新型預拌流態(tài)固化土性能及回填施工工藝

劉成龍

中鐵十四局集團有限公司,山東 濟南 250014

0 引言

隨著城市化進程的推進，現(xiàn)代地下空間得到越來越廣泛的利用[1]，地下工程的建設規(guī)模、施工速度和技術水平得到長足發(fā)展[2]。采用地下綜合管廊施工有利于解決路面反復開挖、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)以及地下基礎設施滯后等問題，已成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要方向[3-4]。目前預制技術的發(fā)展帶來的經(jīng)濟、技術效益方面的優(yōu)勢也給綜合管廊施工帶來新的研究動力，裝配式技術施工速度快、占用時間短、工程質量優(yōu)、環(huán)境友好、施工作業(yè)空間小、公共安全風險低，具有較強的競爭優(yōu)勢[5-6]。

城市淺埋大空間施工機械化開挖需對城市道路“開膛破肚”，影響地面交通[7-9]，而城市淺埋蓋挖快速裝配支護一體機成套裝備和施工技術，可實現(xiàn)不中斷路面交通條件下地下大空間機械化開挖施工、結構快速裝配支護、覆土即時密實回填快速恢復道路，尤其是預拌流態(tài)固化土技術對快速恢復道路交通起關鍵作用[10-13]。黃明利等[14]分析明挖法施工的技術特點，介紹基坑肥槽預拌固化土回填技術，闡述了預拌固化土對地下工程結構防水的作用；陳容華等[15]利用挖方土為原材料配制預拌流態(tài)固化土，再進行填方，通過流態(tài)固化土流動性試驗和無側限抗壓強度試驗，研究了影響基于粉質黏土的預拌流態(tài)固化土性能的因素。周永祥等[16]闡述固化土及預拌固化土的概念、巖土固化劑的開發(fā)與配制原則，分析預拌流態(tài)固化土的抗壓強度、抗?jié)B性能、收縮等基本性能，指出預拌固化土可以顯著節(jié)省人工成本，協(xié)同處置工程泥漿在內的渣土類建筑垃圾、低品質工業(yè)固廢等大宗固廢，可用于管廊等市政工程的填筑。梁志豪等[17]提出利用工程廢棄泥漿制備預拌流態(tài)固化土。張旭光[18]介紹了長螺旋鉆孔壓灌流態(tài)固化土樁復合地基的工作性狀和作用機理，以及長螺旋壓灌流態(tài)固化土的施工工藝。

常見的基坑、肥槽回填通常采用回填土分層回填、壓實或夯實[19]、分層檢測的方法，每層厚度為0.2～0.3 m，如果分層厚度過大，則無法達到所要求的壓實度，因此，回填工程效率較低[20]。當基坑較深、作業(yè)空間狹窄時，很難達到現(xiàn)行規(guī)范要求，無法滿足壓實度95%的設計要求。由于管廊結構基坑與一般基坑不同，其長條狀基坑肥槽相對于一般基坑回填難度較大[21]。因此需要應用土體固化技術[22]，快速、顯著地改變渣土的物理力學性能，使之成為相對強度高、密度大、孔隙小、壓實度高的工程材料。依托城市地下空間施工快速裝配支護技術，本文研究一種新型環(huán)保、高性能的預拌流態(tài)固化土材料，以期能夠滿足城市淺埋蓋挖快速裝配支護技術中已裝配管節(jié)背后肥槽的及時、密實回填要求。

1 工程概述

山西綜合改革示范區(qū)起步區(qū)姚村綜合管廊建設工程包括管廊主體工程和管廊附屬工程等。管廊為支線管廊，單側布置，長4.90 km，位于姚村規(guī)劃路北側綠化帶下。人民路至真武路段采用三艙矩形斷面，真武路至太太路段采用四艙矩形斷面。入廊管線有污水、給水、再生水、熱力、天然氣、電力和通信等7種管線。淺埋蓋挖快速裝配支護一體機(簡稱支護一體機)可在不影響路面交通的情況下，同步實施基坑開挖、基底處置、預制管節(jié)拼裝、路面快速回填等多種工序，實現(xiàn)城市環(huán)境下淺埋基坑快速、經(jīng)濟、綠色施工。但是，管廊結構基坑深度較大、作業(yè)空間狹窄，難以滿足規(guī)范要求，回填工程效率較低。

2 預拌流態(tài)固化土配比技術

采用新的土體固化技術，可快速、顯著地改變渣土的物理力學性能。以復合礦物設計-化學激發(fā)作用為設計思路預拌流態(tài)固化土[23]，以低污染、高性價比的鍋爐廢渣、粉煤灰、脫硫石膏、煤矸石、建筑固廢、礦渣、激發(fā)劑和土壤等原材料為配比材料拌制固化土，要求固化土的坍落度為150～200 mm，3、7、28 d的無側限抗壓強度分別不低于0.2、0.4、0.8 MPa，回填肥槽的無側限抗壓強度不小于0.8 MPa，初凝時間不小于3 h、終凝時間不大于10 h。

2.1 流態(tài)粉煤灰水泥土試驗

流態(tài)粉煤灰水泥土試驗主要是測定流態(tài)粉煤灰水泥土的相關性能，研究P.O 3.25普通硅酸鹽水泥、P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、坍落度、粉煤灰對固化土3、7、28 d的無側限抗壓強度的影響(在進行此試驗前，應先進行單摻試驗，已獲知水泥的最小摻量)。試驗樣品代碼采用字母+數(shù)字的形式，A、A′、B分別為P.O 32.5普通硅酸鹽水泥-粉煤灰、P.O 32.5普通硅酸鹽水泥、P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。代碼1、2、3、4為水泥與固化土的質量比分別為8%、15%、20%、25%。

2.1.1 坍落度

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，繪制P.O 32.5普通硅酸鹽水泥、P.O 42.5普通硅酸鹽水泥2種材料拌制固化土的水泥與固化土質量比不同時，28 d無側限抗壓強度隨坍落度變化的曲線，如圖1所示。

a)A系列 b)B系列 圖1 無側限抗壓強度隨坍落度的變化趨勢

由圖1可知：隨著坍落度的增大，凝膠材料(粉煤灰與水泥)用量相同時，試塊的28 d無側限強度呈逐步下降的趨勢。試樣B1可滿足固化土28 d無側限抗壓強度不小于0.8 MPa的要求，試樣A′1、A′2已基本滿足回填肥槽的要求，為節(jié)約成本，沒有必要選擇質量比過高的水泥摻量使強度過大。

2.1.2 粉煤灰

將A1和A′1的7 、28 d的無側限抗壓強度與A2和A′2對比發(fā)現(xiàn)，通過外摻法加入粉煤灰對試塊的強度提升作用有限，甚至有時低于未摻試塊的強度。原因是體系中引入的粉煤灰具有水硬性膠凝潛能，但其參與水化的進程較慢，活性較低。沒有激發(fā)劑時，只能通過本身顆粒具有的高比表面積的優(yōu)勢提供增稠和微集料效應。

粉煤灰對水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣(Ca(OH)2)具有強烈的吸附性，溶液中的堿度降低，影響了水泥水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性，水化硅酸鈣中的鈣化物和硫化物的溶解量逐漸降低析出Ca(OH)2，水化產(chǎn)物的結構和性能發(fā)生變化，固化土的性能受到影響。流態(tài)粉煤灰水泥土不僅需要有效的化學激發(fā)手段，還需要適當補鈣，以提高漿液中Ca(OH)2的濃度。因此采用復合摻合料-激發(fā)劑摻配方式。

2.2 固化劑試驗

根據(jù)流態(tài)粉煤灰水泥土試驗經(jīng)驗，單純添加水泥造價過高，且容易強度過大，可借助有效地激發(fā)手段發(fā)揮粉煤灰水泥土的作用。依據(jù)復合礦物設計-化學激發(fā)作用的設計思路，選擇水泥、富含活性Al2O3和SiO2的工業(yè)廢渣(如礦渣、鋼渣、粉煤灰等)，可改善土顆粒的表面活性和電荷狀況的表面改性劑，促進水泥和其他礦物水化反應的活性激發(fā)劑等組分，與固化土的質量比分別為1%～5%、5%～10%、25%～40%、50%，混合磨細后形成粉末狀的固化劑[24]。

一方面固化劑與土體質量比不同時對固化后土體進行強度分析，另一方面通過不同的水灰質量比控制坍落度，尋找最適合回填肥槽的水泥和固化劑。

固定坍落度為150 mm(水灰質量比為1.5∶1)，測試固化劑與固化土的質量比不同時S.P.A 32.5礦渣水泥的3、7 d固化強度。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可確定礦渣水泥和固化劑的摻量范圍，下一步最終確定符合現(xiàn)場實際需求的具體配方。礦渣水泥與固化劑的質量比為2∶1，水灰質量比依次為2.5∶1、2.0∶1、1.5∶1，測定不同坍落度時漿液的無側限抗壓強度和相對密度。固化劑試樣尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，試驗設計代碼C、D是摻和料分別為S.P.A 32.5礦渣水泥水泥和固化劑，代碼1、2、3、4是摻和料與固化土的質量比分別為5%、6%、8%、10%。無側限抗壓強度測試結果見表1。

表1 固化劑無側限抗壓強度 a

由表1可知：同樣摻量(兩者的凝膠材料總量基本接近)下，摻有固化劑的試塊各階段無側限抗壓強度明顯優(yōu)于礦渣水泥，說明固化劑組分中激發(fā)劑和表面活性劑對具有水硬性潛能的復合礦物激發(fā)效果明顯，同時復合礦物對整個流態(tài)固化土的漿液改性能力優(yōu)越。但無論是摻入S.P.A 32.5礦渣水泥還是固化劑都存在強度過大的情況。因此，可以考慮S.P.A 32.5礦渣水泥+固化劑按照一定比例再次進行復配，既保證了強度要求也能有較好的經(jīng)濟性。

水灰質量比依次為2.5∶1、2.0∶1、1.5∶1時，混合物相對密度依次為1.22、1.28、1.35，均比土顆粒的相對密度小，說明漿液是一種優(yōu)質的輕質材料，不會對結構產(chǎn)生過多的附加應力。

因此確定礦渣水泥與固化劑的質量比為2∶1，水灰質量比為2∶1，滿足工程需要的200 mm坍落度要求。試驗采用固化劑148 kg，土壤1478 kg，水339 kg，拌和后將試樣送檢，3、7、14、28 d無側限抗壓強度分別為0.5、1.1、1.8、2.4 MPa，均滿足要求。

2.3 不同配比土試驗

預拌流態(tài)固化土技術要求土源的有機質質量分數(shù)不大于5%，其顆粒粒徑不大于50 mm。土占整個固化土質量的85%～90%，以砂土和黏土為主。

2.3.1 試驗內容

對試驗用的砂土和黏土進行篩分，砂土和黏土顆粒粒徑分布如表2所示。

表2 砂土和黏土的顆粒粒徑分布

通過對砂土的顆粒級配曲線進行擬合，得到擬合公式為：

y=0.001 4x6+0.028 4x5-0.202x4+0.663 8x3-1.155x2+1.157 3x-0.003 8,

式中：x為顆粒粒徑，y為小于某粒徑的土粒質量分數(shù)。

經(jīng)計算得：限定粒徑d60=2.176 mm，連續(xù)粒徑d30=0.377 mm，有效粒徑d10=0.099 mm，不均勻系數(shù)Cu=5.772，曲率系數(shù)Cc=0.960。根據(jù)數(shù)據(jù)繪圖可知砂土的級配曲線無明顯平臺期，坡度較平緩，不均勻系數(shù)大于5，曲率系數(shù)接近1，屬于級配較為良好的試驗土。

測試固化劑摻量相同，砂土、黏土、固化劑及水的質量比不同時土的坍落度和3、7、28 d無側限抗壓強度，如表3所示。

表3 不同配比土養(yǎng)護后無側限抗壓強度

2.3.2 結果分析

由表3可知：試驗土3、7、28 d的無側限抗壓強度隨砂土質量比的減小而減小。

1)試驗土全部由砂土組成時，砂土大顆粒(相較于固化劑和水泥的粒徑幾至幾十μm)效應明顯，承擔骨架作用的砂土使整個凝膠體系強度變大，試驗土的整體強度較大。

2)試驗土全部由黏土組成時，各齡期的強度均最小，尤其是3 d的無側限抗壓強度只有0.31 MPa，略低于28 d強度的15%。早期強度低的原因主要是黏土的吸附作用限制了凝膠材料的水化速度，黏土的粒徑水平基本與固化劑屬于同一數(shù)量級，喪失了砂土的骨架作用使整個固化土體的強度偏低。根據(jù)緊密堆積理論，大顆粒堆積的體系空隙中可填充粒徑較小的顆粒， 再往大、小顆?？障吨刑畛淞礁〉念w粒， 直至顆粒間空隙率達到最小，這種結構更密實，強度更大。當土壤全部由黏土組成時，可以適當摻入砂土，使整個系統(tǒng)的顆粒級配趨于合理，宏觀上體現(xiàn)為各齡期的強度均有所提升。由全黏土組成的固化土試塊強度最低，但也滿足現(xiàn)場回填肥槽強度的要求。

2.3.3 固化土體的滲透性和體積收縮率

采用變水頭法進行滲透試驗，依據(jù)達西定律[25]，滲透系數(shù)

式中：a為測壓管橫斷面積，F(xiàn)為土樣的橫斷面積，L為土樣的厚度，t為測量高度h1、h2的間隔時間。

測得現(xiàn)場土樣k=1.463×10-5～1.526×10-5cm/s，28 d齡期試塊k=1.544×10-7～1.873×10-7cm/s，流態(tài)固化土在硬化后可顯著提升土體的滲透性。

3 預拌流態(tài)固化土回填施工工藝

3.1 主要材料及配合比

3.1.1 土料

優(yōu)先采用開挖的渣土，有機質的質量分數(shù)不大于5%，顆粒粒徑不大于50 mm，含水量無要求。

3.1.2 配合比

試驗確定符合工程要求的配合比。S.P.A 32.5礦渣水泥與固化劑的質量比為2∶1，水灰比為2∶1，坍落度為200 mm，摻和料表面積不小于300 m2/kg，篩余量(0.08 mm)不超過8%。

3.1.3 拌和用水

固化土拌和用水可以是飲用水、地表水和地下水，氯離子的質量濃度不超過600 mg/L，沒有明顯漂浮的油脂和泡沫，沒有明顯顏色和異味。

3.2 施工作業(yè)及要求

3.2.1 固化土原材料質量檢查及存儲

在施工現(xiàn)場設立固化土攪拌站集中進行拌和，拌和前檢查土質的種類、粒徑，確定無雜物，符合作業(yè)規(guī)范要求。采用粉料罐存儲并運至現(xiàn)場的固化劑粉料，采用桶裝存儲液劑，并按照要求進行作業(yè)前檢驗。固化劑存儲時間不超過3個月，否則應重新進行檢驗，確認合格后方可使用。

3.2.2 固化土拌和質量控制

先將固化劑、粉煤灰、外加劑等與水按配合比投入漿液拌和器混合成漿液，再將漿液與土投入攪拌器拌和成固化土。固化土的坍落度為150～180 mm，28 d無側限抗壓強度不小于0.8 MPa，固化土的初凝時間不小于3 h，終凝時間不大于10 h。

3.2.3 固化土回填澆注

澆注時，固化土自由傾落高度一般不宜超過2 m，超過2 m時應由導流槽或泵車將攪拌好的固化土導入基槽[26]。分層澆注，每層回填厚度為1 m。在澆注過程中應人工輔助刮平，與坑(槽)邊壁上的標高控制線對應檢查，保證每個澆注層基本水平進行。合理配量施工機械和人員，管廊兩側基坑平衡澆注，基槽回填連續(xù)不間斷。防止地面水流入坑(槽)內，應有防雨排水措施。剛回填完畢或尚未初凝的固化土若受雨淋浸泡，則應除去積水及松軟土并補填；回填完成后及時覆蓋基槽，雨天不施工。

3.2.4 驗收、養(yǎng)生與補強

回填最上一層完成后，采用拉線或靠尺檢查標高和平整度，超高處用人工處理平整，低洼處及時補填固化土。澆注完成后進行覆蓋養(yǎng)護，保證強度增長，期間嚴禁機械、行人通過。因養(yǎng)護、黏土含量、坍落度控制及外部環(huán)境造成水分流失時，澆注層與基槽量測結合部出現(xiàn)干縮裂縫，應在澆注完成3 d后，對施工分段接縫處高壓注入固化漿液。若表面產(chǎn)生輕微的裂縫，應在養(yǎng)生期間人工用固化劑漿液將裂縫灌漿。

3.3 技術優(yōu)勢

規(guī)范要求基坑、肥槽回填采用回填土分層回填、分層壓實或夯實、分層檢測，每層厚度為0.2～0.3 m，如果分層厚度過大，則無法達到壓實度95%的要求。當基坑深度較大、作業(yè)空間狹窄時，很難滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。管廊結構基坑與一般基坑不同，其長條狀管廊兩側基坑相對于一般基坑回填難度較大，因此需要應用土體固化技術，實現(xiàn)快速、顯著地改變渣土的物理力學性能，使之成為相對強度高、密度大、孔隙小、壓實度高的工程材料。將研發(fā)的新型環(huán)保、高性能預拌流態(tài)固化土材料用于狹小肥槽的回填施工，經(jīng)工程作業(yè)證明，回填效率高、質量好，能夠滿足城市淺埋蓋挖快速裝配支護技術中已裝配管節(jié)背后肥槽的及時回填密實要求。

4 結語

太原姚村管廊示范工程預拌流態(tài)固化土回填施工技術的應用表明：新型環(huán)保、高性能的預拌流態(tài)固化土材料回填效率高，作業(yè)質量好，符合我國節(jié)能減排、綠色施工的發(fā)展方向，實現(xiàn)了城市地下空間施工快速裝配支護技術研發(fā)的目標，為城市地下大空間開發(fā)提供更多的支持，具有廣泛應用前景。