滇中引水盾構隧洞高含水率泡沫改良渣土固化機理及應用

楊紅霞 杜俊 龔振宇 肖鋼 倪準林 王樹英

摘 要：為解決滇中引水盾構始發(fā)段隧洞高含水率泡沫改良渣土外運難題，以坍落度為評價指標，基于正交試驗研究水泥、生石灰、粉煤灰和氧化鎂等固化材料質(zhì)量配比對盾構渣土流動性的影響規(guī)律，并分析盾構泡沫改良渣土的微觀固化機理以及泡沫的變化過程，提出合適的渣土外運固化技術。試驗結果表明，影響渣土固化流動性的主要因素為粉煤灰與氧化鎂質(zhì)量之和與水泥和生石灰質(zhì)量之和之比，獲得固化材料最佳質(zhì)量配比為氧化鎂∶粉煤灰∶水泥∶生石灰=1∶19∶24∶36；固化過程會加速泡沫破滅并生成凝膠降低渣土流動性;相較于采用純水泥和脫水系統(tǒng)對現(xiàn)場盾構渣土進行固化處理，最佳質(zhì)量配比下的固化處理方案是一種更為經(jīng)濟有效的方式。

關鍵詞：盾構隧洞；高含水率；泡沫改良；正交試驗；流動性；渣土固化

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0172-10

Abstract： In order to solve the problem of high water content muck transported out of the Central Yunnan Water Diversion Project shield tunnel， in this paper， taking slump as evaluation index， the influence law of mass ratio of cement， quicklime， fly ash， and magnesium oxide on the fluidity of shield muck was discussed based on the orthogonal test， and the solidification micro-mechanism of the shield foam-conditioned muck and the change process of the foam were analyzed， and appropriate solidification technology for muck transportation was proposed. The results showed that the main factors influencing the fluidity of shield muck solidification were the ratio of the sum of fly ash and magnesium oxide mass to the sum of cement and quicklime mass. The best mass ratio of solidifying materials of shield muck in upper soil and lower rock strata was magnesium oxide∶fly ash∶ cement∶ quicklime=1∶19∶24∶36. The solidification process would accelerate the bursting of foam and generate gel to reduce the fluidity of muck. Compared with the use of cement or dehydration equipment to solidify the field shield muck， it was a more economical and effective way to solidify the muck with the solidifying agent at the best mass ratio.

Keywords：Shield tunnel; high water content; foam-conditioned; orthogonal test; fluidity; muck solidification

基金項目：國家自然科學基金項目（52022112）

第一作者簡介：楊紅霞，碩士，高級工程師。研究方向為水利工程。E-mail： 89553675@qq.com

0 引言

盾構法作為一種相對經(jīng)濟、高效和成熟的技術，以其安全、高效及干擾小等優(yōu)勢近些年在一些地鐵、水利項目中應用日益廣泛[1-3]，但該法在帶來巨大便利的同時，也會在施工過程中產(chǎn)生大量盾構渣土[4-5]。由于盾構掘進需求，渣土需要注水、泡沫等進行合理改良，或者由于地層本身富含地下水，導致盾構渣土一般具有含水量高、流動性較大特點，如不進行處理，則在運輸過程中不可避免地會產(chǎn)生撒漏，對環(huán)境造成一定的污染，造成渣土外運難題[6]。通常城市盾構施工場地有限，渣土無法及時運出，將影響施工進度[7]。如成都地鐵18號線世海區(qū)間盾構施工現(xiàn)場的渣土池面積為1 000 m2、擋墻高度為2 m、容量僅為2 000 m3，受高含水率渣土無法正常外運的影響，滿足不了雙線正常掘進（20環(huán)/d，渣土產(chǎn)出量3 500 m3/d）需求[8]。影響嚴重時會導致盾構非正常停機，而盾構停機很容易引起掌子面失穩(wěn)，進而引發(fā)地表塌陷等一系列事故[9]。

我國盾構隧道工程渣土的產(chǎn)量巨大，但目前處理方式受制于技術、政策等影響仍以堆填為主[10]，顯然高含水率盾構渣土無法直接外運進行堆填。針對上述問題，最常見的解決方案是進行脫水處理，然而實踐表明有些渣土（如黏性渣土）脫水往往效率低下，從而限制了盾構掘進速度。另外一種解決方案是對渣土進行固化處理，通過就地固化手段快速降低渣土的流動性，以滿足渣土外運要求。關于高含水率的自然土或建筑渣土固化處理，國內(nèi)外不少學者開展了一些研究工作。顧歡達等[11]利用水泥對河道淤泥進行固化處理，發(fā)現(xiàn)河道淤泥經(jīng)水泥流動化處理后具有一定的強度和剛度。朱偉等[12]利用水泥對深圳市鹽田港中港區(qū)三期工程10#納泥塘內(nèi)的淤泥進行了流動固化處理的現(xiàn)場試驗，結果表明水泥固化疏浚淤泥后的固化土可以用作填海工程的材料。侯天順[13]通過密度、無側限抗壓強度試驗研究了混合土的工程性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)采用日本圓柱形試樣流動性指標控制混合土的流動性基本可行，且流動上、下限含水率對應強度差別不大。楊林等[14]對TG固化劑、水泥、石灰穩(wěn)定土的強度進行了正交試驗分析，并對配合比進行了優(yōu)化，得到了最優(yōu)配合比。同時對最優(yōu)配合比方案進行了微觀結構的觀察，并分析了其固化機理。Zentar等[15]分別采用一種新型綠色固化材料硫鋁酸鈣 （CSA）水泥和普通硅酸鹽水泥對法國敦刻爾克海港淤泥進行固化，并通過擊實試驗、無側限抗壓強度和承載比等試驗將二者固化效果進行對比分析，試驗結果證實了硫鋁酸鈣水泥固化淤泥作為一種道路回填材料的可能性。Maierdan等[16]利用磷石膏、高爐礦渣粉、水泥和水玻璃對高含水率河道淤泥進行固化，試驗研究了不同固化材料之間比例對淤泥的固化效果，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）和熱重分析（TGA）等手段證實了固化過程水化硅酸鈣（CSH）和鈣礬石礦物的形成是固化體強度增長的主要原因。

綜上所述，現(xiàn)有高含水率土固化研究對象主要是疏浚淤泥和普通市政淤泥等，對高含水率盾構泡沫改良渣土固化研究相對較少。而由于盾構渣土中泡沫的存在，使得盾構渣土不同于普通建筑渣土。泡沫的存在，改變了原有渣土的結構，使得原有渣土的含水率高，不易脫水，難以曬干。盾構泡沫改良渣土在加入固化材料后泡沫是如何變化的，以及這一過程的固化反應機理目前還鮮有人研究。滇中引水昆明段龍泉倒虹吸隧洞盾構區(qū)間始發(fā)段由于基巖裂隙水發(fā)育等原因，渣土含水率很高，先期方案所提出的渣土脫水設備占地大，脫水成本高，導致渣土外運面臨很大壓力。因此，為了快速固化渣土，降低渣土處理成本，需要研究渣土外運固化技術。本研究利用水泥、生石灰、粉煤灰和氧化鎂等多種固化材料對盾構渣土進行快速固化，以簡便的測試方法——坍落度試驗來評價渣土的固化效果，采用正交試驗優(yōu)選出固化材料之間的最佳質(zhì)量配比，并分析盾構泡沫改良渣土的微觀固化機理以及泡沫的變化過程，現(xiàn)場取得了良好的應用效果。

1 工程概況

1.1 工程簡介

滇中引水昆明段龍泉倒虹吸隧洞（LQS000+110—LQS000+312）段上部為軟弱的第四系全新統(tǒng)洪積層黏土和中更新統(tǒng)湖、沖洪積層黏土，多呈可塑狀，下部為硬質(zhì)的大塘組上司段灰?guī)r，表層強烈—裂隙性溶蝕風化，屬V類圍巖中特殊不良地質(zhì)段，圍巖極不穩(wěn)定，成洞條件差。龍泉倒虹吸始發(fā)段處于白龍?zhí)稁r溶水系統(tǒng)徑流排泄區(qū)，場區(qū)所分布的覆蓋型大塘組上司段灰?guī)r中連通性好，賦存有豐富的巖溶管道水和基巖裂隙水，使得現(xiàn)場所排出的渣土含水率非常高，如圖1所示。其中圖1（c）是由于渣土流動性過大導致其無法直接外運滯留在渣土池1 d后的狀態(tài)。

1.2 現(xiàn)場渣土處理原定方案

為解決渣土外運問題，現(xiàn)場原計劃設計一套脫水系統(tǒng)來對渣土進行脫水處理。綜合現(xiàn)場實際情況，對利用該套脫水系統(tǒng)處理渣土費用進行預估，預計渣土脫水費用需930萬元，需處理渣土160 008 m3。另外，該脫水系統(tǒng)還需較大的現(xiàn)場用地，而現(xiàn)場不具備這樣的場地條件。綜合考慮處理成本、場地占用以及脫水效率等原因，現(xiàn)場放棄采用這套方案，改用就地渣土固化處理方案。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2.1.1 試驗土樣

試驗渣土樣取自盾構掘進過程中第153環(huán)（LQS000+224.4—LQS000+225.6），渣土狀態(tài)如圖2所示。渣土坍落度為291 mm，可見渣土流動性很大，該環(huán)渣土現(xiàn)場泡沫注入比很高，渣土中清晰可見大量泡沫，渣土基本物理指標見表1。

取部分渣土試樣進行粒徑測試，得到渣土的粒徑級配曲線，如圖3所示。結合液塑限試驗結果，根據(jù)《土的工程分類標準》（GB/T 50145—2007）[17]可知該環(huán)渣土屬于含礫高液限黏土。

通過X射線衍射儀可得渣土試樣衍射圖譜，如圖4所示。利用Jade軟件對圖4中的數(shù)據(jù)進行分析得到試樣礦物成分，見表2。

2.1.2 固化材料

已有研究表明混合固化材料對淤泥進行固化處理比采用單一材料固化效果更好[18]，故采用水泥、粉煤灰、生石灰和氧化鎂4種材料作為固化劑對渣土進行固化。水泥是一種常見的水硬性膠凝材料，試驗使用的水泥為P·O 42.5水泥。粉煤灰是從煤粉爐排出的煙氣中收集到的細顆粒粉末。

利用粉煤灰的形態(tài)效應、微集料效應可以減少用水量，粉煤灰的火山灰效應可使材料后期強度持續(xù)增長，所使用的粉煤灰為一級F類粉煤灰，主要含有SiO2、Al2O3和Fe2O3等成分。生石灰中的主要成分是CaO，可與水反應生成Ca（OH）2，試驗采用的生石灰產(chǎn)品氧化鈣純度較高，達87%以上，細度為120目。氧化鎂極易水化并生成堿性膨脹產(chǎn)物，從而增強土體強度，已在固化領域中得到廣泛應用[19]。試驗采用的是85活性氧化鎂，主要成分有MgO、SiO2、CaO和Al2O3。試驗采取4種固化材料，結合4種材料各自的固化優(yōu)勢，進而實現(xiàn)“1+1>2”的效果。

2.2 試驗方法

正交試驗是用于多因素試驗的一種方法，是從全面試驗中挑選出部分有代表的點進行試驗，這些代表點具有均勻和整齊的特點[20]。

正交試驗設計表見表3。試驗過程中，每個坍落度試樣渣土量保持為12.5 kg，而水泥、生石灰、粉煤灰和氧化鎂4種固化材料質(zhì)量之和固定為600 g，以因素粉煤灰與氧化鎂質(zhì)量之和與水泥和生石灰質(zhì)量之和之比（A）、水泥與生石灰質(zhì)量之比（B）和氧化鎂質(zhì)量與粉煤灰質(zhì)量之比（C）作為3個因素設計了一個3因素4水平的正交試驗，見表3。

其中A設計成2∶1、1∶1、1∶2和1∶3，確保粉煤灰與氧化鎂質(zhì)量之和大于、等于和小于水泥和生石灰質(zhì)量之和之比3種情況都出現(xiàn)，從而能更多考慮到各固化材料不同相對配比對試驗結果的影響，B的設計與A相同，C是考慮到A已經(jīng)控制了氧化鎂和粉煤灰之和，兼顧到氧化鎂成本相對較高的原因，C設計成1∶19、1∶9、3∶17和1∶4。為了表述方便以Mf+y表示粉煤灰與氧化鎂質(zhì)量之和，Ms+h表示水泥和生石灰質(zhì)量之和，Ms表示水泥質(zhì)量，Mh表示生石灰質(zhì)量，My表示氧化鎂質(zhì)量，Mf+y表示粉煤灰質(zhì)量。

3 試驗結果和分析

3.1 渣土固化狀態(tài)

2 h坍落度指的是將固化材料與渣土混合反應2 h后測取的坍落度值，考慮到現(xiàn)場一般在2 h后需將渣土及時外運出去，故采用2 h坍落度值對渣土固化狀態(tài)進行評價。試驗固化渣土狀態(tài)及2 h坍落度結果如圖5所示。

將坍落度小于等于200 mm定為固化效果良好，坍落度在200～230 mm定為固化效果一般，坍落度大于230 mm定為固化效果較差，則不同固化材料配比對應的固化效果見表4。

3.2 影響因素敏感性分析

3.2.1 極差分析

式中：ki指第i個相同試驗因素下（A、B、C）所對應的試驗指標之和，如試驗因素為A時，k1指的是Mf+y/Ms+h為2∶1工況下4次指標之和，以此類推；mi為ki對應的試驗指標之和的平均值；mimax為同因素對應的指標之和的平均值的最大值；mimin為同因素對應的試驗指標之和的平均值的最小值；R為極差。

以圖5中的2 h固化渣土坍落度結果作為試驗指標，對各因素進行極差計算分析，計算ki、mi以及極差R，計算結果列于表5。

由表5可知試驗中極差R大小為：A＞B>C，根據(jù)極差的性質(zhì)可知，影響固化渣土坍落度的主要因素為Mf+y/Ms+h，其次為Ms/Mh，影響最小的為My/Mf。為了更直觀地分析各因素對固化渣土坍落度的影響，根據(jù)表5可作出各因素對固化渣土坍落度影響的直觀分析圖，如圖6所示。從圖6可以看出，渣土固化后的坍落度隨著Mf+y/Ms+h和Ms/Mh減小而減小，隨著My/Mf增大而增大，根據(jù)固化材料配比這一變化規(guī)律，結合實際渣土外運過程中，坍落度越小越有利于渣土運輸這一原則，取Mf+y/Ms+h和Ms/Mh最小值，My/Mf最大值，即可得固化材料配比最優(yōu)組合，故當Mf+y/Ms+h為1∶3，Ms/Mh為4∶6，My/Mf為1∶19時，也就是質(zhì)量之比氧化鎂∶粉煤灰∶水泥∶生石灰=1∶19∶24∶36時，坍落度最小，說明此時固化效果最好。

其中Mf+y/Ms+h是控制渣土固化后的坍落度的主要因素，這是因為在渣土固化強度形成初期，水泥能夠很快水化硬化，提供了固化渣土大部分的早期強度，同時生石灰在混入渣土后能夠迅速與渣土中的水進行反應，整個過程一方面可以快速消耗部分水，這能夠迅速降低渣土流動性。另一方面這一過程能很快生成大量的Ca（OH）2，而產(chǎn)生的Ca（OH）2又能與粉煤灰中大量的SiO2以及Al2O3發(fā)生類似火山灰反應的二次火山灰反應，如式（3）和式（4）所示，此過程生成的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣是后期固化渣土強度的主要來源。而對于氧化鎂來說，MgO的水化反應在產(chǎn)生Mg（OH）2的過程中伴隨著Mg2+與渣土中的K+和Na+發(fā)生離子交換反應，進一步與渣土中的Al2O3和SiO2發(fā)生火山灰反應[21]，此外MgO的水化反應后體積膨脹的性質(zhì)可以彌補水泥固化時的體積收縮，這些都有助于提高固化渣土的強度。但MgO與水反應生成Mg（OH）2的反應速率相對于CaO與水的反應要緩慢一些，且MgO量少，故短時間內(nèi)無法迅速提高渣土強度，因此影響最小的因素為My/Mf。

3.2.2 方差分析

方差分析不僅彌補了極差分析方法無法精確反映誤差項大小和其帶來的影響，還彌補了極差分析不能對各因素進行顯著性分析的缺點。本試驗進行方差分析需用到以下公式

式中：ST為總偏差平方和；SA為組間因素偏差平方和；SE為組內(nèi)因素偏差平方和；I為水平個數(shù)；N為所有試驗結果的個數(shù)；ni 為樣本的容量，此處取值為4；Xij為某一因素在某一水平中對應的試驗值；X′為總體樣本的均值；X′i為第i個子總體的樣本均值；F為統(tǒng)計量。

方差分析結果見表6。可明顯看到，F(xiàn)大小依次為A>B>C，這進一步說明對渣土固化流動性影響最顯著的是A，其次是B，最后是C。另外，從表6中偏差平方和結果可以看出，A、B、C對渣土固化后流動性的影響比隨機誤差的影響大，這表明坍落度試驗結果是較為可靠的。

4 高含水率泡沫改良渣土固化機理

前文分析沒有考慮盾構渣土所含的泡沫影響，事實上，泡沫在注入土體后，土顆粒周圍布滿了泡沫，這相當于給土顆粒穿上了一件帶滾珠的外衣，稱為泡沫的“軸承效應”，當土顆粒流動時，由于顆粒之間接觸面積變小，使得內(nèi)、外摩擦角大大減小，進而增強渣土的流動性[22]。為了進一步分析泡沫改良渣土加入固化材料后泡沫的變化特征，利用高倍光學顯微鏡對渣土初始狀態(tài)和固化材料最佳質(zhì)量配比下固化2 h后的渣土細觀結構進行了分析，如圖7所示。由圖7可以看到，盾構渣土在加入固化材料之前分布著許多大小不一的泡沫，在加入固化材料2 h后，由于泡沫本身是熱力學不穩(wěn)定體系，而固化過程會釋放一定的熱量，且這個過程會反應掉大量的水分，這些都直接加速了盾構渣土中泡沫的破滅，大部分泡沫都已經(jīng)消散，使得固化渣土流動性變小。

圖8是未固化和固化后渣土的SEM圖像照片，很明顯可以看到固化渣土的結構較未固化渣土更致密，這主要是固化渣土內(nèi)部生成了更多水化產(chǎn)物，整體結構膠結性更強，顆粒間以面與面接觸為主，宏觀表現(xiàn)為強度提高。

為了進一步揭示現(xiàn)場盾構泡沫改良渣土固化機理，在王東星等[23]和Fernández-Jiménez等[24]研究基礎上，結合盾構現(xiàn)場渣土內(nèi)泡沫結構變化和SEM圖像，得到生石灰、氧化鎂和粉煤灰固化泡沫改良渣土微觀作用機理示意圖，如圖9所示。鑒于水泥水化反應研究已較為成熟完善，且考慮到粗粒土主要在固化過程起骨料填充物理作用，故反應過程示意圖沒有對水泥和粗顆粒土進行示意。

從圖9可以看到，整個反應過程可以分為以下4個步驟進行。

1）首先氧化鎂和生石灰遇水發(fā)生水化反應，由于該反應比較迅速，且該反應會釋放出一定的熱量，故此過程是促使盾構渣土中的泡沫破滅的主要階段。

2）粉煤灰解離反應。CaO和MgO水解產(chǎn)生OH-破壞粉煤灰致密玻璃體結構，釋放部分活性組分并生成H2SiO2-4

3）由于Mg（OH）2和Ca（OH）2溶解度低，隨著1）過程中不斷生成Mg（OH）2和Ca（OH）2，后期會析出Mg（OH）2和Ca（OH）2，這些析出物能夠進一步填充渣土中的孔隙，增強渣土強度，涉及的反應式如下

4）凝膠生成反應。粉煤灰解離釋放活性H2SiO2-4，在OH-作用下與Mg2+經(jīng)過復雜化學反應過程，生成弱結晶相M-S-H凝膠，該凝膠填充和擠占泡沫所占空間，使得泡沫數(shù)量進一步減少，該過程涉及的反應主要有

綜上分析，盾構泡沫改良渣土固化過程流動性降低，一方面在于固化過程會釋放熱量加速渣土泡沫的破滅，另一方面在于固化材料水化反應后生成各類凝膠物，使得渣土微觀結構更加密實。

5 現(xiàn)場應用

現(xiàn)就采用脫水系統(tǒng)、純水泥固化和優(yōu)化配方固化從經(jīng)濟成本和固化效果等方面進行對比分析，其中固化材料價格以表7為計算依據(jù)。

根據(jù)前面所述和表7數(shù)據(jù)可得脫水系統(tǒng)、純水泥固化和優(yōu)化配方固化三者每處理1 m3渣土費用，并分別采用W1、W2和W3表示，見表8。

將優(yōu)化配方固化效果與采用純水泥時進行對比，兩者固化效果如圖10所示。

從圖10可以看到，采用相同質(zhì)量優(yōu)化配方和純水泥對相同質(zhì)量同一環(huán)渣土進行固化時，純水泥的2 h坍落度為215 mm，而優(yōu)化配方的固化渣土2 h坍落度為197 mm，顯然利用優(yōu)化配方對渣土進行固化時效果更好。

由以上對比分析計算可知，每處理1 m3渣土費用W1>W2>W3，說明使用優(yōu)化配方對渣土進行固化相較于使用純水泥和脫水系統(tǒng)固化是一種更為經(jīng)濟的方式。利用優(yōu)化配方對現(xiàn)場進行應用，效果如圖11所示，現(xiàn)場使用優(yōu)化配方0.5 h后即可從渣土池挖出，此時渣土狀態(tài)如圖11（a）所示，渣土固化2 h后即可從盾構現(xiàn)場運出，從而解決了滇中引水昆明段含水率高的盾構渣土外運難題。

另外，優(yōu)化方案相對純水泥方案大大減少了水泥用量，而水泥生產(chǎn)作為二氧化碳排放量主要來源，減少水泥用量，有利于節(jié)約能源，從而改善生態(tài)環(huán)境。

6 結論

1）利用水泥、生石灰、粉煤灰和氧化鎂4種材料對渣土進行固化時，渣土固化初期影響渣土固化流動性的主要因素為粉煤灰與氧化鎂質(zhì)量之和與水泥和生石灰質(zhì)量之和之比，其次為水泥與生石灰質(zhì)量之比，影響最小的為氧化鎂質(zhì)量與粉煤灰質(zhì)量之比。

2）最佳試驗材料質(zhì)量之比為氧化鎂∶粉煤灰∶水泥∶生石灰=1∶19∶24∶36。相較于采用純水泥和脫水系統(tǒng)對現(xiàn)場盾構渣土進行固化處理，最佳質(zhì)量配比下對渣土進行固化處理是一種更為經(jīng)濟有效的方式。

3）盾構泡沫改良渣土固化強度增強一方面在于固化過程會釋放熱量加速渣土泡沫的破滅，另一方面在于固化材料水化反應后生成凝膠物，使得渣土微觀結構更加密實。

本研究通過現(xiàn)場就地固化處理優(yōu)化方案解決了滇中引水昆明段含水率高的盾構渣土外運難題。相對于脫水系統(tǒng)減少了處理成本和場地占用面積；相對于純水泥固化方案，固化效果更好，減少了水泥用量。然而，優(yōu)化方案仍然采用了水泥，在少占場地或就地處理的前提下，如何進一步減少或避免采用水泥進行渣土固化，是今后需要進一步研究的方向。

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