南京纬三路过江通道弃砂在壁后注浆材料中的利用

陈喜坤，朱 伟，2，王 睿，闵凡路，2，魏代伟

（1.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.南京河海科技有限公司，江苏南京 210098）

南京纬三路过江通道弃砂在壁后注浆材料中的利用

陈喜坤1，朱 伟1，2，王 睿1，闵凡路1，2，魏代伟3

（1.河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.南京河海科技有限公司，江苏南京 210098）

为了解决南京纬三路过江通道施工产生的弃砂在壁后注浆浆液中的再利用问题，通过将施工产生的弃砂筛分成细度模数分别为1.652、1.096、0.773的砂，并将其分别用于配置不同水胶比的壁后注浆浆液，探究了砂的细度模数对壁后注浆浆液基本性能的影响，进而提出了弃砂再利用的方法。结果表明：浆液用砂的细度模数越高，浆液的流动度、稠度、泌水率、体积收缩率和凝结时间越长，强度越低；弃砂细度模数筛分为0.75～1.08，水胶比为0.9，可直接作为壁后注浆材料。南京纬三路过江通道弃砂再利用的方案为：将弃砂过1.25 mm筛后75%替换原浆液用砂，调整水胶比为0.85；或50%替换原浆液用砂，调整水胶比为0.9，2种方案都满足了工程要求，并具有一定的经济效益。

南京纬三路过江通道；弃砂；泥水盾构；壁后注浆；细度模数

0 引言

近些年来，盾构法施工在我国轨道交通和越江隧道工程中的应用越来越多［1-2］。盾构隧道施工会产生大量的泥砂，一般采用堆场堆放的方式来处理，这样既占用了土地资源，又造成一定的环境问题。因此，研究盾构泥砂在盾构法施工过程中的循环利用问题具有重要意义［3］，而壁后注浆作为盾构施工的一道关键工序，对于防止隧道渗漏、地面沉降、管片位移等具有重要作用［4］。浆液中砂的含量在50%以上，是主要组分之一，探究弃砂在壁后注浆浆液中的再利用具有一定的工程价值。

盾构泥砂是指盾构法施工过程中开挖的土体经过粉碎、切削、搅拌等程序后运输至地表的渣土。部分泥砂经过泥水分离可以作为盾构泥浆使用，而密度较大的泥砂颗粒不能被利用，从而导致大量弃置泥砂。在盾构弃砂利用方面，已经有了一些研究。林文书等［5］以武汉地铁工程为背景，认为盾构泥砂黏粒含量为10%～30%、含砂量为40%～70%时，制备的同步注浆材料的流动性、稳定性、力学性能与抗水分散性能均能达到设计要求，并提出了采用增大HMA外加剂的掺量来调整注浆材料的工程性能；钟小春等［6］以南京长江隧道工程为背景，将粉细砂直接应用于壁后注浆材料中，但应根据不同弃砂性质调整材料配方中的土砂比（粉黏粒与砂土干质量之比）；许可［7］利用盾构泥砂制备了同步注浆材料，认为泥砂塑性指数越大浆液流动性越好，含泥量宜控制在30%～40%。以上学者针对的泥砂黏粒含量较高（在20%～40%），研究方法也主要考虑降低壁后注浆材料中黏粒含量（如减少膨润土含量）、增加外加挤来保证浆液性能，对于颗粒较大的砂的影响考虑得比较少。南京纬三路过江通道盾构段地层中粉细砂地层占70%左右，且产生的盾构泥砂81%的颗粒处于1.25 mm以下，黏粒含量仅为2%；因此，探究砂对壁后注浆浆液基本性质的影响规律对于该工程弃砂再利用具有重要意义。

南京纬三路过江通道弃砂级配良好，但颗粒粒径偏大，而细度模数是表征天然砂粒径的粗细程度及类别的指标［8］，可以反映弃砂与原配方砂之间的差异。关于砂细度模数对水泥砂浆基本性能的影响，S.K.Lim等［9］通过在水泥砂浆中使用不同细度模数的砂，发现细度模数越大，砂浆的保水性越好，试块抗压强度越大；G.D.Schutter等［10］发现不同细度模数、表观质量、相对比表面积的砂与砂浆的用水量存在相关性；Mikael Westerholm等［11］通过在混凝土中掺加不同细度模数的砂，发现砂细度模数越小，混凝土流变性能越差；V.G.Haach等［12］发现制备相近性质的水泥砂浆，采用细度模数较小的砂比采用细度模数较大的砂需要更大的水灰比；吴永根等［13］通过试验研究，确定了机场路面混凝土细集料细度模数为2.64时耐磨性最好，同时具有较高的强度和抗渗性。可见，细度模数对浆液性能有显著影响，然而在壁后注浆领域中该方面的研究尚不明确。本文探究了细度模数对壁后注浆浆液基本性能的影响，并提出了南京纬三路过江通道工程中弃砂再利用的具体方法，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

南京纬三路过江通道位于南京长江大桥与纬七路长江隧道之间，线路西起长江北岸浦口新市区浦珠路，北线（N线）穿越长江后与扬子江大道相接，南线（S线）穿越长江及扬子江大道后与定淮门大街相接。北线全长7.0 km，南线全长7.3 km。盾构隧道大部分处于粉细砂地层中，局部位于淤泥质、粉质黏土以及卵砾石地层中，地质剖面如图1所示，弃砂的筛分曲线如图2所示。由图2可知，85%的颗粒位于1.25 mm以下，而黏粒的含量仅为2%，颗粒级配良好，这正是壁后注浆浆液所需要的。弃砂用于壁后注浆不仅可以减少优质砂的购买，而且可以解决弃砂堆放带来的环境问题。

图1 隧道北线地质剖面图Fig.1 Longitudinal profile of geological conditions of north tube of Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

2 试验设计

2.1 试验材料

试验主要材料包括石灰、粉煤灰、砂、水、膨润土、减水剂。其中，熟石灰的氢氧化钙含量约为89%，粉煤灰为南京下关电厂Ⅲ级粉煤灰，膨润土为南京汤山膨润土有限公司生产的Ⅰ级钠基膨润土，减水剂为南京瑞迪高新技术公司生产的HLC-NAF高效减水剂。各配方含量如表1所示。

图2 弃砂与原配方砂颗粒级配对比Fig.2 Comparison and contrast between particle gradation of waste sand produced in tunneling and that of sand proposed in the original mixing proportion design

表1 原始壁后注浆浆液配方Table 1 Original mixing proportion of backfilling groutkg/m3

2.2 试验装置和方法

同步注浆材料的强度、稠度和凝结时间参考JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行试验。流动度参考GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》。泌水率测定参考GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。体积收缩率测定采用砝码堆载一维固结的方式，如图3所示。

图3 体积收缩率测试装置Fig.3 Volume shrinkage test device

2.3 试验方案

为了探讨粉细砂颗粒大小对壁后注浆浆液性质的影响，将弃砂进行筛分以得到不同细度模数的粒组，试验设计见表2。不同粒组的砂颗粒级配情况如图4所示。

3 试验结果与分析

3.1 不同细度模数的弃砂对壁后注浆体性能的影响

浆液泌水率与砂的细度模数关系如图5所示。从图5可以看出，随着弃砂细度模数的增加，砂子粒径增大，浆液整体孔隙率增加，从而使水更容易排出，导致泌水率逐渐增大，但均小于2%。对于南京纬三路过江通道弃砂来说，控制细度模数在2.0以下，水胶比在0.85～0.95，浆液的泌水率满足施工要求。

表2 细度模数影响试验方案Table 2 Tests on influence of fineness modulus

图4 弃砂不同筛分情况颗粒级配分布Fig.4 Distribution of particle gradation of waste sand

图5 浆液泌水率与砂的细度模数关系曲线Fig.5 Relationship between grout bleeding rate and sand fineness modulus

流动度和稠度是衡量浆液泵送能力的指标，初始流动度和初始稠度与细度模数的关系如图6和图7所示。从图6和图7可以看出，随着弃砂细度模数的增大，颗粒之间的接触面积增大，咬合作用增强，从而使浆液的稠度增大，流动度也随之增加。根据工程要求，浆液稠度应在8～12 mm，流动度应大于20 cm［14］（图中阴影部分），因此，应控制细度模数不超过1.5，即在颗粒级配良好的前提下，最大颗粒粒径要小于1.25 mm。此外，不同细度模数的砂应调整水胶比，以满足稠度和流动度要求。

图6 浆液初始流动度与砂的细度模数关系曲线Fig.6 Relationship between initial fluidity of grout and fineness modulus of sand

图7 浆液初始稠度与砂的细度模数关系曲线Fig.7 Relationship between initial consistency of grout and fineness modulus of sand

凝结时间和结石体强度与细度模数的关系如图8和图9所示。从图8和图9可以看出，随弃砂细度模数的增加，浆液凝结时间增长，7 d抗压强度减小。根据壁后注浆要求，惰性浆液凝结时间宜小于70 h［15］（图8中阴影部分）。可以看出，细度模数较小的砂更容易满足凝结时间的要求，且强度较高。随着水胶比的增大，砂的细度模数需相应减小，以满足施工要求。

体积收缩率与细度模数的关系如图10所示。从图10可以看出，随着弃砂细度模数的增加，浆液孔隙率增大，浆液排水多，体积收缩率也随之增大，这对浆液填充是不利的。为保证工后沉降满足要求，体积收缩率宜在20%以下（图10中阴影部分）。因此，减小浆液用砂细度模数也是降低体积收缩率的有效方法之一。观察图7、8、10中不同水胶比条件下浆液的可用范围，可以发现控制水胶比为0.9、弃砂细度模数为0.75～1.08时，浆液的流动度为24～25 mm，稠度为8.6～9.2 mm，凝结时间小于70 h，且体积收缩率在20%以下，泌水率小于3%，各项性能均满足工程施工要求，即将弃砂合理筛分可以用于壁后注浆浆液中。

图8 浆液凝结时间与砂的细度模数关系曲线Fig.8 Relationship between setting time of grout and fineness modulus of sand

图9 结石体强度与砂的细度模数关系曲线Fig.9 Relationship between strength of consolidation body and fineness modulus of sand

图10 浆液体积收缩率与砂的细度模数关系曲线Fig.10 Relationship between volume shrinkage of grout and fineness modulus of sand

3.2 盾构弃砂再利用方法研究

3.1节研究了浆液的各项性能与细度模数之间的关系，然而实际工程中对弃砂的精细筛分，特别是对黏粒的筛分费时费力，无法满足工程需要。为此，将弃砂直接过1.25 mm筛，分别以100%、75%、50%的质量比来代替原配方中的砂（浆液其他配方不变），从而改变砂的细度模数。调整浆液水胶比，寻找最优的代替方案。试验设计如表3所示。

表3 试验设计Table 3 Test design

试验发现B2、C2组与浆液原配方基本性能最接近，实测结果如表4所示。新配方浆液7 d强度均大于原配方浆液，泌水率小于原配方，各项性能均满足施工要求。因此，将弃砂过1.25 mm筛后75%替换原浆液用砂，并调整水胶比为0.85，或50%替换原浆液用砂，调整水胶比为0.90，均能满足工程要求。在南京纬三路过江通道施工过程中采用以上方案均满足了掘进需求。

表4 B2、C2组浆液与原浆液性能对比Table 4 Basic properties of B2 grout，C2 grout and original grout

4 工程应用情况与经济性分析

4.1 弃砂再利用情况

实际施工中，观测了采用C2方案的浆液实际利用情况，发现采用弃砂配置的浆液，注浆效果良好，注浆压力维持在0.4～0.8 MPa，泵送性能良好，未出现堵管现象，单环注浆量32 m3，与原浆液相当，脱出盾尾后未见漏水现象。因此，不调整膨润土的含量，通过筛分去除大于1.25 mm的颗粒，并调整原浆液的水胶比，完全可以将弃砂用于壁后注浆浆液中。

4.2 弃砂再利用经济价值分析

浆液用砂单价为60元/t。计算参数为：盾构外径D1＝14.96 m，管片外径D2＝14.5 m，环宽B＝2

5 结论与讨论

m，注入率α＝150%，单环注入量为31.9 m3，还剩余1 200环，总注入量为4 785 m3。单环注入量按式（1）计算。按现用浆液配比中的砂量进行估算，不考虑砂子运输成本和人工费，按照B2方案进行替换预计节约成本163.8万元，按照C2方案进行替换预计节约108.8万元。因此，进行盾构弃砂回收具有一定的经济效益。

运用室内试验和现场观察，研究了南京纬三路过江通道弃砂在壁后注浆材料中的利用，得到了以下结论：

1）细度模数对壁后注浆浆液的基本性能有显著影响，浆液用砂的细度模数越高，流动度、稠度、泌水率、体积收缩率越大，凝结时间越长，7 d强度越低。对于南京纬三路过江通道弃砂来讲，宜使弃砂细度模数控制在0.75～1.08，水胶比为0.9，从而直接应用于壁后注浆施工中。

2）南京纬三路过江通道项目产生的弃砂颗粒级配均匀，黏粒含量少（2%），81%的颗粒处在1.25 mm以下，可以在壁后注浆浆液配置中实现再利用。应用方案为：过1.25 mm筛后75%替换原浆液用砂，并调整水胶比为0.85；或50%替换原浆液用砂，调整水胶比为0.9。

3）弃砂用于壁后注浆浆液的配制具有一定的经济价值。就南京纬三路过江通道而言，余下的盾构施工段，若75%替换原浆液用砂，预计可节省成本163.8万元；若50%替换原浆液用砂，预计可节省成本108.8万元。

砂的细度模数对浆液性能的影响在水泥砂浆的研究中常有报道，而壁后注浆浆液与水泥砂浆存在较大区别，明确这一问题对盾构法施工具有一定的参考价值，然而本文并没有对其影响机制进行解释。因此，在今后的研究中有必要从浆液水固比、孔隙分布等角度进行影响机制的探讨。

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Application of Waste Sand in Backfilling Grouting in Shielding Tunneling：Case Study on Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

CHEN Xikun1，ZHU Wei1，2，WANG Rui1，MIN Fanlu1，2，WEI Daiwei3

A large amount of waste sand is produced in shield tunneling and it is of great importance to study the recycling use of the waste sand in backfilling grouting.In the paper，the waste sand produced in the construction of Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing is classified into three grades with 1.652，1.096 and 0.773 fineness modulus respectively，backfilling grouts with different water/binder ratios are prepared by using the mentioned waste sand，the influence of the fineness modulus of the sand on the basic properties of the backfilling grout is studied，and suggestion is made on the application of the waste sand in the backfilling grout.Conclusions drawn are as follows：1）The higher the fineness modulus of the sand，the larger the fluidity，consistency，bleeding rate，volume shrinkage rate and setting time of the grout，and the lower the strength of the grout；2）Grout prepared with the waste sand of 0.75～1.08 fineness modulus and having 0.9 water/binder ratio can be directly used for backfilling；3）The following two waste sand recycling use schemes can be adopted for Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing：A）The sand in the original mixing proportion is replaced by the waste sand screened by 1.25 mm sieve，with 75%replacement ratio，and the water/binder ratio is adjusted as 0.85；B）The sand in the original mixing proportion is replaced by the waste sand screened by 1.25 mm sieve，with 50%replacement ratio，and the water/binder ratio is adjusted as 0.9.

waste sand；slurry shield；backfilling grouting；fineness modulus；Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.010

U 455

B

1672-741X（2015）11-1176-06

2015-06-12；

2015-07-27

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2015CB057803）；国家自然科学基金项目（51408191）；江苏省疏浚与泥处理利用国家工程技术研究中心培育点（BM2013013）

陈喜坤（1989—），男，河南商丘人，河海大学岩土工程专业在读硕士，研究方向为岩土工程和盾构施工。

（1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Ministry of Education，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；3.Nanjing Hohai Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210098，Jiangsu，China）