南京緯三路過江通道棄砂在壁后注漿材料中的利用

陳喜坤，朱 偉，2，王 睿，閔凡路，2，魏代偉

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210098；3.南京河海科技有限公司，江蘇南京 210098）

南京緯三路過江通道棄砂在壁后注漿材料中的利用

陳喜坤1，朱 偉1，2，王 睿1，閔凡路1，2，魏代偉3

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210098；3.南京河海科技有限公司，江蘇南京 210098）

為了解決南京緯三路過江通道施工產(chǎn)生的棄砂在壁后注漿漿液中的再利用問題，通過將施工產(chǎn)生的棄砂篩分成細(xì)度模數(shù)分別為1.652、1.096、0.773的砂，并將其分別用于配置不同水膠比的壁后注漿漿液，探究了砂的細(xì)度模數(shù)對壁后注漿漿液基本性能的影響，進(jìn)而提出了棄砂再利用的方法。結(jié)果表明：漿液用砂的細(xì)度模數(shù)越高，漿液的流動度、稠度、泌水率、體積收縮率和凝結(jié)時間越長，強(qiáng)度越低；棄砂細(xì)度模數(shù)篩分為0.75～1.08，水膠比為0.9，可直接作為壁后注漿材料。南京緯三路過江通道棄砂再利用的方案為：將棄砂過1.25 mm篩后75%替換原漿液用砂，調(diào)整水膠比為0.85；或50%替換原漿液用砂，調(diào)整水膠比為0.9，2種方案都滿足了工程要求，并具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

南京緯三路過江通道；棄砂；泥水盾構(gòu)；壁后注漿；細(xì)度模數(shù)

0 引言

近些年來，盾構(gòu)法施工在我國軌道交通和越江隧道工程中的應(yīng)用越來越多［1-2］。盾構(gòu)隧道施工會產(chǎn)生大量的泥砂，一般采用堆場堆放的方式來處理，這樣既占用了土地資源，又造成一定的環(huán)境問題。因此，研究盾構(gòu)泥砂在盾構(gòu)法施工過程中的循環(huán)利用問題具有重要意義［3］，而壁后注漿作為盾構(gòu)施工的一道關(guān)鍵工序，對于防止隧道滲漏、地面沉降、管片位移等具有重要作用［4］。漿液中砂的含量在50%以上，是主要組分之一，探究棄砂在壁后注漿漿液中的再利用具有一定的工程價值。

盾構(gòu)泥砂是指盾構(gòu)法施工過程中開挖的土體經(jīng)過粉碎、切削、攪拌等程序后運(yùn)輸至地表的渣土。部分泥砂經(jīng)過泥水分離可以作為盾構(gòu)泥漿使用，而密度較大的泥砂顆粒不能被利用，從而導(dǎo)致大量棄置泥砂。在盾構(gòu)棄砂利用方面，已經(jīng)有了一些研究。林文書等［5］以武漢地鐵工程為背景，認(rèn)為盾構(gòu)泥砂黏粒含量為10%～30%、含砂量為40%～70%時，制備的同步注漿材料的流動性、穩(wěn)定性、力學(xué)性能與抗水分散性能均能達(dá)到設(shè)計要求，并提出了采用增大HMA外加劑的摻量來調(diào)整注漿材料的工程性能；鐘小春等［6］以南京長江隧道工程為背景，將粉細(xì)砂直接應(yīng)用于壁后注漿材料中，但應(yīng)根據(jù)不同棄砂性質(zhì)調(diào)整材料配方中的土砂比（粉黏粒與砂土干質(zhì)量之比）；許可［7］利用盾構(gòu)泥砂制備了同步注漿材料，認(rèn)為泥砂塑性指數(shù)越大漿液流動性越好，含泥量宜控制在30%～40%。以上學(xué)者針對的泥砂黏粒含量較高（在20%～40%），研究方法也主要考慮降低壁后注漿材料中黏粒含量（如減少膨潤土含量）、增加外加擠來保證漿液性能，對于顆粒較大的砂的影響考慮得比較少。南京緯三路過江通道盾構(gòu)段地層中粉細(xì)砂地層占70%左右，且產(chǎn)生的盾構(gòu)泥砂81%的顆粒處于1.25 mm以下，黏粒含量僅為2%；因此，探究砂對壁后注漿漿液基本性質(zhì)的影響規(guī)律對于該工程棄砂再利用具有重要意義。

南京緯三路過江通道棄砂級配良好，但顆粒粒徑偏大，而細(xì)度模數(shù)是表征天然砂粒徑的粗細(xì)程度及類別的指標(biāo)［8］，可以反映棄砂與原配方砂之間的差異。關(guān)于砂細(xì)度模數(shù)對水泥砂漿基本性能的影響，S.K.Lim等［9］通過在水泥砂漿中使用不同細(xì)度模數(shù)的砂，發(fā)現(xiàn)細(xì)度模數(shù)越大，砂漿的保水性越好，試塊抗壓強(qiáng)度越大；G.D.Schutter等［10］發(fā)現(xiàn)不同細(xì)度模數(shù)、表觀質(zhì)量、相對比表面積的砂與砂漿的用水量存在相關(guān)性；Mikael Westerholm等［11］通過在混凝土中摻加不同細(xì)度模數(shù)的砂，發(fā)現(xiàn)砂細(xì)度模數(shù)越小，混凝土流變性能越差；V.G.Haach等［12］發(fā)現(xiàn)制備相近性質(zhì)的水泥砂漿，采用細(xì)度模數(shù)較小的砂比采用細(xì)度模數(shù)較大的砂需要更大的水灰比；吳永根等［13］通過試驗研究，確定了機(jī)場路面混凝土細(xì)集料細(xì)度模數(shù)為2.64時耐磨性最好，同時具有較高的強(qiáng)度和抗?jié)B性。可見，細(xì)度模數(shù)對漿液性能有顯著影響，然而在壁后注漿領(lǐng)域中該方面的研究尚不明確。本文探究了細(xì)度模數(shù)對壁后注漿漿液基本性能的影響，并提出了南京緯三路過江通道工程中棄砂再利用的具體方法，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

南京緯三路過江通道位于南京長江大橋與緯七路長江隧道之間，線路西起長江北岸浦口新市區(qū)浦珠路，北線（N線）穿越長江后與揚(yáng)子江大道相接，南線（S線）穿越長江及揚(yáng)子江大道后與定淮門大街相接。北線全長7.0 km，南線全長7.3 km。盾構(gòu)隧道大部分處于粉細(xì)砂地層中，局部位于淤泥質(zhì)、粉質(zhì)黏土以及卵礫石地層中，地質(zhì)剖面如圖1所示，棄砂的篩分曲線如圖2所示。由圖2可知，85%的顆粒位于1.25 mm以下，而黏粒的含量僅為2%，顆粒級配良好，這正是壁后注漿漿液所需要的。棄砂用于壁后注漿不僅可以減少優(yōu)質(zhì)砂的購買，而且可以解決棄砂堆放帶來的環(huán)境問題。

圖1 隧道北線地質(zhì)剖面圖Fig.1 Longitudinal profile of geological conditions of north tube of Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗主要材料包括石灰、粉煤灰、砂、水、膨潤土、減水劑。其中，熟石灰的氫氧化鈣含量約為89%，粉煤灰為南京下關(guān)電廠Ⅲ級粉煤灰，膨潤土為南京湯山膨潤土有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級鈉基膨潤土，減水劑為南京瑞迪高新技術(shù)公司生產(chǎn)的HLC-NAF高效減水劑。各配方含量如表1所示。

圖2 棄砂與原配方砂顆粒級配對比Fig.2 Comparison and contrast between particle gradation of waste sand produced in tunneling and that of sand proposed in the original mixing proportion design

表1 原始壁后注漿漿液配方Table 1 Original mixing proportion of backfilling groutkg/m3

2.2 試驗裝置和方法

同步注漿材料的強(qiáng)度、稠度和凝結(jié)時間參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》。體積收縮率測定采用砝碼堆載一維固結(jié)的方式，如圖3所示。

圖3 體積收縮率測試裝置Fig.3 Volume shrinkage test device

2.3 試驗方案

為了探討粉細(xì)砂顆粒大小對壁后注漿漿液性質(zhì)的影響，將棄砂進(jìn)行篩分以得到不同細(xì)度模數(shù)的粒組，試驗設(shè)計見表2。不同粒組的砂顆粒級配情況如圖4所示。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同細(xì)度模數(shù)的棄砂對壁后注漿體性能的影響

漿液泌水率與砂的細(xì)度模數(shù)關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出，隨著棄砂細(xì)度模數(shù)的增加，砂子粒徑增大，漿液整體孔隙率增加，從而使水更容易排出，導(dǎo)致泌水率逐漸增大，但均小于2%。對于南京緯三路過江通道棄砂來說，控制細(xì)度模數(shù)在2.0以下，水膠比在0.85～0.95，漿液的泌水率滿足施工要求。

表2 細(xì)度模數(shù)影響試驗方案Table 2 Tests on influence of fineness modulus

圖4 棄砂不同篩分情況顆粒級配分布Fig.4 Distribution of particle gradation of waste sand

圖5 漿液泌水率與砂的細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between grout bleeding rate and sand fineness modulus

流動度和稠度是衡量漿液泵送能力的指標(biāo)，初始流動度和初始稠度與細(xì)度模數(shù)的關(guān)系如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可以看出，隨著棄砂細(xì)度模數(shù)的增大，顆粒之間的接觸面積增大，咬合作用增強(qiáng)，從而使?jié){液的稠度增大，流動度也隨之增加。根據(jù)工程要求，漿液稠度應(yīng)在8～12 mm，流動度應(yīng)大于20 cm［14］（圖中陰影部分），因此，應(yīng)控制細(xì)度模數(shù)不超過1.5，即在顆粒級配良好的前提下，最大顆粒粒徑要小于1.25 mm。此外，不同細(xì)度模數(shù)的砂應(yīng)調(diào)整水膠比，以滿足稠度和流動度要求。

圖6 漿液初始流動度與砂的細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between initial fluidity of grout and fineness modulus of sand

圖7 漿液初始稠度與砂的細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between initial consistency of grout and fineness modulus of sand

凝結(jié)時間和結(jié)石體強(qiáng)度與細(xì)度模數(shù)的關(guān)系如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，隨棄砂細(xì)度模數(shù)的增加，漿液凝結(jié)時間增長，7 d抗壓強(qiáng)度減小。根據(jù)壁后注漿要求，惰性漿液凝結(jié)時間宜小于70 h［15］（圖8中陰影部分）。可以看出，細(xì)度模數(shù)較小的砂更容易滿足凝結(jié)時間的要求，且強(qiáng)度較高。隨著水膠比的增大，砂的細(xì)度模數(shù)需相應(yīng)減小，以滿足施工要求。

體積收縮率與細(xì)度模數(shù)的關(guān)系如圖10所示。從圖10可以看出，隨著棄砂細(xì)度模數(shù)的增加，漿液孔隙率增大，漿液排水多，體積收縮率也隨之增大，這對漿液填充是不利的。為保證工后沉降滿足要求，體積收縮率宜在20%以下（圖10中陰影部分）。因此，減小漿液用砂細(xì)度模數(shù)也是降低體積收縮率的有效方法之一。觀察圖7、8、10中不同水膠比條件下漿液的可用范圍，可以發(fā)現(xiàn)控制水膠比為0.9、棄砂細(xì)度模數(shù)為0.75～1.08時，漿液的流動度為24～25 mm，稠度為8.6～9.2 mm，凝結(jié)時間小于70 h，且體積收縮率在20%以下，泌水率小于3%，各項性能均滿足工程施工要求，即將棄砂合理篩分可以用于壁后注漿漿液中。

圖8 漿液凝結(jié)時間與砂的細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between setting time of grout and fineness modulus of sand

圖9 結(jié)石體強(qiáng)度與砂的細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between strength of consolidation body and fineness modulus of sand

圖10 漿液體積收縮率與砂的細(xì)度模數(shù)關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between volume shrinkage of grout and fineness modulus of sand

3.2 盾構(gòu)棄砂再利用方法研究

3.1節(jié)研究了漿液的各項性能與細(xì)度模數(shù)之間的關(guān)系，然而實際工程中對棄砂的精細(xì)篩分，特別是對黏粒的篩分費(fèi)時費(fèi)力，無法滿足工程需要。為此，將棄砂直接過1.25 mm篩，分別以100%、75%、50%的質(zhì)量比來代替原配方中的砂（漿液其他配方不變），從而改變砂的細(xì)度模數(shù)。調(diào)整漿液水膠比，尋找最優(yōu)的代替方案。試驗設(shè)計如表3所示。

表3 試驗設(shè)計Table 3 Test design

試驗發(fā)現(xiàn)B2、C2組與漿液原配方基本性能最接近，實測結(jié)果如表4所示。新配方漿液7 d強(qiáng)度均大于原配方漿液，泌水率小于原配方，各項性能均滿足施工要求。因此，將棄砂過1.25 mm篩后75%替換原漿液用砂，并調(diào)整水膠比為0.85，或50%替換原漿液用砂，調(diào)整水膠比為0.90，均能滿足工程要求。在南京緯三路過江通道施工過程中采用以上方案均滿足了掘進(jìn)需求。

表4 B2、C2組漿液與原漿液性能對比Table 4 Basic properties of B2 grout，C2 grout and original grout

4 工程應(yīng)用情況與經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 棄砂再利用情況

實際施工中，觀測了采用C2方案的漿液實際利用情況，發(fā)現(xiàn)采用棄砂配置的漿液，注漿效果良好，注漿壓力維持在0.4～0.8 MPa，泵送性能良好，未出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，單環(huán)注漿量32 m3，與原漿液相當(dāng)，脫出盾尾后未見漏水現(xiàn)象。因此，不調(diào)整膨潤土的含量，通過篩分去除大于1.25 mm的顆粒，并調(diào)整原漿液的水膠比，完全可以將棄砂用于壁后注漿漿液中。

4.2 棄砂再利用經(jīng)濟(jì)價值分析

漿液用砂單價為60元/t。計算參數(shù)為：盾構(gòu)外徑D1＝14.96 m，管片外徑D2＝14.5 m，環(huán)寬B＝2

5 結(jié)論與討論

m，注入率α＝150%，單環(huán)注入量為31.9 m3，還剩余1 200環(huán)，總注入量為4 785 m3。單環(huán)注入量按式（1）計算。按現(xiàn)用漿液配比中的砂量進(jìn)行估算，不考慮砂子運(yùn)輸成本和人工費(fèi)，按照B2方案進(jìn)行替換預(yù)計節(jié)約成本163.8萬元，按照C2方案進(jìn)行替換預(yù)計節(jié)約108.8萬元。因此，進(jìn)行盾構(gòu)棄砂回收具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

運(yùn)用室內(nèi)試驗和現(xiàn)場觀察，研究了南京緯三路過江通道棄砂在壁后注漿材料中的利用，得到了以下結(jié)論：

1）細(xì)度模數(shù)對壁后注漿漿液的基本性能有顯著影響，漿液用砂的細(xì)度模數(shù)越高，流動度、稠度、泌水率、體積收縮率越大，凝結(jié)時間越長，7 d強(qiáng)度越低。對于南京緯三路過江通道棄砂來講，宜使棄砂細(xì)度模數(shù)控制在0.75～1.08，水膠比為0.9，從而直接應(yīng)用于壁后注漿施工中。

2）南京緯三路過江通道項目產(chǎn)生的棄砂顆粒級配均勻，黏粒含量少（2%），81%的顆粒處在1.25 mm以下，可以在壁后注漿漿液配置中實現(xiàn)再利用。應(yīng)用方案為：過1.25 mm篩后75%替換原漿液用砂，并調(diào)整水膠比為0.85；或50%替換原漿液用砂，調(diào)整水膠比為0.9。

3）棄砂用于壁后注漿漿液的配制具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。就南京緯三路過江通道而言，余下的盾構(gòu)施工段，若75%替換原漿液用砂，預(yù)計可節(jié)省成本163.8萬元；若50%替換原漿液用砂，預(yù)計可節(jié)省成本108.8萬元。

砂的細(xì)度模數(shù)對漿液性能的影響在水泥砂漿的研究中常有報道，而壁后注漿漿液與水泥砂漿存在較大區(qū)別，明確這一問題對盾構(gòu)法施工具有一定的參考價值，然而本文并沒有對其影響機(jī)制進(jìn)行解釋。因此，在今后的研究中有必要從漿液水固比、孔隙分布等角度進(jìn)行影響機(jī)制的探討。

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Application of Waste Sand in Backfilling Grouting in Shielding Tunneling：Case Study on Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

CHEN Xikun1，ZHU Wei1，2，WANG Rui1，MIN Fanlu1，2，WEI Daiwei3

A large amount of waste sand is produced in shield tunneling and it is of great importance to study the recycling use of the waste sand in backfilling grouting.In the paper，the waste sand produced in the construction of Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing is classified into three grades with 1.652，1.096 and 0.773 fineness modulus respectively，backfilling grouts with different water/binder ratios are prepared by using the mentioned waste sand，the influence of the fineness modulus of the sand on the basic properties of the backfilling grout is studied，and suggestion is made on the application of the waste sand in the backfilling grout.Conclusions drawn are as follows：1）The higher the fineness modulus of the sand，the larger the fluidity，consistency，bleeding rate，volume shrinkage rate and setting time of the grout，and the lower the strength of the grout；2）Grout prepared with the waste sand of 0.75～1.08 fineness modulus and having 0.9 water/binder ratio can be directly used for backfilling；3）The following two waste sand recycling use schemes can be adopted for Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing：A）The sand in the original mixing proportion is replaced by the waste sand screened by 1.25 mm sieve，with 75%replacement ratio，and the water/binder ratio is adjusted as 0.85；B）The sand in the original mixing proportion is replaced by the waste sand screened by 1.25 mm sieve，with 50%replacement ratio，and the water/binder ratio is adjusted as 0.9.

waste sand；slurry shield；backfilling grouting；fineness modulus；Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.010

U 455

B

1672-741X（2015）11-1176-06

2015-06-12；

2015-07-27

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2015CB057803）；國家自然科學(xué)基金項目（51408191）；江蘇省疏浚與泥處理利用國家工程技術(shù)研究中心培育點(diǎn)（BM2013013）

陳喜坤（1989—），男，河南商丘人，河海大學(xué)巖土工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為巖土工程和盾構(gòu)施工。

（1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Ministry of Education，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；3.Nanjing Hohai Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210098，Jiangsu，China）