廢棄泥漿在盾構壁后注漿中的應用

楊 釗， 賀祖浩， 吳克雄

(1. 中交二航局技術中心， 湖北 武漢 430040； 2. 同濟大學， 上海 200092；3. 中交武漢港灣工程設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430040;4. 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430040)

廢棄泥漿在盾構壁后注漿中的應用

楊 釗1, 2， 賀祖浩1， 吳克雄3, 4

(1. 中交二航局技術中心， 湖北 武漢 430040； 2. 同濟大學， 上海 200092；3. 中交武漢港灣工程設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430040;4. 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430040)

在泥水盾構施工過程中不可避免地會產生大量的廢棄泥漿，處理泥漿一是需要較高的資金投入，二是可能會對環(huán)境造成嚴重污染。利用廢棄泥漿配制壁后注漿砂漿，利用盾構棄漿代替砂漿中的膨潤土和水，研究棄漿對壁后注漿砂漿工程性能的影響。結果表明： 1)相對體積質量為1.16、黏度為22 s的泥漿配制壁后注漿材料可得到較好的流動性和稠度，并且泌水率優(yōu)于原配比； 2)相對體積質量為1.27、黏度為24 s的泥漿會明顯降低砂漿的流動度，對砂漿可泵送能力有一定的影響； 3)適當調整水膠比和泥漿相對體積質量，配制壁后注漿材料各方面性能均能達到壁后注漿材料的要求； 4)廢棄泥漿配制砂漿是一種既經濟又環(huán)保的棄漿處理回收再利用的工藝工法。

盾構； 廢棄泥漿； 壁后注漿砂漿； 環(huán)保

0 引言

隨著我國城市軌道交通的不斷發(fā)展，隧道的建設進入了高峰期，泥水盾構是穿江越海隧道的首選[1]。泥水盾構在施工過程中不可避免地會產生大量的廢棄泥漿。泥漿處理需要較高的成本和大量的渣土運輸費用，若棄漿直接排放，會造成嚴重的環(huán)境污染問題。為降低運輸費用，經常有泥漿運輸船在行駛中偷排泥漿現象發(fā)生。其中泥漿污染已經成為大運河重要污染源，棄漿不僅會造成水體污染，還會造成河道淤塞。泥漿污染問題已成為制約泥水盾構進入中心城市的主要問題之一[2]。

現階段，隨著城市地鐵施工日益突顯的環(huán)境保護問題，城市地鐵環(huán)保施工技術已引起工程界普遍關注。在棄漿處理方面也有諸多研究： 張忠苗等[3]通過泥漿凈化、化學絮凝和壓濾處理3部分對泥漿進行水土分離，分離土結構致密，壓縮模量達到23 MPa，計算承載力是沉渣土的7倍，說明泥漿分離后有良好的強度和變形特性，具備再次利用的可能；房凱等[4]對目前泥漿處理措施進行了總結，提出了廢棄泥漿應盡量多地循環(huán)利用，減少廢棄泥漿的量，同時應注重泥漿處理物的二次利用問題，實現污染零排放；何文鋒等[5]研究了采用組合式泥漿處理設備處理廢棄泥漿模式，在節(jié)省成本的同時產生了較好的社會效益；高磊[6]研究了利用現代微生物工程技術原理，對油氣田鉆井廢棄泥漿進行微生物降解處理，使廢棄泥漿無害化，保護生態(tài)環(huán)境。

目前的研究主要集中于將廢漿進行壓濾的處理，一部分泥漿通過泥水處理系統循環(huán)利用；但仍有大量棄漿需要處理，因而急需尋求一種既經濟又環(huán)保的棄漿處理回收再利用的工藝工法。本文將在前人研究的基礎上，利用廢棄泥漿作為配制壁后注漿的材料，探究廢棄泥漿配制壁后注漿材料的可行性，研究在相同配比情況下，2種砂漿性質的對比，同時探究改變配比對其性能的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

壁后注漿砂漿主要材料包括水泥、粉煤灰、砂、水、膨潤土。水泥為華潤水泥(封開)有限公司生產的42.5級水泥，粉煤灰為廣州恒運發(fā)電廠生產的二級粉煤灰，膨潤土為南京湯山膨潤土有限公司生產的Ⅰ級鈉基膨潤土。砂顆粒級配情況如圖1所示。

圖1 砂顆粒級配

按砂漿配比中膨潤土和水的比例(膨潤土40 g、水570 g)配制膨潤土漿液，并取部分盾構棄漿，對其進行相對體積質量、黏度和含砂率試驗。泥漿性能參數見表1。

表1 泥漿性能參數

1.2 試驗裝置和方法

同步注漿材料的強度、稠度和凝結時間參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行試驗。流動度參考GB/T-2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》。泌水率測定參考GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》。測試儀器包括相對密度儀、砂漿稠度儀、量筒、砂漿凝結時間測定儀、砂漿收縮膨脹儀和萬能試驗機。

1.3 試驗方案

試驗原始配方選擇2種現場配比，如表2所示。一種用于全斷面紅層的砂漿配比為1-1(廣佛1號線砂漿配比)；一種用于上軟下硬(上砂層)的配比為2-1(從化地鐵砂漿配比)。泥漿配制砂漿在原始配比基礎上利用泥漿代替膨潤土，試驗水膠比不變。泥漿配比為1-2和2-2，具體配比見表3。

表2 原始壁后注漿漿液配方

表3 泥漿相對體積質量1.16注漿漿液配方

Table 3 Grouting slurry formulation with slurry specific gravity of 1.16

kg/ m3

流動度和稠度是衡量漿液泵送能力的指標，影響砂漿流動度和稠度的主要因素是砂漿的水膠比[7]。研究泥漿相對體積質量為1.27時，通過增大水膠比，配制壁后注漿砂漿的工作性能，具體配比見表4。

表4 泥漿相對體積質量1.27注漿漿液配方

2 試驗結果與分析

2.1 泥漿相對體積質量1.16配制砂漿性能分析

砂漿形態(tài)如圖2所示?？梢钥闯觯浔壬皾{與泥漿配制砂漿流動度均較好，砂漿呈均勻的懸濁液體。原配比中膨潤土在水中高度分散搭接成網絡結構，膨潤土漿液有一定的黏度懸浮漿液，可以增加漿體穩(wěn)定

性，防止?jié){液的離析，增大漿體黏度，阻礙砂粒下沉。泥漿配制砂漿稍較原始配比黏稠，泥漿主要由膨潤土、黏土顆粒、CMC等添加劑、少量的砂和水組成的具有一定黏度的懸浮漿液?？梢缘弥?，泥漿具有與膨潤土類似的效果，增加漿液穩(wěn)定性，配制漿液黏度更大。砂漿實驗結果見表5。

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

圖2 砂漿攪拌形態(tài)圖

對比1-1和1-2： 砂漿稠度分別為13.8 cm和13.6 cm，砂漿稠度略有減?。涣鲃佣确謩e為30 cm和29.5 cm，流動度略有降低；泌水率分別為10%和1.6%，泌水減?。环謱佣确謩e為8 mm和2 mm，分層度降低；凝結時間從原來的13 h變?yōu)?3.8 h，凝結時間略有增大；3 d 強度分別為1.03 MPa和1.01 MPa，強度相當；體積收縮率由原始配比的2.6%降為1.85%，體積收縮率減??；密度由原始配比1 800 kg/m3增大到1 856 kg/m3，密度稍有增大。對比配比2-1和配比2-2，可以看出結果有相同的規(guī)律。

泥漿配比相對原始配比來說: 每m3砂漿中所用泥漿含泥量要大于原始配比膨潤土含量，水膠比保持不變，泥漿配制砂漿中固體顆粒含量增大，這是造成泥漿配比砂漿稠度和流動度降低、體積收縮率減小、密度增大的主要原因；泥漿黏度較大，泌水率和分層度減小，說明泥漿配制的砂漿穩(wěn)定性更好；凝結時間略有延長，強度指標略差于原配比，但相差不大，說明泥漿對砂漿的凝結時間和強度影響較小。

同步砂漿應具有以下工作性能： 漿液泌水性小，便于長距離運送；泵送性好，不易離析；充填效果好；固化時間可控[8]，不易被流動的地下水沖散；早期強度與原狀土相當；硬化后體積收縮率和滲透系數小[9-10]；無污染，且成本較低。由以上指標可以看出，相對體積質量為1.16、黏度22 s的泥漿代替砂漿中膨潤土和水，無須進行水膠比的調整，砂漿各項指標均能滿足壁后注漿材料的要求。砂漿流動度與稠度實驗對比如圖3所示。

(a) 配比1-1稠度 (b) 配比1-2稠度

(c) 配比1-1流動度 (d) 配比1-2流動度

圖3 砂漿流動度與稠度實驗對比

Fig. 3 Flowability and consistency of sand slurry

2.2 泥漿相對體積質量1.27配制砂漿性能分析

泥漿相對體積質量為1.27、黏度為24 s的泥漿，通過增大水膠比進行砂漿的配制，砂漿形態(tài)如圖4所示?？梢钥闯觯浔菴-1—C-4均較為黏稠。泥漿相對體積質量為1.27的泥漿，含水率為66.5%，泥漿本身黏度較大，通過增大水膠比泥漿形態(tài)相差不大。

(a) 配比C-1 (b) 配比C-2

(c) 配比C-3 (d) 配比C-4

圖4 濃泥漿配砂漿攪拌形態(tài)圖

Fig. 4 Mixing form of sand slurry with waste slurry

砂漿水膠比和稠度曲線見圖5，砂漿水膠比和流動度曲線見圖6?？梢钥闯?，水膠比由1.0增加到1.3時，砂漿的流動度和稠度有部分增加，但隨水膠比的繼續(xù)增大砂漿稠度和流動度沒有明顯增加，說明相對體積質量為1.27的泥漿通過增加水膠比并不能很好地增加其流動性。砂漿水膠比和泌水率曲線見圖7，砂漿水膠比和密度曲線見圖8?？梢钥闯?，通過增大水膠比砂漿泌水率增加，密度減小，說明泥漿相對體積質量較大時，增加砂漿水膠比，砂漿的穩(wěn)定性與填充性能變差。在相對體積質量較大的泥漿進行砂漿的配制，要在原有配比的基礎上加適量的水，控制每m3砂漿的含泥量，以改善砂漿的可泵送能力。

圖5 砂漿水膠比和稠度曲線

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

圖6 砂漿水膠比和流動度曲線

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

圖7 砂漿水膠比和泌水率曲線

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

圖8 砂漿水膠比和密度曲線

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

3 泥漿配砂漿環(huán)境及經濟效益評價

在穿越不同地層時，泥水盾構泥漿的相對體積質量和棄漿量都會發(fā)生變化。以直徑6.2 m的盾構隧道為例，根據福州地鐵及佛山地鐵統計： 淤泥夾砂地層每延米棄漿量約20 m3，棄漿相對體積質量1.25，黏度21 s；淤泥質地層每延米棄漿量約30 m3，泥漿相對體積質量1.35，黏度23 s；粉質黏土地層每延米棄漿量約25 m3，泥漿相對體積質量1.27，黏度21 s；砂卵石地層每延米棄漿量約12 m3，泥漿相對體積質量1.12，黏度19 s；粉細砂地層每延米棄漿量8 m3，泥漿相對體積質量1.06，黏度17 s。

按需要計算每環(huán)砂漿的用量，其中計算參數為： 盾構外徑D1=6.2 m，管片外徑D2=6 m，環(huán)寬B=1.5 m，注入率α=150%，單環(huán)注入量

每環(huán)可以利用泥漿量1.5～3 m3，每延米可用棄漿量1～2 m3，減小污染。棄漿的利用將起到一定的環(huán)境效益。

對廢棄泥漿配制的砂漿與原配比進行經濟性分析。漿液用水泥285元/t，細砂70元/t，粉煤灰185元/t，膨潤土650元/t。只考慮棄泥漿代替壁后注漿材料中的膨潤土的費用，每m3砂漿節(jié)約材料費用26元。配比 1-2 較配比1-1，材料費用節(jié)約13.56%; 配比2-2較配比2-1，材料費用節(jié)約13.18%。泥漿配制砂漿有一定的經濟價值。

4 結論與建議

1)相對體積質量為1.16、黏度為22 s的泥漿配制壁后注漿材料有較好的工作性能，密度稍有增大，強度略有降低，凝結時間略有延長；在泌水率和體積收縮率方面要優(yōu)于原配比，黏度更高，不易分層。相對體積質量為1.27、黏度為24 s配制漿液稠度和流動性較原始配比有明顯的降低。

2)盾構泥漿在穿越不同地層時泥漿相對體積質量和黏度會發(fā)生變化，在盾構穿越地層泥漿相對體積質量較大時，需在泥漿配制壁后注漿材料同時加適量的水，使砂漿有更好的工作性能。

3)廢棄泥漿配制壁后注漿的材料能夠很好地起到廢棄泥漿的再利用，不僅節(jié)約工程材料，還有利于減少污染，并具有一定的經濟價值，起到較好的環(huán)境效益和社會效益。

4)需要結合現場應用對盾構棄漿配制同步注漿材料的效果進行進一步研究，探究不同地層棄漿對砂漿性能的影響、填充性能與地層沉降控制效果等。

[1] 馬輝, 劉仁智, 陳壽根, 等. 當前鐵路隧道施工亟待解決的若干技術問題[J]. 現代隧道技術, 2011, 48(5): 1. MA Hui, LIU Renzhi, CHEN Shougen, et al. Technique problems need to be solved urgently in current railway tunnel construction[J]. Modern Tunnelling Technology, 2011, 48(5): 1.

[2] 劉豫東, 王洪新. 泥水加壓盾構泥水分離與處理方法及模式[J]. 現代隧道技術, 2007, 44(2): 56. LIU Yudong, WANG Hongxin. Slurry treatment and separation for a slurry shield [J]. Modern Tunnelling Technology, 2007, 44(2): 56.

[3] 張忠苗, 房凱, 王智杰, 等. 泥漿零排放處理技術及分離土的工程特性研究[J]. 巖土工程學報, 2011, 33(9): 1456. ZHANG Zhongmiao, FANG Kai, WANG Zhijie, et al. Zero discharge treatment technology for slurry and engineering properties of separated soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(9): 1456.

[4] 房凱, 張忠苗, 劉興旺, 等. 工程廢棄泥漿污染及其防治措施研究[J]. 巖土工程學報, 2011, 33(增刊2): 238. FANG Kai, ZHANG Zhongmiao, LIU Xingwang, et al. Pollution of construction waste slurry and prevention measures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(S2): 238.

[5] 何文鋒, 鄧美龍, 白晨光, 等. 地鐵車站施工廢棄泥漿處理方法[J]. 施工技術, 2012, 41(24): 83. HE Wenfeng，DENG Meilong，BAI Chenguang, et al. Treatment method for waste mud produced from construction of metro station[J]. Construction Technology, 2012, 41(24): 83.

[6] 高磊. 油氣田鉆井廢棄泥漿處理菌的篩選及處理性能研究[D].西安: 西北大學,2012. GAO Lei. Research on the waste oil mud degrading bacteria and degradation characteristics[D].Xi′an: Northwest University，2012.

[7] 葉飛,毛家驊, 紀明,等.盾構隧道壁后注漿研究現狀及發(fā)展趨勢[J].隧道建設, 2015, 35(8): 739. YE Fei,MAO Jiahua,JI Ming, et al. Research status and development trend of back-filled grouting of shield tunnels[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(8): 739.

[8] 姚占虎,楊釗,田毅,等.南京緯三路過江通道工程關鍵施工技術[J].現代隧道技術, 2015, 52(4): 15. YAO Zhanhu, YANG Zhao, TIAN Yi, et al. Key construction technology for the Nanjing Weisan Road river-crossing tunnel project[J]. Modern Tunnelling Technology, 2015, 52(4): 15.

[9] 許可. 盾構泥砂高性能注漿材料的研究與應用[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2011. XU Ke. The research and application of high-performance grouting made by shield sediment[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2011.

[10] 吳全立. 同步注漿材料配合比設計與試驗研究[J]. 施工技術, 2003, 32(1): 55. WU Quanli. Design and experiment study of synchronized grouting material ratio[J]. Construction Technology, 2003, 32(1): 55.

[11] 梁精華. 盾構隧道壁后注漿材料配比優(yōu)化及漿體變形特性研究[D]. 南京: 河海大學, 2006. LIANG Jinghua. Study of the proportion of backfill-grouting materials and grout deformation properties of shield tunnel[D]. Nanjing: Hohai University,2006.

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

楊釗(1984—)，男，湖北洪湖人，2010年畢業(yè)于同濟大學，巖土工程專業(yè)，博士，高級工程師，主要從事隧道及地下工程結構研究工作。E-mail: yangzhaolp@126.com。

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

U 45

A

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