废弃泥浆在盾构壁后注浆中的应用

杨 钊， 贺祖浩， 吴克雄

(1. 中交二航局技术中心， 湖北 武汉 430040； 2. 同济大学， 上海 200092；3. 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430040;4. 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430040)

废弃泥浆在盾构壁后注浆中的应用

杨 钊1, 2， 贺祖浩1， 吴克雄3, 4

(1. 中交二航局技术中心， 湖北 武汉 430040； 2. 同济大学， 上海 200092；3. 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430040;4. 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430040)

在泥水盾构施工过程中不可避免地会产生大量的废弃泥浆，处理泥浆一是需要较高的资金投入，二是可能会对环境造成严重污染。利用废弃泥浆配制壁后注浆砂浆，利用盾构弃浆代替砂浆中的膨润土和水，研究弃浆对壁后注浆砂浆工程性能的影响。结果表明： 1)相对体积质量为1.16、黏度为22 s的泥浆配制壁后注浆材料可得到较好的流动性和稠度，并且泌水率优于原配比； 2)相对体积质量为1.27、黏度为24 s的泥浆会明显降低砂浆的流动度，对砂浆可泵送能力有一定的影响； 3)适当调整水胶比和泥浆相对体积质量，配制壁后注浆材料各方面性能均能达到壁后注浆材料的要求； 4)废弃泥浆配制砂浆是一种既经济又环保的弃浆处理回收再利用的工艺工法。

盾构； 废弃泥浆； 壁后注浆砂浆； 环保

0 引言

随着我国城市轨道交通的不断发展，隧道的建设进入了高峰期，泥水盾构是穿江越海隧道的首选[1]。泥水盾构在施工过程中不可避免地会产生大量的废弃泥浆。泥浆处理需要较高的成本和大量的渣土运输费用，若弃浆直接排放，会造成严重的环境污染问题。为降低运输费用，经常有泥浆运输船在行驶中偷排泥浆现象发生。其中泥浆污染已经成为大运河重要污染源，弃浆不仅会造成水体污染，还会造成河道淤塞。泥浆污染问题已成为制约泥水盾构进入中心城市的主要问题之一[2]。

现阶段，随着城市地铁施工日益突显的环境保护问题，城市地铁环保施工技术已引起工程界普遍关注。在弃浆处理方面也有诸多研究： 张忠苗等[3]通过泥浆净化、化学絮凝和压滤处理3部分对泥浆进行水土分离，分离土结构致密，压缩模量达到23 MPa，计算承载力是沉渣土的7倍，说明泥浆分离后有良好的强度和变形特性，具备再次利用的可能；房凯等[4]对目前泥浆处理措施进行了总结，提出了废弃泥浆应尽量多地循环利用，减少废弃泥浆的量，同时应注重泥浆处理物的二次利用问题，实现污染零排放；何文锋等[5]研究了采用组合式泥浆处理设备处理废弃泥浆模式，在节省成本的同时产生了较好的社会效益；高磊[6]研究了利用现代微生物工程技术原理，对油气田钻井废弃泥浆进行微生物降解处理，使废弃泥浆无害化，保护生态环境。

目前的研究主要集中于将废浆进行压滤的处理，一部分泥浆通过泥水处理系统循环利用；但仍有大量弃浆需要处理，因而急需寻求一种既经济又环保的弃浆处理回收再利用的工艺工法。本文将在前人研究的基础上，利用废弃泥浆作为配制壁后注浆的材料，探究废弃泥浆配制壁后注浆材料的可行性，研究在相同配比情况下，2种砂浆性质的对比，同时探究改变配比对其性能的影响。

1 试验设计

1.1 试验材料

壁后注浆砂浆主要材料包括水泥、粉煤灰、砂、水、膨润土。水泥为华润水泥(封开)有限公司生产的42.5级水泥，粉煤灰为广州恒运发电厂生产的二级粉煤灰，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。砂颗粒级配情况如图1所示。

图1 砂颗粒级配

按砂浆配比中膨润土和水的比例(膨润土40 g、水570 g)配制膨润土浆液，并取部分盾构弃浆，对其进行相对体积质量、黏度和含砂率试验。泥浆性能参数见表1。

表1 泥浆性能参数

1.2 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》。测试仪器包括相对密度仪、砂浆稠度仪、量筒、砂浆凝结时间测定仪、砂浆收缩膨胀仪和万能试验机。

1.3 试验方案

试验原始配方选择2种现场配比，如表2所示。一种用于全断面红层的砂浆配比为1-1(广佛1号线砂浆配比)；一种用于上软下硬(上砂层)的配比为2-1(从化地铁砂浆配比)。泥浆配制砂浆在原始配比基础上利用泥浆代替膨润土，试验水胶比不变。泥浆配比为1-2和2-2，具体配比见表3。

表2 原始壁后注浆浆液配方

表3 泥浆相对体积质量1.16注浆浆液配方

Table 3 Grouting slurry formulation with slurry specific gravity of 1.16

kg/ m3

流动度和稠度是衡量浆液泵送能力的指标，影响砂浆流动度和稠度的主要因素是砂浆的水胶比[7]。研究泥浆相对体积质量为1.27时，通过增大水胶比，配制壁后注浆砂浆的工作性能，具体配比见表4。

表4 泥浆相对体积质量1.27注浆浆液配方

2 试验结果与分析

2.1 泥浆相对体积质量1.16配制砂浆性能分析

砂浆形态如图2所示。可以看出，原配比砂浆与泥浆配制砂浆流动度均较好，砂浆呈均匀的悬浊液体。原配比中膨润土在水中高度分散搭接成网络结构，膨润土浆液有一定的黏度悬浮浆液，可以增加浆体稳定

性，防止浆液的离析，增大浆体黏度，阻碍砂粒下沉。泥浆配制砂浆稍较原始配比黏稠，泥浆主要由膨润土、黏土颗粒、CMC等添加剂、少量的砂和水组成的具有一定黏度的悬浮浆液。可以得知，泥浆具有与膨润土类似的效果，增加浆液稳定性，配制浆液黏度更大。砂浆实验结果见表5。

(a) 配比1-1 (b) 配比1-2 (c) 配比2-1 (d) 配比2-2

图2 砂浆搅拌形态图

对比1-1和1-2： 砂浆稠度分别为13.8 cm和13.6 cm，砂浆稠度略有减小；流动度分别为30 cm和29.5 cm，流动度略有降低；泌水率分别为10%和1.6%，泌水减小；分层度分别为8 mm和2 mm，分层度降低；凝结时间从原来的13 h变为13.8 h，凝结时间略有增大；3 d 强度分别为1.03 MPa和1.01 MPa，强度相当；体积收缩率由原始配比的2.6%降为1.85%，体积收缩率减小；密度由原始配比1 800 kg/m3增大到1 856 kg/m3，密度稍有增大。对比配比2-1和配比2-2，可以看出结果有相同的规律。

泥浆配比相对原始配比来说: 每m3砂浆中所用泥浆含泥量要大于原始配比膨润土含量，水胶比保持不变，泥浆配制砂浆中固体颗粒含量增大，这是造成泥浆配比砂浆稠度和流动度降低、体积收缩率减小、密度增大的主要原因；泥浆黏度较大，泌水率和分层度减小，说明泥浆配制的砂浆稳定性更好；凝结时间略有延长，强度指标略差于原配比，但相差不大，说明泥浆对砂浆的凝结时间和强度影响较小。

同步砂浆应具有以下工作性能： 浆液泌水性小，便于长距离运送；泵送性好，不易离析；充填效果好；固化时间可控[8]，不易被流动的地下水冲散；早期强度与原状土相当；硬化后体积收缩率和渗透系数小[9-10]；无污染，且成本较低。由以上指标可以看出，相对体积质量为1.16、黏度22 s的泥浆代替砂浆中膨润土和水，无须进行水胶比的调整，砂浆各项指标均能满足壁后注浆材料的要求。砂浆流动度与稠度实验对比如图3所示。

(a) 配比1-1稠度 (b) 配比1-2稠度

(c) 配比1-1流动度 (d) 配比1-2流动度

图3 砂浆流动度与稠度实验对比

Fig. 3 Flowability and consistency of sand slurry

2.2 泥浆相对体积质量1.27配制砂浆性能分析

泥浆相对体积质量为1.27、黏度为24 s的泥浆，通过增大水胶比进行砂浆的配制，砂浆形态如图4所示。可以看出，配比C-1—C-4均较为黏稠。泥浆相对体积质量为1.27的泥浆，含水率为66.5%，泥浆本身黏度较大，通过增大水胶比泥浆形态相差不大。

(a) 配比C-1 (b) 配比C-2

(c) 配比C-3 (d) 配比C-4

图4 浓泥浆配砂浆搅拌形态图

Fig. 4 Mixing form of sand slurry with waste slurry

砂浆水胶比和稠度曲线见图5，砂浆水胶比和流动度曲线见图6。可以看出，水胶比由1.0增加到1.3时，砂浆的流动度和稠度有部分增加，但随水胶比的继续增大砂浆稠度和流动度没有明显增加，说明相对体积质量为1.27的泥浆通过增加水胶比并不能很好地增加其流动性。砂浆水胶比和泌水率曲线见图7，砂浆水胶比和密度曲线见图8。可以看出，通过增大水胶比砂浆泌水率增加，密度减小，说明泥浆相对体积质量较大时，增加砂浆水胶比，砂浆的稳定性与填充性能变差。在相对体积质量较大的泥浆进行砂浆的配制，要在原有配比的基础上加适量的水，控制每m3砂浆的含泥量，以改善砂浆的可泵送能力。

图5 砂浆水胶比和稠度曲线

Fig. 5 Curve shows relationship between water-binder ratio and consistency of sand slurry

图6 砂浆水胶比和流动度曲线

Fig. 6 Curve shows relationship between water-binder ratio and flowability of sand slurry

图7 砂浆水胶比和泌水率曲线

Fig. 7 Curve shows relationship between water-binder ratio and bleeding rate of sand slurry

图8 砂浆水胶比和密度曲线

Fig. 8 Curve shows relationship between water-binder ratio and density of sand slurry

3 泥浆配砂浆环境及经济效益评价

在穿越不同地层时，泥水盾构泥浆的相对体积质量和弃浆量都会发生变化。以直径6.2 m的盾构隧道为例，根据福州地铁及佛山地铁统计： 淤泥夹砂地层每延米弃浆量约20 m3，弃浆相对体积质量1.25，黏度21 s；淤泥质地层每延米弃浆量约30 m3，泥浆相对体积质量1.35，黏度23 s；粉质黏土地层每延米弃浆量约25 m3，泥浆相对体积质量1.27，黏度21 s；砂卵石地层每延米弃浆量约12 m3，泥浆相对体积质量1.12，黏度19 s；粉细砂地层每延米弃浆量8 m3，泥浆相对体积质量1.06，黏度17 s。

按需要计算每环砂浆的用量，其中计算参数为： 盾构外径D1=6.2 m，管片外径D2=6 m，环宽B=1.5 m，注入率α=150%，单环注入量

每环可以利用泥浆量1.5～3 m3，每延米可用弃浆量1～2 m3，减小污染。弃浆的利用将起到一定的环境效益。

对废弃泥浆配制的砂浆与原配比进行经济性分析。浆液用水泥285元/t，细砂70元/t，粉煤灰185元/t，膨润土650元/t。只考虑弃泥浆代替壁后注浆材料中的膨润土的费用，每m3砂浆节约材料费用26元。配比 1-2 较配比1-1，材料费用节约13.56%; 配比2-2较配比2-1，材料费用节约13.18%。泥浆配制砂浆有一定的经济价值。

4 结论与建议

1)相对体积质量为1.16、黏度为22 s的泥浆配制壁后注浆材料有较好的工作性能，密度稍有增大，强度略有降低，凝结时间略有延长；在泌水率和体积收缩率方面要优于原配比，黏度更高，不易分层。相对体积质量为1.27、黏度为24 s配制浆液稠度和流动性较原始配比有明显的降低。

2)盾构泥浆在穿越不同地层时泥浆相对体积质量和黏度会发生变化，在盾构穿越地层泥浆相对体积质量较大时，需在泥浆配制壁后注浆材料同时加适量的水，使砂浆有更好的工作性能。

3)废弃泥浆配制壁后注浆的材料能够很好地起到废弃泥浆的再利用，不仅节约工程材料，还有利于减少污染，并具有一定的经济价值，起到较好的环境效益和社会效益。

4)需要结合现场应用对盾构弃浆配制同步注浆材料的效果进行进一步研究，探究不同地层弃浆对砂浆性能的影响、填充性能与地层沉降控制效果等。

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Study of Application of Waste Slurry to Backfilled Grouting of Shield Tunnel

YANG Zhao1, 2, HE Zuhao1, WU Kexiong3, 4

(1.TechnologyCenterofCCCCSecondHarbourEngineeringCo.,Wuhan430040,Hubei,China;2.TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 3.CCCCWuhanHarbourEngineeringDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430040,Hubei,China; 4.HubeiKeyLaboratoryofAdvancedMaterials&ReinforcementTechnologyResearchforMarineEnvironmentStructures,Wuhan430040,Hubei,China)

The waste slurry will be definitely produced during slurry shield tunneling, which would cause serious environmental pollution and high cost. As a result, it is used to replace bentonite and water in backfilled grouting slurry of shield tunnel; and then the influence of it on performance of backfilled grouting slurry is studied. The results show that: 1) The grouting material with specific gravity of 1.16 and viscosity of 22 s is better than the original slurry in terms of flowability and consistency. 2) The grouting material with specific gravity of 1.27 and viscosity of 24 s would reduce the flowability of slurry and affect the pumpability of slurry. 3) The performance of new backfilled grouting slurry can meet relevant requirements by appropriately adjusting water-cement ratio and slurry specific gravity. 4) The reusing of waste slurry is economical and environmentally friendly.

shield; waste slurry; backfilled grouting sand slurry; environmental protection

2016-11-13;

2017-06-06

杨钊(1984—)，男，湖北洪湖人，2010年毕业于同济大学，岩土工程专业，博士，高级工程师，主要从事隧道及地下工程结构研究工作。E-mail: yangzhaolp@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.011

U 45

A

1672-741X(2017)08-0985-05