泥水盾构施工废弃泥浆对同步注浆材料性能的影响

2022-12-19王涛刘慧刚郝钢郭晨丁建文

科学技术与工程 2022年32期

王涛，刘慧刚，郝钢，郭晨，丁建文*

(1.北京市政路桥股份有限公司，北京 100073；2.东南大学交通学院，南京 211189)

近年来，随着城市地铁、大型过江过河隧道工程及引水工程的大规模建设，泥水盾构隧道技术的应用也越来越广泛[1-2]，但其施工过程中会产生大量的废弃泥浆，这些废弃泥浆的处理和安置问题一直是值得关注的工程难点[3-4]。目前废弃泥浆通常采用外运堆放的方法进行处理，不仅污染环境、费用高，而且占用大量土地，同时也是对泥浆资源的浪费，因此对盾构废弃泥浆进行绿色化处置及资源化利用具有重要的环保价值和经济效益。

目前关于盾构施工废弃泥浆的资源化利用，主要有以下方向[5-6]：①将废弃泥浆应用于壁后同步注浆材料中，代替同步注浆材料中的膨润土及水；②将压滤后的泥饼用于制砖、制陶粒及用作种植土等；③利用黏土地层的废弃泥浆调制粉细砂地层的掘进用泥浆。

针对废弃泥浆在同步注浆中的再利用，吴克雄等[7]分析了废弃泥浆用量、废弃泥浆比重对砂浆工作性能的影响。耿大新等[8]利用响应面法研究了外加剂对砂浆性能的影响。杨钊等[9-10]分析了弃浆对同步注浆材料工程性能的影响，给出了适用于福州地铁过江通道壁后砂浆的废弃泥浆比重和水胶比。戴勇等[11]探讨了弃浆再利用的可行性，结合高斯过程(gaussian process, GP)模型、MATLAB编程等获得了满足工程需求的最优配比。史庆涛[12-13]采用响应面法，确定了利用泥浆制备砂浆胶结材的最佳配比，通过X射线衍射和扫描电镜对复合胶结材料的硬化机制进行了分析，并用该种复合胶结材料应用于废弃砂土的再利用研究中。Zhang等[14]采用逐步非线性回归分析和三维响应面图研究了废弃泥浆对砂浆性能的影响，并利用目标规划模型提出了砂浆的最佳配比。Cui等[15]将盾构开挖产生的红黏土应用于同步注浆中，并对环氧树脂改性的高性能同步注浆材料进行了研究。

综上，目前关于废弃泥浆在同步注浆中再利用的研究尚处于探索阶段，在废弃泥浆比重等对砂浆性能的影响、废弃泥浆调制砂浆的配比优化等方面已有一些研究成果，但缺少不同地层所产生不同黏粒含量的废弃泥浆对砂浆性能影响的研究，且目前的研究大多采用废弃泥浆全部取代膨润土的方法。因此，有必要开展废弃泥浆黏粒含量对砂浆性能影响的研究以及废弃泥浆部分替代膨润土的研究。

现以南京长江新济洲供水廊道项目泥水盾构工程为背景，利用废弃泥浆全部或部分替代同步注浆材料中的膨润土和水，通过室内试验，研究了泥浆固水比、膨润土替代率对砂浆性能的影响规律，对比分析了不同固水比下新配制膨润土泥浆和废弃泥浆对砂浆性能影响的差异；考虑地层的自然变异性，研究了不同黏粒含量的废弃泥浆对砂浆性能的影响规律。

1 工程背景

1.1 工程概况

南京长江新济洲过江供水廊道项目采用泥水盾构施工，隧道单线单洞总长1 945 m，盾构管片外径6.2 m，埋深约10.77～51.53 m，江面至江底水深约33 m。隧道地质条件复杂，自江宁始发井到新济洲接收井依次穿越444 m软土地层，25米软硬不均地层，600 m闪长玢岩岩层，57 m软硬不均地层，819 m 砂土地层，如图1所示。该工程盾构机穿越软土地层时，由于地层的自造浆能力很强，泥浆在循环系统中会逐渐富余，若能将施工产生的废弃泥浆应用于同步注浆材料中，不仅能够降低废弃泥浆处置的费用，而且还能减少膨润土等材料的购置，在降低工程成本的同时，做到绿色环保无污染。

图1 南京长江新济洲过江供水管线廊道项目

1.2 浆液性能要求

盾构同步注浆作为盾构隧道施工中一项关键技术，主要目的为及时填充盾尾空隙，控制由地层损失而引起的地表沉降[16-18]，因此要求注浆材料具有良好的输送性能、充填性能和强度性能。结合本工程的特点并参考相关文献[7-8,11,18-19]，初步确定本工程施工所用同步注浆材料的性能要求如下：流动度为20～25 cm；稠度为10～13 cm；凝结时间为6～9 h；泌水率不大于5%；体积收缩率不大于5%；3、7、28 d抗压强度分别不低于0.5、1、2.5 MPa。

2 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

本研究依托工程壁后同步注浆材料采用单液硬性浆，单液硬性浆主要成分为水泥、粉煤灰、膨润土、砂。为确保试验成果能够直接指导并应用于工程施工，试验所用原材料均取自工程现场。

水泥为P O 42.5普通硅酸盐水泥，化学成分如表1所示；粉煤灰为二级粉煤灰，化学成分如表1所示；现场河砂的细度模数为0.30，砂粒含量为71.1%，粉粒含量为22.0%，黏粒含量为6.9%，不均匀系数为3.11，曲率系数为1.87，级配不良，图2颗粒分布曲线。

表1 原材料化学成分

图2 试验材料颗粒分布曲线

膨润土为钠基膨润土，执行标准为《膨润土》(GB/T20973—2007)。试验所用废弃泥浆取自黏土地层掘进时所排出的泥浆，泥浆密度为1.25 g/cm3，黏度为43.6 s，pH为11.00，含水率为209.2%，黏粒含量为55.5%，含砂量为0.4%。膨润土和废弃泥浆固体的主要化学成分如表1所示，颗粒分布曲线如图2所示。分析两者的化学成分，可以明显看到膨润土中的SiO2含量高于废弃泥浆，而Al2O3和Fe2O3的含量则明显低于废弃泥浆，可以从侧面反映出膨润土的蒙脱石含量比废弃泥浆要高。

2.2 试样制备及测试方法

砂浆的制备流程如下：将膨润土、废弃泥浆、水混合并搅拌均匀，制备出一定固水比的泥浆；静置24 h让其充分膨化；在泥浆中加入水泥、粉煤灰和砂，充分搅拌后即得到试验用砂浆。制备完成后，迅速进行砂浆的流动度和稠度测试，并取部分砂浆分别测试泌水率及凝结时间，剩余砂浆用于制作无侧限抗压强度试块，待养护后测试砂浆的强度及体积收缩率。各项性能指标测试方法如下：①稠度、凝结时间和抗压强度参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)；②流动度采用《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)中的截锥圆模测试方法；③泌水率参考《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)；④体积收缩率为标准养护28 d后的试样实际体积与试模标准容积的差值与标准容积的比值。

2.3 试验配比设计

以膨润土为原料的壁后砂浆配合比一般通过水胶比、粉灰比、膨水比和胶砂比4个因素确定，但本研究使用废弃泥浆替代膨润土，为避免继续使用“膨水比”这一概念引起歧义，故引入“固水比”这一指标，即泥浆中膨润土质量加废弃泥浆固体质量与水质量的比值。

为研究废弃泥浆部分替代膨润土对砂浆性能的影响，引入“膨润土替代率”这个指标，即废弃泥浆固体替代的膨润土质量与原配比中膨润土质量的比值，当膨润土替代率为0时，表示泥浆中未加入废弃泥浆固体，当膨润土替代率为1时，表示采用废弃泥浆固体替代全部膨润土。

为考虑地层的自然变异性，引入“废弃泥浆黏粒含量”这个指标来反映不同地层产生的废弃泥浆的差异，研究了废弃泥浆黏粒含量对砂浆性能的影响。废弃泥浆黏粒含量表示废弃泥浆固体中黏粒质量占固体总质量的百分比。试验中通过向废弃泥浆中掺入粉土降低废弃泥浆黏粒含量，通过掺入筛分出的黏粒增加废弃泥浆的黏粒含量。

通过前期基础配比试验，确定砂浆合适的粉灰比为1.5，水胶比为0.9，胶砂比为0.75。在此基础上，改变泥浆固水比、膨润土替代率、废弃泥浆黏粒含量3个因素，研究废弃泥浆对壁后砂浆性能的影响。各因素取值及试验结果如表2所示。

3 试验结果与分析

根据表2的试验结果，结合本工程对注浆材料性能的要求，可以发现，各配比的泌水率、体积收缩率和强度基本都能满足要求，难以满足要求的是流动度、稠度和凝结时间。凝结时间满足要求时(6～9 h)，砂浆的流动性往往过低；流动度和稠度满足要求时，砂浆的凝结时间往往超过9 h。因此在研究中，应重点关注弃浆对砂浆流动性能和凝结时间的影响。

表2 因素取值及试验结果

3.1 固水比对砂浆性能的影响

表2中S1～S11组试验给出了纯膨润土泥浆和废弃泥浆在不同固水比下的砂浆性能测试结果。由测试结果绘制了泥浆固水比对同步注浆材料性能影响的关系曲线，如图3～图9所示。

3.1.1 流动度与稠度

图3给出了壁后砂浆流动性与固水比之间的关系曲线。可以看出，随着固水比增大，两种泥浆制备的壁后砂浆的流动性均显著降低。这主要是因为膨润土和废弃泥浆固体中的蒙脱石等黏土矿物吸附水分子的能力很强，当固水比增大时，被土颗粒吸附的水分子将增多，而自由流动的水分子将减少，从而使砂浆的流动性显著降低。

图3 砂浆流动性与固水比关系曲线

当固水比相同时，膨润土泥浆对砂浆流动性的影响更大，主要是因为膨润土泥浆中的蒙脱石含量更高，吸附水分子的能力更强，换言之，在相同的固水比下，废弃泥浆制备的砂浆流动性能更好，更能满足施工中对流动性的要求。由表3的试验结果可知，若需砂浆流动度和稠度满足性能要求，膨润土泥浆的固水比需小于0.07，而废弃泥浆的固水比则需小于0.2。

3.1.2 凝结时间

图4给出了泥浆固水比对砂浆凝结时间的影响规律曲线。与流动性-固水比关系曲线相似，砂浆凝结时间随着泥浆固水比的增大，也总体上呈现逐渐降低的趋势，其中废弃泥浆制备砂浆凝结时间曲线出现数据波动，主要是由试验误差导致。凝结时间缩短主要有两方面的原因：一方面，随着泥浆固水比的增大，砂浆中的黏土颗粒增多，而黏土颗粒的比表面积较大，增加了水泥与自由水发生反应的概率，从而使砂浆的凝结时间缩短；另一方面，膨润土及废弃泥浆固体本身具有胶凝作用[12,20]，带负电的黏土颗粒与水泥颗粒会进行极弱的电荷交换，形成凝胶，从而使得砂浆凝结时间缩短。

图4 砂浆凝结时间与固水比关系曲线

在固水比相同的情况下，废弃泥浆制备的砂浆凝结时间更长。由表2的试验结果可知，若使砂浆凝结时间控制在6～9 h，膨润土泥浆的固水比需在0.07～0.14，而废弃泥浆的固水比需在0.14～0.2。结合砂浆的流动性及凝结时间来看，能够同时满足流动性和凝结时间要求的配比为S2和S9。比较S2和S9组砂浆的性能，可以发现废弃泥浆配制的砂浆在流动性更大的同时能够获得更短的凝结时间。

3.1.3 泌水率

砂浆中固体颗粒沉积，自由水上浮，固液分离后形成的单位体积泌水即为砂浆的泌水率，泌水率过大，砂浆易分崩离析并造成堵管现象。图5为砂浆泌水率与泥浆固水比之间的关系曲线，随着泥浆固水比增大，砂浆的泌水率显著降低。其中膨润土泥浆对降低砂浆泌水率的效果更好，当膨润土含量超过0.14时，砂浆的泌水率接近为零。

图5 砂浆泌水率与固水比关系曲线

3.1.4 体积收缩率

体积收缩率反映砂浆注入盾尾空隙后的体积变化，体积收缩率过大会增加地层损失，引起地表沉降。从图6可以发现，砂浆的体积收缩率基本维持在5%以下，满足本工程的要求。随着固水比的增大，砂浆体积收缩率随之下降，但变化幅度较小，反映了添加黏土一定程度上能减少砂浆凝结时的体积收缩。比较膨润土泥浆和废弃泥浆对砂浆体积收缩率的影响，可以发现废弃泥浆制备的砂浆体积收缩率比膨润土泥浆制备的砂浆小，一定程度上更有利于减少地层损失。

图6 砂浆体积收缩率与固水比关系曲线

3.1.5 无侧限抗压强度

图7给出了砂浆无侧限抗压强度随膨润土泥浆固水比变化的关系曲线，随着膨润土泥浆固水比增大，砂浆的无侧限抗压强度整体上呈现增长的趋势，且增长幅度28 d>7 d>3 d。

图7 砂浆强度与膨润土泥浆固水比关系曲线

图8给出了砂浆无侧限抗压强度随废弃泥浆固水比变化的关系曲线，随着废弃泥浆固水比增大，不同养护龄期下砂浆的无侧限抗压强度变化趋势相近，均呈现先缓慢降低再缓慢增大的趋势。随着膨润土泥浆与废弃泥浆固水比增加至0.2后，砂浆无侧限抗压强度均呈现增大的趋势，一定程度上反映出膨润土泥浆与废弃泥浆中黏粒所具有的胶凝作用[12,20]。

图8 砂浆强度与废弃泥浆固水比关系曲线

图9为膨润土泥浆固水比和废弃泥浆固水比对砂浆强度影响的对比曲线，可见，相同固水比下，废弃泥浆制备的砂浆3、7、28 d强度均小于膨润土泥浆制备的砂浆，其中28 d强度相差最大。当固水比为0.33时，膨润土泥浆制备砂浆的28 d强度相较废弃泥浆高了78.26%，说明废弃泥浆制备的砂浆强度性能相对较差。为防止废弃泥浆所制备砂浆强度不满足要求，可以采用部分替代膨润土的方案。

图9 膨润土及废弃泥浆对砂浆强度影响对比

3.2 膨润土替代率对砂浆性能的影响

表2中S12～S15四组试样的膨润土替代率分别为0%、30%、60%和100%，由该4组试验的测试结果绘制了膨润土替代率对同步注浆材料性能影响的关系曲线，如图10、图11所示。

图10 替代率对砂浆流动性、凝结时间和泌水率的影响

图10给出了膨润土替代率对同步注浆材料性能影响的关系曲线，由图可知，随着膨润土被废弃泥浆替代的质量增加，砂浆的流动度、稠度和凝结时间均随之增大。其中流动度和稠度随替代率增大呈非线性增长，且增长速率逐渐加快；而凝结时间则呈线性缓慢增长。由此可见，增大膨润土替代率可以使砂浆在凝结时间变化不大的情况下大幅提高砂浆的流动性，这为协调砂浆流动性和凝结时间之间的矛盾提供了一种新的配比调整手段。

图10还给出了砂浆泌水率随膨润土替代率变化的关系曲线，随着替代率的增大，砂浆的泌水率显著增加。当盾构工程对砂浆泌水率要求较高时，利用废弃泥浆全部替代膨润土泥浆配制的砂浆泌水率可能不满足要求，故此时可采用部分替代膨润土的方式。

图11为膨润土替代率对砂浆强度的影响关系曲线，随着膨润土替代率的增大，砂浆的3、7、28 d强度均有所减小，其中28 d强度降低最为显著。随着膨润土替代量从0增大到100%，28 d强度降低了28.5%，当盾构工程对砂浆强度要求较高时，利用废弃泥浆全部替代膨润土泥浆配制的砂浆强度可能不满足要求，需要考虑采用废弃泥浆部分替代膨润土泥浆的方案。

图11 替代率对砂浆强度的影响

综上所述，采用废弃泥浆部分替代膨润土泥浆，可以使砂浆在凝结时间变化不大的情况下大幅提高砂浆的流动性，同时不至于使砂浆的泌水率过大和强度下降过多。根据试验结果，将膨润土替代率控制在约60%能够使砂浆同时获得较好的流动性和较高的强度。因此在工程施工中，建议将膨润土替代率控制在约60%。

3.3 废弃泥浆黏粒含量对砂浆性能的影响

表2中S16～S20五组试样的废弃泥浆黏粒含量分别为35%、45%、55.5%、65%和75%，由该5组试验的测试结果绘制了废弃泥浆黏粒含量对同步注浆材料性能影响的关系曲线，分别如图12、图13所示。

由图12、图13可知，随着废弃泥浆黏粒含量的增大，砂浆的流动度、稠度、凝结时间、泌水率、7 d强度和28 d强度均有所降低，而3 d抗压强度则有所增加。定量来看，随着黏粒含量从35%增加到75%，砂浆的流动度、稠度、凝结时间、泌水率、7 d强度和28 d强度分别降低了7.6%、4.9%、8.1%、17.8%、12.7%和11.6%，而砂浆的3d抗压强度则增加了3.9%。