù)字的形式，A、A′、B分別為P.O 32.5普通硅酸鹽水泥-粉煤灰、P.O 32.5普通硅酸鹽水泥、P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。代碼1、2、3、4為水泥與固化土的質(zhì)量比分別為8%、15%、20%、25%。

2.1.1 坍落度

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制P.O 32.5普通硅酸鹽水泥、P.O 42.5普通硅酸鹽水泥2種材料拌制固化土的水泥與固化土質(zhì)量比不同時(shí)，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨坍落度變化的曲線，如圖1所示。

a)A系列 b)B系列 圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨坍落度的變化趨勢(shì)

由圖1可知：隨著坍落度的增大，凝膠材料(粉煤灰與水泥)用量相同時(shí)，試塊的28 d無側(cè)限強(qiáng)度呈逐步下降的趨勢(shì)。試樣B1可滿足固化土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa的要求，試樣A′1、A′2已基本滿足回填肥槽的要求，為節(jié)約成本，沒有必要選擇質(zhì)量比過高的水泥摻量使強(qiáng)度過大。

2.1.2 粉煤灰

將A1和A′1的7 、28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與A2和A′2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，通過外摻法加入粉煤灰對(duì)試塊的強(qiáng)度提升作用有限，甚至有時(shí)低于未摻試塊的強(qiáng)度。原因是體系中引入的粉煤灰具有水硬性膠凝潛能，但其參與水化的進(jìn)程較慢，活性較低。沒有激發(fā)劑時(shí)，只能通過本身顆粒具有的高比表面積的優(yōu)勢(shì)提供增稠和微集料效應(yīng)。

粉煤灰對(duì)水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣(Ca(OH)2)具有強(qiáng)烈的吸附性，溶液中的堿度降低，影響了水泥水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性，水化硅酸鈣中的鈣化物和硫化物的溶解量逐漸降低析出Ca(OH)2，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，固化土的性能受到影響。流態(tài)粉煤灰水泥土不僅需要有效的化學(xué)激發(fā)手段，還需要適當(dāng)補(bǔ)鈣，以提高漿液中Ca(OH)2的濃度。因此采用復(fù)合摻合料-激發(fā)劑摻配方式。

2.2 固化劑試驗(yàn)

根據(jù)流態(tài)粉煤灰水泥土試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，單純添加水泥造價(jià)過高，且容易強(qiáng)度過大，可借助有效地激發(fā)手段發(fā)揮粉煤灰水泥土的作用。依據(jù)復(fù)合礦物設(shè)計(jì)-化學(xué)激發(fā)作用的設(shè)計(jì)思路，選擇水泥、富含活性Al2O3和SiO2的工業(yè)廢渣(如礦渣、鋼渣、粉煤灰等)，可改善土顆粒的表面活性和電荷狀況的表面改性劑，促進(jìn)水泥和其他礦物水化反應(yīng)的活性激發(fā)劑等組分，與固化土的質(zhì)量比分別為1%～5%、5%～10%、25%～40%、50%，混合磨細(xì)后形成粉末狀的固化劑[24]。

一方面固化劑與土體質(zhì)量比不同時(shí)對(duì)固化后土體進(jìn)行強(qiáng)度分析，另一方面通過不同的水灰質(zhì)量比控制坍落度，尋找最適合回填肥槽的水泥和固化劑。

固定坍落度為150 mm(水灰質(zhì)量比為1.5∶1)，測(cè)試固化劑與固化土的質(zhì)量比不同時(shí)S.P.A 32.5礦渣水泥的3、7 d固化強(qiáng)度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可確定礦渣水泥和固化劑的摻量范圍，下一步最終確定符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求的具體配方。礦渣水泥與固化劑的質(zhì)量比為2∶1，水灰質(zhì)量比依次為2.5∶1、2.0∶1、1.5∶1，測(cè)定不同坍落度時(shí)漿液的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和相對(duì)密度。固化劑試樣尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，試驗(yàn)設(shè)計(jì)代碼C、D是摻和料分別為S.P.A 32.5礦渣水泥水泥和固化劑，代碼1、2、3、4是摻和料與固化土的質(zhì)量比分別為5%、6%、8%、10%。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 固化劑無側(cè)限抗壓強(qiáng)度 a

由表1可知：同樣摻量(兩者的凝膠材料總量基本接近)下，摻有固化劑的試塊各階段無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于礦渣水泥，說明固化劑組分中激發(fā)劑和表面活性劑對(duì)具有水硬性潛能的復(fù)合礦物激發(fā)效果明顯，同時(shí)復(fù)合礦物對(duì)整個(gè)流態(tài)固化土的漿液改性能力優(yōu)越。但無論是摻入S.P.A 32.5礦渣水泥還是固化劑都存在強(qiáng)度過大的情況。因此，可以考慮S.P.A 32.5礦渣水泥+固化劑按照一定比例再次進(jìn)行復(fù)配，既保證了強(qiáng)度要求也能有較好的經(jīng)濟(jì)性。

水灰質(zhì)量比依次為2.5∶1、2.0∶1、1.5∶1時(shí)，混合物相對(duì)密度依次為1.22、1.28、1.35，均比土顆粒的相對(duì)密度小，說明漿液是一種優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)材料，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過多的附加應(yīng)力。

因此確定礦渣水泥與固化劑的質(zhì)量比為2∶1，水灰質(zhì)量比為2∶1，滿足工程需要的200 mm坍落度要求。試驗(yàn)采用固化劑148 kg，土壤1478 kg，水339 kg，拌和后將試樣送檢，3、7、14、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.5、1.1、1.8、2.4 MPa，均滿足要求。

2.3 不同配比土試驗(yàn)

預(yù)拌流態(tài)固化土技術(shù)要求土源的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%，其顆粒粒徑不大于50 mm。土占整個(gè)固化土質(zhì)量的85%～90%，以砂土和黏土為主。

2.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)試驗(yàn)用的砂土和黏土進(jìn)行篩分，砂土和黏土顆粒粒徑分布如表2所示。

表2 砂土和黏土的顆粒粒徑分布

通過對(duì)砂土的顆粒級(jí)配曲線進(jìn)行擬合，得到擬合公式為：

y=0.001 4x6+0.028 4x5-0.202x4+0.663 8x3-1.155x2+1.157 3x-0.003 8,

式中：x為顆粒粒徑，y為小于某粒徑的土粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

經(jīng)計(jì)算得：限定粒徑d60=2.176 mm，連續(xù)粒徑d30=0.377 mm，有效粒徑d10=0.099 mm，不均勻系數(shù)Cu=5.772，曲率系數(shù)Cc=0.960。根據(jù)數(shù)據(jù)繪圖可知砂土的級(jí)配曲線無明顯平臺(tái)期，坡度較平緩，不均勻系數(shù)大于5，曲率系數(shù)接近1，屬于級(jí)配較為良好的試驗(yàn)土。

測(cè)試固化劑摻量相同，砂土、黏土、固化劑及水的質(zhì)量比不同時(shí)土的坍落度和3、7、28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，如表3所示。

表3 不同配比土養(yǎng)護(hù)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.3.2 結(jié)果分析

由表3可知：試驗(yàn)土3、7、28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨砂土質(zhì)量比的減小而減小。

1)試驗(yàn)土全部由砂土組成時(shí)，砂土大顆粒(相較于固化劑和水泥的粒徑幾至幾十μm)效應(yīng)明顯，承擔(dān)骨架作用的砂土使整個(gè)凝膠體系強(qiáng)度變大，試驗(yàn)土的整體強(qiáng)度較大。

2)試驗(yàn)土全部由黏土組成時(shí)，各齡期的強(qiáng)度均最小，尤其是3 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度只有0.31 MPa，略低于28 d強(qiáng)度的15%。早期強(qiáng)度低的原因主要是黏土的吸附作用限制了凝膠材料的水化速度，黏土的粒徑水平基本與固化劑屬于同一數(shù)量級(jí)，喪失了砂土的骨架作用使整個(gè)固化土體的強(qiáng)度偏低。根據(jù)緊密堆積理論，大顆粒堆積的體系空隙中可填充粒徑較小的顆粒， 再往大、小顆?？障吨刑畛淞礁〉念w粒， 直至顆粒間空隙率達(dá)到最小，這種結(jié)構(gòu)更密實(shí)，強(qiáng)度更大。當(dāng)土壤全部由黏土組成時(shí)，可以適當(dāng)摻入砂土，使整個(gè)系統(tǒng)的顆粒級(jí)配趨于合理，宏觀上體現(xiàn)為各齡期的強(qiáng)度均有所提升。由全黏土組成的固化土試塊強(qiáng)度最低，但也滿足現(xiàn)場(chǎng)回填肥槽強(qiáng)度的要求。

2.3.3 固化土體的滲透性和體積收縮率

采用變水頭法進(jìn)行滲透試驗(yàn)，依據(jù)達(dá)西定律[25]，滲透系數(shù)

式中：a為測(cè)壓管橫斷面積，F(xiàn)為土樣的橫斷面積，L為土樣的厚度，t為測(cè)量高度h1、h2的間隔時(shí)間。

測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)土樣k=1.463×10-5～1.526×10-5cm/s，28 d齡期試塊k=1.544×10-7～1.873×10-7cm/s，流態(tài)固化土在硬化后可顯著提升土體的滲透性。

3 預(yù)拌流態(tài)固化土回填施工工藝

3.1 主要材料及配合比

3.1.1 土料

優(yōu)先采用開挖的渣土，有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于5%，顆粒粒徑不大于50 mm，含水量無要求。

3.1.2 配合比

試驗(yàn)確定符合工程要求的配合比。S.P.A 32.5礦渣水泥與固化劑的質(zhì)量比為2∶1，水灰比為2∶1，坍落度為200 mm，摻和料表面積不小于300 m2/kg，篩余量(0.08 mm)不超過8%。

3.1.3 拌和用水

固化土拌和用水可以是飲用水、地表水和地下水，氯離子的質(zhì)量濃度不超過600 mg/L，沒有明顯漂浮的油脂和泡沫，沒有明顯顏色和異味。

3.2 施工作業(yè)及要求

3.2.1 固化土原材料質(zhì)量檢查及存儲(chǔ)

在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)立固化土攪拌站集中進(jìn)行拌和，拌和前檢查土質(zhì)的種類、粒徑，確定無雜物，符合作業(yè)規(guī)范要求。采用粉料罐存儲(chǔ)并運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的固化劑粉料，采用桶裝存儲(chǔ)液劑，并按照要求進(jìn)行作業(yè)前檢驗(yàn)。固化劑存儲(chǔ)時(shí)間不超過3個(gè)月，否則應(yīng)重新進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)合格后方可使用。

3.2.2 固化土拌和質(zhì)量控制

先將固化劑、粉煤灰、外加劑等與水按配合比投入漿液拌和器混合成漿液，再將漿液與土投入攪拌器拌和成固化土。固化土的坍落度為150～180 mm，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa，固化土的初凝時(shí)間不小于3 h，終凝時(shí)間不大于10 h。

3.2.3 固化土回填澆注

澆注時(shí)，固化土自由傾落高度一般不宜超過2 m，超過2 m時(shí)應(yīng)由導(dǎo)流槽或泵車將攪拌好的固化土導(dǎo)入基槽[26]。分層澆注，每層回填厚度為1 m。在澆注過程中應(yīng)人工輔助刮平，與坑(槽)邊壁上的標(biāo)高控制線對(duì)應(yīng)檢查，保證每個(gè)澆注層基本水平進(jìn)行。合理配量施工機(jī)械和人員，管廊兩側(cè)基坑平衡澆注，基槽回填連續(xù)不間斷。防止地面水流入坑(槽)內(nèi)，應(yīng)有防雨排水措施。剛回填完畢或尚未初凝的固化土若受雨淋浸泡，則應(yīng)除去積水及松軟土并補(bǔ)填；回填完成后及時(shí)覆蓋基槽，雨天不施工。

3.2.4 驗(yàn)收、養(yǎng)生與補(bǔ)強(qiáng)

回填最上一層完成后，采用拉線或靠尺檢查標(biāo)高和平整度，超高處用人工處理平整，低洼處及時(shí)補(bǔ)填固化土。澆注完成后進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，保證強(qiáng)度增長(zhǎng)，期間嚴(yán)禁機(jī)械、行人通過。因養(yǎng)護(hù)、黏土含量、坍落度控制及外部環(huán)境造成水分流失時(shí)，澆注層與基槽量測(cè)結(jié)合部出現(xiàn)干縮裂縫，應(yīng)在澆注完成3 d后，對(duì)施工分段接縫處高壓注入固化漿液。若表面產(chǎn)生輕微的裂縫，應(yīng)在養(yǎng)生期間人工用固化劑漿液將裂縫灌漿。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

規(guī)范要求基坑、肥槽回填采用回填土分層回填、分層壓實(shí)或夯實(shí)、分層檢測(cè)，每層厚度為0.2～0.3 m，如果分層厚度過大，則無法達(dá)到壓實(shí)度95%的要求。當(dāng)基坑深度較大、作業(yè)空間狹窄時(shí)，很難滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。管廊結(jié)構(gòu)基坑與一般基坑不同，其長(zhǎng)條狀管廊兩側(cè)基坑相對(duì)于一般基坑回填難度較大，因此需要應(yīng)用土體固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速、顯著地改變?cè)恋奈锢砹W(xué)性能，使之成為相對(duì)強(qiáng)度高、密度大、孔隙小、壓實(shí)度高的工程材料。將研發(fā)的新型環(huán)保、高性能預(yù)拌流態(tài)固化土材料用于狹小肥槽的回填施工，經(jīng)工程作業(yè)證明，回填效率高、質(zhì)量好，能夠滿足城市淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)技術(shù)中已裝配管節(jié)背后肥槽的及時(shí)回填密實(shí)要求。

4 結(jié)語

太原姚村管廊示范工程預(yù)拌流態(tài)固化土回填施工技術(shù)的應(yīng)用表明：新型環(huán)保、高性能的預(yù)拌流態(tài)固化土材料回填效率高，作業(yè)質(zhì)量好，符合我國(guó)節(jié)能減排、綠色施工的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)了城市地下空間施工快速裝配支護(hù)技術(shù)研發(fā)的目標(biāo)，為城市地下大空間開發(fā)提供更多的支持，具有廣泛應(yīng)用前景。