掺加粗骨料改善盾构废渣路用性能研究

2024-04-20张新天亓帅胡兴波张志何历超夏佑龙

工程建设与设计 2024年7期

张新天，亓帅，胡兴波，张志，何历超，夏佑龙

（1.北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044；2. 北京市首都公路发展集团有限公司，北京 100161）

1 引言

城市地铁盾构隧道掘进多采用泥水平衡盾构开挖，通常要制备和利用由水、膨润土、泡沫剂、高分子聚合物等添加剂组成的泥浆辅助开挖与出渣，导致盾构废渣含水量大、结构松散，并伴有大量弃浆，渣土颗粒物级配不良，资源化利用困难[1]。

以北京市东六环（京哈高速—潞苑北大街）改造工程为例，盾构隧道长约7.3 km，出渣量约293.8 万m3，具有出渣量大且集中的特点。盾构废渣的主要组成为不同粒径的中粗砂、细砂及黏土（含膨润土及其他添加剂，对环境无污染），细-中砂（粒径d 为0.5~0.075 mm）占总组分的91%，含水量在30%左右，资源化用于路基填土需要解决含水量过高，粒径过于细小，工程性质差等问题，为盾构废渣在路基填筑工程中的固废利用提供可参考借鉴的技术措施。

2 盾构废渣路用性能劣化问题

盾构废渣即为盾构开挖弃出的含残余泥浆的土渣，不同项目或部位的盾构渣土成分有所不同，但其本质是不同级配的土颗粒、水与添加剂的混合体。盾构渣土的土性参数一般包括含砂率、含泥量（针对砂石类渣土）、含水率、级配组成等，往往因盾构区间地质情况的不同而存在差异。

盾构渣土的资源化利用途径，除其中材性良好的成分多用于建筑材料与制品（如砂浆、混凝土、砌块等）以外，其余大部分可以尝试改变以往弃置方式而作为路基填料进行利用。从路基填筑材料的路用性能要求出发，考虑到盾构废渣产生过程及其特征，经试验分析发现盾构废渣性能劣化的主要问题如下。

2.1 级配条件较差

经对同层位原状土及盾构废渣材料的粒径组成试验分析，确定其级配曲线图如图1 所示。结果表明，原状土为粉土质砂，盾构废渣部分粒径组成产生较大变化，其中，粗粒组中粗砂部分减少了11%，细砂部分提高了13.2%；同时细粒组部分粉粒含量提高，黏粒含量降低，反映出盾构废渣粒径偏细，组成松散，整体结合性降低，组成结构劣化明显。

图1 原状土与盾构渣土级配曲线

从原状土与盾构废渣试样的SEM 扫描结果（见图2）看，原状土土体结构以砂粒为骨架，细颗粒在结构中起到胶结相邻砂粒、以团粒形态填充于砂粒间孔隙的作用。而盾构废渣的微观结构则表现为颗粒细化、存在松散与多孔隙状况。

图2 典型试样SEM结果-砂粒骨架微观结构

2.2 含水量较高

根据原状土及盾构废渣初始含水量及其变化情况的测定结果（见表1）可知，原状土天然含水量接近路基压实最佳含水量值，利于施工压实处理；而盾构废渣源于盾构泥水处理系统，其含水量往往在20%以上，外弃堆置一段时间后才可能逐渐降低，短期内与路基压实含水量最佳值相差较大，在资源化利用盾构废渣作为路基填料的过程中，如何实现盾构废渣的快速高效疏干，以满足路基压实含水量要求是需要解决的核心问题之一[2]。

表1 原状土及废渣土含水率及变化

2.3 化学成分复杂

经X 射线荧光光谱分析（XRF）测定原状土及盾构渣土的化学元素成分组成如表2 所示。原状土的pH 为7.18，属弱碱性土；废渣土pH 为7.91，偏碱性。

表2 原状土盾构渣土化学元素成分组成 %

盾构渣土的化学元素组成以稳定的氧化硅物质为主，相比原状土，各元素含量近似，从环保要求考虑，二者其他污染物质如磷、铬、硝酸盐的含量极少，均满足直接用作路基工程填筑材料的环保要求。

2.4 压实性能变化

由于级配组成的不同，盾构废渣土粒径偏细的变化，导致其压实性能与原状土比较变化明显，最佳含水量从9.2%提高到11%，最大干密度从1.9 g/cm3降至1.73 g/cm3，符合压实性能随材料颗粒组成改变的规律。

2.5 承载力不足

在满足压实度要求下，通过对原状土与盾构废渣土进行CBR、动三轴以及无侧限抗压强度试验，评价其作为路基材料的承载能力，试验结果如表3 所示。其结果反映出盾构废渣的CBR 值及动弹性模量均降低约1/4，吸水率有所提高，几乎丧失了抗压强度。这是由于废渣土级配组成条件的变化以及所含残余泥浆中膨润土遇水后形成的吸附性、膨胀性、造浆性使然，对盾构废渣承载能力、强度水平均产生不利影响。

表3 原状土与盾构渣土承载能力对比

2.6 压缩性较大

对原状土及盾构废渣土的压缩试验得到其压缩系数接近，分别为0.4 MPa-1及0.44 MPa-1，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》判别其属中压缩性土的上限，如作为路基填料时存在工后沉降变形的隐患。

总之，就盾构废渣资源化应用于路基填筑工程，必须慎重对待上述盾构废渣在路用性能方面存在的诸多劣化问题，针对性采取适于工程应用条件的技术改善措施，以满足路基填筑的规范要求。

3 改善盾构废渣路用性能的技术措施

盾构废渣土经处理后用于路基填筑工程是盾构废渣资源化利用的重要途径之一，经改善处理的盾构废渣应用路基工程应满足JTG/T 3610—2019《公路路基施工技术规范》的相关规定。

作为路基填料的最小承载比和路基施工压实度应符合相关规定，并随公路等级、交通等级以及路基层位而改变，此外，还需满足路基强度、回弹模量以及控制路基工后沉降量的要求。当路基湿度状态、路基填料CBR 值、路基回弹模量和竖向压应变不能满足要求时，应根据气候、土质、地下水和料源等条件，经技术经济比选后，对路基采取处理措施[3]。

对于泥水盾构废渣性能劣化，一般选择掺加稳定材料实现对盾构废渣路用性能的改善，提高其作为路基填料的压实性能、强度与稳定性以及抗变形能力，满足路基填料的使用要求。东六环工程项目盾构废渣处理所考虑掺加的稳定材料包括水泥基加固材料、高效疏干加固材料以及利于松散材料固结的生态胶粉等[4-5]。

但工程实际中盾构出渣状态表现为集中量大、含水量高、土颗粒粒径小、含部分浆液，因此，废渣后续处理工艺及疏干加固方法的选择是解决问题的前提及技术关键。考虑东六环改造工程中对大量废渣临时处理存在场地不足的实际条件，研究短期内废渣处理工法，即掺加粗骨料改善盾构废渣的路用性能，满足快速简易疏干、混拌的技术要求，实现对盾构废渣即弃即用的应用条件，具有实用价值[6]。

4 掺加粗骨料改善盾构废渣路用性能试验研究

东六环改造工程施工现场临近北京城市副中心，受到东六环及周边路网现况交通影响，施工范围内场地紧张，又限于严格的环保要求，掺加稳定材料改善盾构废渣的工艺方法实施困难，加之路基填筑试验工程实施临近冬季，不利于盾构废渣排水疏干防冻。故而掺加粗骨料改善盾构废渣成为适宜的技术方案。研究中选择的粗骨料包括常用的级配碎石以及再生的建筑废渣两类，试验考虑的掺配比为是废渣土∶粗骨料（干重比）=70∶30、60∶40、50∶50、40∶60。

4.1 不同掺配比的压实性能

随着粗骨料掺配比的增加，混合料级配组成与结构状态产生较大变化，粗骨料形成的骨架结构逐渐完善，从压实试验结果看（见表4），最佳含水量渐次降低而最大干密度提高，压实性能得以改善。

表4 不同掺配比的压实性能指标

4.2 不同掺配比的疏干规律

对不同粗骨料掺配比下含水量变化的测定反映出盾构废渣的疏干效果，如表5 所示。测定结果说明，随着粗骨料掺配量的增加，混合料含水量逐渐降低，比较未掺配粗骨料废渣土初始含水量约18%，掺配比例达到5∶5 时，碎石废渣土含水量降低了8%，建筑垃圾废渣土含水量降低了8.5%。尤其建筑垃圾由废弃砖、混凝土破碎而成，多孔吸水性突出，疏干效果明显；当掺配量达到5∶5 后，其疏干含水量与最佳压实含水量的差值至2%以内，已符合按压实度控制要求确定的工程适用压实含水量范围，以此为依据可确定粗骨料（建筑垃圾）合理掺配量为5∶5。

表5 不同掺配比的含水量变化

4.3 不同掺配比下的承载能力

根据不同掺配比的CBR 试验数据，如表6 所示，随粗骨料掺配比例的提高，调整了盾构废渣的级配组成，增强了骨架结构，CBR 值提高幅度较大，以掺配量5∶5 为例，对比盾构废渣承载能力提高2.5 倍以上；如综合考虑疏干性能、废旧资源利用，选择掺配建筑垃圾的效果更为突出。

表6 不同掺配比的承载能力变化

4.4 不同掺配比下的压缩性能

为测定掺配粗骨料后粒料土混合料的压缩性能，在借鉴土的固结试验原理的基础上进行了试验装置的模拟设计，以CBR 试验中的标准试筒代替土固结试验中的环刀，以环形砝码作为加载部件，试验装置如图3 所示。

图3 模拟设计的粒料土固结试验

测定不同掺拌比的建筑垃圾改善盾构废渣混合料的压缩系数结果如表7 所示。

表7 不同掺配比的压缩性能变化

试验结果表明：利用建筑垃圾对盾构废渣进行改善后，其压缩系数有明显降低。当建筑垃圾掺配比达到5∶5 及以上时，改善后的盾构废渣压缩系数小于0.1 MPa-1，已满足低压缩性填料标准，意味着以其填筑路基后产生的工后沉降变形的可能性大大降低，这对于保证特殊施工条件下如旧路加宽、临时工程以及冬雨季施工的路基填筑质量大为有益。