徐 濤, 楊 磊, 郭松濤, 趙喜斌, 陽(yáng)軍生, 張 聰

(1. 廣西南寧機(jī)場(chǎng)綜合交通樞紐建設(shè)有限公司, 廣西 南寧 530048; 2. 中南大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

隨著我國(guó)盾構(gòu)隧道工程的蓬勃發(fā)展,盾構(gòu)棄渣的產(chǎn)量日益陡增。受限于城市施工場(chǎng)地的有限性,棄渣往往需要外排處理。但大量的棄渣運(yùn)輸和處理費(fèi)用較高,且運(yùn)輸與處理過(guò)程極易對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境造成不利影響。因此,如何對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的棄渣進(jìn)行就地資源化利用已成為工程人員重點(diǎn)關(guān)注且亟待解決的難題。

目前,國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞盾構(gòu)棄渣再利用已開(kāi)展了大量研究,其再利用領(lǐng)域主要包括建筑材料[1]、路基填料[2]、植被復(fù)墾土[3]以及同步注漿材料[4]等方面。在建筑材料方面:Voit等[5]以Brenner Base隧道為背景,研究了盾構(gòu)渣土作為混凝土骨料的再利用問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)片巖渣土可直接應(yīng)用于混凝土骨料生產(chǎn);王海良等[6]、劉春等[7]采用磨細(xì)后的盾構(gòu)渣土制備C30以及C50混凝土,探究了渣土摻量對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響;Bellopede等[8-9]在“REMUCK”項(xiàng)目中開(kāi)展了盾構(gòu)渣土制備再生骨料的實(shí)踐研究工作,并且提出集中處理后渣土的各項(xiàng)性能比現(xiàn)場(chǎng)處理更符合混凝土再生骨料標(biāo)準(zhǔn);謝發(fā)之等[10]以盾構(gòu)渣土、稻草秸稈與氧化鎂為原材料,研發(fā)出一種水體除磷效果優(yōu)良的新型盾構(gòu)渣土基碳復(fù)合陶粒。在路基填料方面: Saing等[11]研究了石灰改良后的盾構(gòu)渣土性能,研究結(jié)果表明以渣土為原料用作路基填料具有可行性;Tauer等[12]結(jié)合具體案例,對(duì)隧道施工產(chǎn)生的泥漿類(lèi)渣土進(jìn)行了固化改性,發(fā)現(xiàn)渣土經(jīng)過(guò)固化改性后,滿足路基填筑的基本要求;Riviera等[13]對(duì)阿爾卑斯山區(qū)的典型粗顆粒盾構(gòu)渣土進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明可以將其用于道路面層、基層與功能層的填筑。在植被復(fù)墾土方面: 陳蕊等[14]對(duì)盾構(gòu)渣土中各元素進(jìn)行了分析,結(jié)果表明盾構(gòu)渣土中的有機(jī)質(zhì)含量較高,符合植物生長(zhǎng)的要求;鄧川等[15]利用渣土配制噴播基質(zhì)應(yīng)用于坡面綠化,研究了不同坡面性質(zhì)、不同黏結(jié)劑及保水劑用量對(duì)基質(zhì)保水性及抗剪強(qiáng)度的影響;楊海君等[16]分析了香樟樹(shù)枝堆肥產(chǎn)物與盾構(gòu)渣土共堆肥的效果,提出了香樟樹(shù)枝堆肥產(chǎn)物與盾構(gòu)渣土共堆肥可有效促進(jìn)盾構(gòu)渣土中污染物AES的降解,具備將其作為植被復(fù)墾土的可行性;謝亦朋等[17]對(duì)礦物摻合料改良泥水平衡盾構(gòu)渣土作為植被復(fù)墾基質(zhì)的再利用可行性開(kāi)展試驗(yàn)研究,結(jié)果表明盾構(gòu)渣土更適用于改良作為植被復(fù)墾基質(zhì)。在同步注漿材料方面: Zhang等[18]依托鄭州地鐵EPB盾構(gòu)隧道工程,提出了EPB盾構(gòu)棄土作為同步注漿原料的方案,并研究了其對(duì)同步注漿材料的性能影響;李雪等[19]采用泥水盾構(gòu)渣土作為同步注漿的砂源,研究了其對(duì)同步注漿漿液性能的影響;戴勇等[20]依托杭州望江路過(guò)江大直徑泥水盾構(gòu)隧道工程,提出了盾構(gòu)棄渣取代同步注漿原材料再利用方案。

綜上可知,盡管上述研究為盾構(gòu)棄渣的再利用提出了眾多途徑,但由于盾構(gòu)施工產(chǎn)生的渣土量非常大,如何高效消納盾構(gòu)棄渣仍是工程中迫切關(guān)注的難題。與此同時(shí),隨著地鐵交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),盾構(gòu)穿越溶洞、土洞等不良地質(zhì)條件的工況愈發(fā)普遍,而尋求一種原材料易于獲得、價(jià)格低廉、配制簡(jiǎn)便的綠色充填注漿材料也一直困擾著工程人員。為此,若就地對(duì)盾構(gòu)棄渣進(jìn)行改良,制備成一種性能可滿足盾構(gòu)隧道巖溶充填注漿要求的漿材,不僅可在一定程度上就地消納盾構(gòu)棄渣,也可很大程度上解決充填注漿材料來(lái)源的難題,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文依托南寧國(guó)際空港綜合交通樞紐城市軌道交通機(jī)場(chǎng)線引入機(jī)場(chǎng)盾構(gòu)隧道工程,首先,對(duì)盾構(gòu)棄渣進(jìn)行物理性能分析,探究盾構(gòu)棄渣在巖溶充填注漿材料中再利用的可行性;其次,通過(guò)正交試驗(yàn)研究各因素對(duì)漿液性能指標(biāo)的影響規(guī)律,再基于多目標(biāo)-理想點(diǎn)法提出漿液最優(yōu)配合比;最后,依托于南寧國(guó)際空港綜合交通樞紐盾構(gòu)隧道工程開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 工程概況

圖1 左線地質(zhì)剖面圖

圖2 右線地質(zhì)剖面圖

溶洞的存在極易導(dǎo)致盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)發(fā)生工程事故,需在盾構(gòu)掘進(jìn)前對(duì)溶洞進(jìn)行地表預(yù)注漿加固。由于巖溶發(fā)育區(qū)所探測(cè)出的溶洞數(shù)量眾多,充填加固時(shí)漿液消耗量大、造價(jià)高,采用一種經(jīng)濟(jì)有效的注漿加固材料是本工程的難題。通過(guò)大量調(diào)研,擬提出對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行改性,研發(fā)一種基于盾構(gòu)棄渣的巖溶充填注漿材料,不僅會(huì)顯著降低注漿原材料的購(gòu)置成本,還能減少盾構(gòu)棄渣的處治和運(yùn)輸費(fèi)用,減少城市污染。

2 盾構(gòu)棄渣充填注漿材料基本性能試驗(yàn)

為確保盾構(gòu)在巖溶發(fā)育區(qū)的高效掘進(jìn),巖溶充填注漿材料需符合以下要求: 稠度與流動(dòng)度適中,可泵性好;析水率低、保水性強(qiáng);凝結(jié)時(shí)間較快,且凝結(jié)時(shí)間可控;漿結(jié)石體的體積收縮率小;結(jié)石體有一定的抗壓強(qiáng)度,具有良好的抗?jié)B性和良好的耐沖刷性能;綠色環(huán)保、價(jià)格低廉?？紤]盾構(gòu)渣土存在強(qiáng)度低、可泵性差、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn),需對(duì)其進(jìn)行改良。此外,通過(guò)文獻(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,本文最終選擇盾構(gòu)渣土、水泥、速凝劑以及膨脹劑為試驗(yàn)原材料。

2.1 試驗(yàn)原材料

2.1.1 盾構(gòu)棄渣

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堆積棄渣進(jìn)行取樣,棄渣為黃褐色泥質(zhì)粉砂巖,無(wú)特殊氣味,含水率較大,以細(xì)小顆粒為主。盾構(gòu)棄渣性能如表1所示。棄渣中尚存有較大的破碎巖塊,需進(jìn)行篩分預(yù)處理。盾構(gòu)棄渣如圖3所示。

表1 盾構(gòu)棄渣性能指標(biāo)

圖3 盾構(gòu)棄渣

盾構(gòu)棄渣的基本物理特性及微觀組成能在很大程度上反映其工程特性。為研究盾構(gòu)掘進(jìn)棄渣作為巖溶發(fā)育區(qū)地表預(yù)注漿充填漿材原材料的可行性,需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣的盾構(gòu)棄渣進(jìn)行詳細(xì)的物性分析及礦物成分分析。測(cè)試結(jié)果如表1、圖4和圖5所示。

圖4 盾構(gòu)棄渣粒徑級(jí)配

橫坐標(biāo)為角度,是2倍角,是衍射譜儀掃描的角度;縱坐標(biāo)為接收器檢測(cè)到的計(jì)數(shù)單位。

由表1和圖5可知: 1)盾構(gòu)棄渣樣品X射線衍射峰對(duì)應(yīng)的礦物成分分別為石英、云母和方解石,表明盾構(gòu)右線該掘進(jìn)段的粉砂質(zhì)泥巖棄渣主要由石英、云母和方解石等礦物成分構(gòu)成,且水解后的水化云母具有黏土礦物的性質(zhì); 2)盾構(gòu)棄渣塑性指數(shù)為23.1,且堿性較低,滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)水泥基黏土注漿材料土樣塑性指數(shù)大于12的要求。因此,盾構(gòu)棄渣具備作為材料組分制備水泥基黏土漿液的可行性。

2.1.2 水泥

水泥主要起到固化與增強(qiáng)的作用。本次試驗(yàn)用水泥為P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,水泥細(xì)度為通過(guò)80 μm方孔篩的篩余量不大于5%,性能滿足GB l75—2007《通用硅酸鹽水泥》的有關(guān)要求。

2.1.3 添加劑

本文中研制的巖溶注漿材料所涉及的添加劑包括速凝劑和膨脹劑2種。其中,速凝劑主要起到調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間的作用,膨脹劑的主要作用是確保漿液固化后不收縮。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

選取水灰質(zhì)量比、盾構(gòu)棄渣摻量、速凝劑摻量、膨脹劑摻量為影響因素,各影響因素選取4個(gè)水平值,構(gòu)建L16(44)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。各影響因素及水平值如表2所示。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表3所示。

表2 各影響因素及水平值

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3 試驗(yàn)測(cè)試方法

巖溶注漿材料的性能方法參考標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)文獻(xiàn)中測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)定。注漿材料性能測(cè)試方法如表4所示。

表4 注漿材料性能測(cè)試方法

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 相對(duì)體積質(zhì)量

通過(guò)對(duì)不同配合比下漿液的相對(duì)體積質(zhì)量進(jìn)行正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析,得到如圖6所示的直觀分析圖,測(cè)試結(jié)果極差分析如表5所示。

表5 漿液相對(duì)體積質(zhì)量極差分析

由圖6可知: 漿液的相對(duì)體積質(zhì)量隨著不同的試驗(yàn)配比呈現(xiàn)較大的變化,表明水灰質(zhì)量比、盾構(gòu)棄渣摻量、速凝劑摻量和膨脹劑摻量均對(duì)漿液相對(duì)體積質(zhì)量有一定程度的影響,且受水灰質(zhì)量比影響最為顯著。由表5的極差分析計(jì)算可知: 1)水灰質(zhì)量比、盾構(gòu)棄渣摻量、速凝劑摻量和膨脹劑摻量的極差分別為0.37、0.02、0.03、0.08; 2)各影響因素對(duì)漿液相對(duì)體積質(zhì)量影響的主次順序?yàn)樗屹|(zhì)量比>膨脹劑摻量>速凝劑摻量>盾構(gòu)棄渣摻量。

2.4.2 流動(dòng)度

通過(guò)對(duì)不同配合比下漿液流動(dòng)度進(jìn)行正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析,得到如圖7所示的影響漿液流動(dòng)度的直觀分析圖,測(cè)試結(jié)果極差分析如表6所示。

由圖7可知: 1)漿液流動(dòng)度隨著水灰質(zhì)量比的增大而增大,原因在于水灰質(zhì)量比增大,水的相對(duì)含量增加,漿液流動(dòng)度增大; 2)漿液流動(dòng)度隨著盾構(gòu)棄渣摻量的增加而逐漸減小,主要原因?yàn)槎軜?gòu)棄渣含有較多的固體顆粒,增大了漿液間整體摩擦力,從而降低了流動(dòng)度; 3)漿液流動(dòng)度隨著速凝劑摻量的增大而逐漸減小,主要是因?yàn)樗倌齽┮欢ǔ潭壬霞铀倭藵{液的凝結(jié),從而降低了漿液的流動(dòng)性能; 4)漿液流動(dòng)度隨著膨脹劑摻量的增大而逐漸增大,原因在于膨脹劑的添加會(huì)降低水化反應(yīng)所需的需水量。通過(guò)對(duì)比表6的極差分析結(jié)果可知,各影響因素對(duì)漿液流動(dòng)度影響的主次順序?yàn)樗屹|(zhì)量比>速凝劑摻量>膨脹劑摻量>盾構(gòu)棄渣摻量。

圖7 各影響因素對(duì)漿液流動(dòng)度的影響規(guī)律

表6 漿液流動(dòng)度極差分析

考慮到在注漿過(guò)程中,漿液初始流動(dòng)度不宜太大也不宜太小,應(yīng)該控制為180～260 mm。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況下,為確保巖溶發(fā)育區(qū)注漿充填加固達(dá)到施工安全要求,應(yīng)在滿足漿液強(qiáng)度和泵送性的前提下選取較小的流動(dòng)度。實(shí)際工程中配漿時(shí)應(yīng)選擇較大的水灰質(zhì)量比、較大的棄渣摻量、較小的速凝劑摻量及較小的膨脹劑摻量。

2.4.3 析水率

通過(guò)對(duì)不同配合比下漿液析水率進(jìn)行正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析,得到如圖8所示的影響漿液析水率的直觀分析圖,測(cè)試結(jié)果極差分析如表7所示。

圖8 各影響因素對(duì)漿液析水率的影響規(guī)律

表7 漿液析水率極差分析

由圖8可知: 1)漿液析水率隨著水灰質(zhì)量比的增大而逐漸增大,原因在于水灰質(zhì)量比增大,水含量相對(duì)增加,水化反應(yīng)時(shí)間增加,導(dǎo)致水泥漿液析水效果增加; 2)漿液析水率隨著盾構(gòu)棄渣摻量的增加而逐漸增大; 3)漿液析水率隨著速凝劑摻量的增大而逐漸減小,主要是因?yàn)樗倌齽┠苡行Т龠M(jìn)水泥的水化反應(yīng),使?jié){液中可自由析出的水量減少,故析水率降低。通過(guò)對(duì)比表7的極差分析結(jié)果可知,各影響因素對(duì)漿液析水率影響的主次順序?yàn)樗屹|(zhì)量比>盾構(gòu)棄渣摻量>速凝劑摻量>膨脹劑摻量。

當(dāng)漿液的析水率越低,漿液在被注介質(zhì)中推進(jìn)擴(kuò)散過(guò)程中更加均勻,其穩(wěn)定性隨之增強(qiáng),結(jié)合充填料的性能指標(biāo)要求,實(shí)際工程中配漿時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求控制漿液的析水率,即在滿足漿液流動(dòng)度要求的前提下,選擇較小的水灰質(zhì)量比、較小的盾構(gòu)棄渣摻量以及較大的速凝劑摻量,以保證漿液析水率較低,使?jié){液被注漿后在地層中穩(wěn)定性較強(qiáng)。

2.4.4 膠凝時(shí)間

通過(guò)對(duì)不同配合比下漿液膠凝時(shí)間進(jìn)行正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析,得到如圖9所示的影響漿液膠凝時(shí)間的直觀分析圖,測(cè)試結(jié)果極差分析如表8所示。

圖9 各影響因素對(duì)漿液膠凝時(shí)間的影響規(guī)律

表8 漿液膠凝時(shí)間極差分析

由圖9可知: 1)漿液膠凝時(shí)間隨著水灰質(zhì)量比的增大而逐漸增長(zhǎng),水灰質(zhì)量比越大,水泥凝結(jié)時(shí)需要填充的結(jié)構(gòu)孔隙越多,將造成膠凝時(shí)間的增長(zhǎng); 2)漿液膠凝時(shí)間隨著盾構(gòu)棄渣摻量的增大而逐漸增長(zhǎng); 3)漿液膠凝時(shí)間隨著速凝劑摻量的增大而逐漸縮短,主要是因?yàn)樗倌齽楣こ态F(xiàn)場(chǎng)較為常用的一種漿液促凝化合物,能釋放出大量的強(qiáng)堿性氫氧化物,促進(jìn)水泥的水化。通過(guò)對(duì)比表8的極差分析結(jié)果可知,各影響因素對(duì)漿液膠凝時(shí)間影響的主次順序?yàn)樗倌齽搅?水灰質(zhì)量比>盾構(gòu)棄渣摻量>膨脹劑摻量。

在注漿工程中,為保證漿液灌注效果良好,一般要求漿液初凝時(shí)間在大于45 min的控制標(biāo)準(zhǔn)下盡可能小,結(jié)合充填料的性能指標(biāo)要求可以發(fā)現(xiàn),實(shí)際工程中配漿時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求控制漿液的初凝時(shí)間,即在滿足流動(dòng)度及泵送性的前提下,選擇較大的水灰質(zhì)量比、較小的速凝劑摻量,以保證漿液良好的泵送性。

2.4.5 結(jié)石體收縮率

通過(guò)對(duì)不同配合比下漿液結(jié)石體28 d體積收縮率進(jìn)行正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析,得到如圖10所示的影響漿液結(jié)石體28 d體積收縮率的直觀分析圖,測(cè)試結(jié)果極差分析如表9所示。

圖10 各影響因素對(duì)漿液收縮率的影響規(guī)律

表9 漿液收縮率極差分析

由圖10可知: 1)漿液結(jié)石體收縮率隨著水灰質(zhì)量比的增大而逐漸減小,原因在于水灰質(zhì)量比增大導(dǎo)致水化反應(yīng)時(shí)間增加,結(jié)石體收縮效應(yīng)明顯增加; 2)漿液結(jié)石體收縮率隨著盾構(gòu)棄渣摻量的增加而逐漸減小,主要原因?yàn)槎軜?gòu)棄渣具有一定的吸水性,降低了漿液中的水,從而降低水泥漿液凝固后的收縮; 3)漿液結(jié)石體收縮率隨著速凝劑摻量的增大而逐漸增大,主要是因?yàn)樗倌齽┘涌炝怂磻?yīng),造成結(jié)石體孔隙增大,導(dǎo)致收縮率增加。通過(guò)對(duì)比表9的極差分析結(jié)果可知,各影響因素對(duì)漿液結(jié)石體收縮率影響的主次順序?yàn)槎軜?gòu)棄渣摻量>水灰質(zhì)量比>速凝劑摻量>膨脹劑摻量。

在注漿過(guò)程中,漿液的結(jié)石體收縮率越小則注漿時(shí)的耗漿量越小,溶洞充填能力越強(qiáng),結(jié)合充填料的性能指標(biāo)要求,實(shí)際工程中配漿時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求控制漿液的結(jié)石體收縮率,即在滿足流動(dòng)度及泵送性的前提下,選擇較大的膨脹劑摻量、速凝劑摻量和盾構(gòu)棄渣摻量。

2.4.6 漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)不同配合比下漿液結(jié)石體7 d和28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行正交設(shè)計(jì)結(jié)果分析,得到如圖11所示的影響抗壓強(qiáng)度的直觀分析圖,測(cè)試結(jié)果極差分析如表10和表11所示。

圖11 各影響因素對(duì)漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律

表10 漿液結(jié)石體7 d抗壓強(qiáng)度分析

表11 漿液結(jié)石體28 d抗壓強(qiáng)度分析

由圖11可知: 1)漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨著水灰質(zhì)量比的增大而減小,原因在于水灰質(zhì)量比增大則水泥含量相對(duì)減少,導(dǎo)致結(jié)石體抗壓強(qiáng)度降低; 2)漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨著盾構(gòu)棄渣摻量的增加而逐漸減小; 3)漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨著速凝劑摻量的增大而逐漸減小,主要是因?yàn)樗倌齽┧a(chǎn)物擴(kuò)散不及時(shí)、包裹未水化水泥顆粒以及水分的蒸發(fā)阻礙水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,造成孔隙率增大,使結(jié)石體抗壓強(qiáng)度降低; 4)膨脹劑摻量對(duì)于結(jié)石體抗壓強(qiáng)度影響相對(duì)較小,其增加一定程度會(huì)使抗壓強(qiáng)度減小。通過(guò)對(duì)比表10和表11的極差分析結(jié)果可知,各影響因素對(duì)漿液析水率影響的主次順序?yàn)樗屹|(zhì)量比>速凝劑摻量>盾構(gòu)棄渣摻量>膨脹劑摻量。

在注漿充填過(guò)程中,結(jié)石體應(yīng)盡早達(dá)到一定的強(qiáng)度以保證盾構(gòu)掘進(jìn)掌子面穩(wěn)定,結(jié)合充填料的性能指標(biāo)要求,實(shí)際工程中配漿時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求控制結(jié)石體抗壓強(qiáng)度,即在滿足流動(dòng)度與泵送性的前提下,選擇較小的水灰質(zhì)量比、較小的盾構(gòu)棄渣摻量、較小的速凝劑摻量及較小的膨脹劑摻量,使結(jié)石體抗壓強(qiáng)度取到控制區(qū)間內(nèi)的較大值,以保障盾構(gòu)穿越巖溶發(fā)育區(qū)的安全掘進(jìn)。

3 多目標(biāo)-理想點(diǎn)法的注漿材料配合比優(yōu)選

3.1 注漿材料性能要求

通過(guò)查閱相關(guān)規(guī)范規(guī)程,并且參考相關(guān)研究成果后,提出盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)域的注漿材料需滿足的性能指標(biāo)如下:

1)漿液流動(dòng)性及析水率。初始流動(dòng)度應(yīng)控制為180～260 mm,析水率不高于5%,滿足泵送施工要求。

2)凝結(jié)時(shí)間。凝結(jié)時(shí)間可以反映巖溶注漿效果,設(shè)定膠凝時(shí)間為30～120 min。

3)注漿加固體抗壓強(qiáng)度。需要確保注漿填充溶洞后加固體強(qiáng)度與周?chē)貙酉嗥ヅ洹?/p>

4)結(jié)石體收縮率。漿液填充效果是比較關(guān)鍵的性能,如果結(jié)石體收縮過(guò)大,則溶洞充填效果不佳,對(duì)后續(xù)盾構(gòu)施工造成安全隱患。因此,要求結(jié)石率不低于95%。

3.2 最優(yōu)配合比優(yōu)選設(shè)計(jì)

為了獲取最佳的巖溶注漿材料配合比,使其滿足盾構(gòu)高效掘進(jìn)需求,提出基于多目標(biāo)-理想點(diǎn)的注漿材料配合比優(yōu)選方法。

3.2.1 確定系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

采用SPSS軟件構(gòu)建各影響因素與漿液性能參數(shù)之間的回歸方程,確定系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),結(jié)果如表12所示。

表12 回歸方程系數(shù)及方程擬合度

3.2.2 建立系統(tǒng)優(yōu)化的約束條件及理想點(diǎn)數(shù)據(jù)

通過(guò)查閱規(guī)范要求以及結(jié)合實(shí)際的測(cè)試情況,確定該注漿材料在實(shí)際施工中的最優(yōu)性能如表13所示,理想點(diǎn)數(shù)據(jù)如表14所示。

表13 漿液性能指標(biāo)

表14 理想點(diǎn)漿液配合比

4 工程應(yīng)用及效益分析

4.1 工程應(yīng)用

工程現(xiàn)場(chǎng)注漿所采用的盾構(gòu)棄渣與室內(nèi)試驗(yàn)取樣棄渣在工程特性上具有高度一致性,均為可塑性較強(qiáng)的粉砂質(zhì)泥巖。漿液制備及施工流程如圖12所示?，F(xiàn)場(chǎng)注漿施工示意如圖13所示。由于在最優(yōu)配合比下的漿液性能均滿足要求,同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)制備漿液時(shí)稱(chēng)重設(shè)備精度不足,為便于漿液制備,采用漿液配合比為水灰質(zhì)量比∶盾構(gòu)棄渣摻量∶速凝劑摻量∶膨脹劑摻量=1.4∶36%∶0.5%∶0.3%進(jìn)行了巖溶充填加固處理。工程應(yīng)用效果表明,盾構(gòu)在后續(xù)掘進(jìn)時(shí)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)變化相對(duì)平穩(wěn),且地表沉降及管片累計(jì)沉降量均在安全可控范圍內(nèi),達(dá)到了預(yù)期效果。

圖12 漿液制備及施工流程圖

(a) 泥漿制作

(b) 篩分處理

(c) 加入外加劑

(d) 注漿封孔

南寧機(jī)場(chǎng)線隧道工程盾構(gòu)段在穿越巖溶發(fā)育區(qū)時(shí)采用水泥-盾構(gòu)棄渣注漿材料對(duì)巖溶進(jìn)行了處理,盾構(gòu)平均日掘進(jìn)8～10環(huán),安全高效地穿越了巖溶發(fā)育區(qū),項(xiàng)目提前3個(gè)月完成主體工程施工。

4.2 效益分析

以上研究表明,利用南寧國(guó)際空港綜合交通樞紐城市軌道交通機(jī)場(chǎng)線引入機(jī)場(chǎng)隧道工程盾構(gòu)棄渣作為原材料制備的巖溶充填注漿材料是可行的。若將其應(yīng)用于實(shí)際工程,可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。

4.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

若按目前市場(chǎng)價(jià)格購(gòu)置各類(lèi)原材料,并采用最優(yōu)配合比來(lái)配置水泥-盾構(gòu)棄渣巖溶充填注漿材料,漿液成本約193.4元/m3,相比于采用現(xiàn)場(chǎng)漿液設(shè)計(jì)配比(原材料成本約187.56元/m3),水泥-盾構(gòu)棄渣巖溶充填注漿材料的購(gòu)置成本更低。此外,考慮到2種注漿材料之間的性能差異,現(xiàn)場(chǎng)水泥漿液的結(jié)石體收縮率較大,若使用現(xiàn)場(chǎng)水泥漿液完全密實(shí)填充溶洞,注漿量約為水泥-盾構(gòu)棄渣巖溶注漿材料的1.5倍。計(jì)算得出利用盾構(gòu)棄渣的巖溶充填注漿材料相對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖溶注漿材料可節(jié)省原材料成本約58.63元/m3,降低注漿原材料單價(jià)成本約31.26%。

4.2.2 社會(huì)效益及環(huán)境效益

1)節(jié)約了大量的工程場(chǎng)地資源,緩解了棄渣場(chǎng)的堆渣壓力; 2)避免了棄渣外運(yùn)對(duì)城市環(huán)境造成污染; 3)減少了棄渣亂堆放現(xiàn)象,一定程度上保護(hù)了城市生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論與建議

1)基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論,開(kāi)展了盾構(gòu)棄渣制備巖溶注漿材料室內(nèi)試驗(yàn),并測(cè)試了不同配合比下漿液的基本性能,并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合了不同配比與漿液性能指標(biāo)之間的多元回歸方程,構(gòu)建了多目標(biāo)-理想點(diǎn)法漿液配合比優(yōu)化模型,從而得到了注漿材料最優(yōu)配合比為水灰質(zhì)量比∶盾構(gòu)棄渣摻量∶速凝劑摻量∶膨脹劑摻量=1.41∶35.80%∶0.48%∶0.31%。

2)利用盾構(gòu)棄渣制備的漿液進(jìn)行了工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,注漿后28 d對(duì)注漿加固區(qū)進(jìn)行了取芯測(cè)試,結(jié)果表明取芯樣強(qiáng)度大于3 MPa,芯樣結(jié)構(gòu)密實(shí),無(wú)蜂窩空洞和裂縫出現(xiàn),后續(xù)盾構(gòu)穿越巖溶區(qū)時(shí)的各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)變化均相對(duì)平穩(wěn),地表沉降及管片累計(jì)沉降量均在安全可控范圍內(nèi),并且提前3個(gè)月完成主體工程施工,提高了施工效率。

3)利用盾構(gòu)棄渣作為原材料配制現(xiàn)場(chǎng)巖溶注漿充填材料,可以節(jié)省31.26%的注漿原材料購(gòu)置成本,可以極大節(jié)約場(chǎng)地資源,減少施工場(chǎng)地的污染, 能減少渣土挖運(yùn)與棄渣場(chǎng)處置成本,同時(shí)一定程度上保護(hù)了城市道路環(huán)境,減少了城市環(huán)境污染。

4)在“碳達(dá)峰、碳中和”的背景下,盾構(gòu)棄渣的減量化、無(wú)害化處置的趨勢(shì)愈加明顯,因其具備與膠凝材料有良好的結(jié)合能力,建議將其作為盾構(gòu)壁后注漿材料、掘進(jìn)泥漿等材料的原料回用于施工現(xiàn)場(chǎng),或者將其作為免燒磚、自密實(shí)混凝土等綠色建材的原料,有助于推動(dòng)盾構(gòu)棄渣的資源化利用向多元化方向發(fā)展。