工業固廢充填材料在輸水隧洞圍巖超挖缺陷修補中的應用

杜 利

(遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 概述

在水利建設工程中，輸水隧洞居于十分重要的地位和作用，同時也面臨著諸多施工設計和技術方面的困難，特別是一些不良地質環境條件所引發的工程地質問題[1]。在輸水隧洞的開挖施工領域，雖然近年來預裂爆破和光面爆破等技術已經趨于成熟，但是受到部分輸水隧洞工程地質環境復雜等因素的制約，超挖問題仍舊難以避免[2]。在輸水隧洞超挖的情況下，其圍巖的輪廓線將變得極不規則，并導致支護結構幾何形態的變化，造成局部范圍內的斷面結構和工程設計差距較大[3]。因此，在輸水隧洞施工過程中出現超挖問題，就需要對其進行充填。在充填施工中，目前主要采用混凝土等傳統材料進行充填作業。但是，傳統充填材料與周邊圍巖巖體在材料性能上存在明顯的差異，因此兩者的協同變形能力較差，并不能充分發揮其高強度的優勢。另一方面，混凝土等傳統材料成本較高，特別是面臨超挖體積較大的斷面，材料成本的投入較大。因此，加大充填材料的試驗研究極為必要。

赤泥作為一種工業固廢材料一直沒有有效的資源化利用途徑，而露天堆放又會造成比較嚴重的環境污染。但是，赤泥的堿性較強，在水解過程中釋放的OH-可以有效激發粉煤灰的活性[4]。因此，研究和優化赤泥-粉煤灰充填材料的性能，并探討其在輸水隧洞超挖充填領域的工程價值，具有重要的經濟意義個生態價值。

2 充填材料試驗研究

2.1 試驗材料

此次研究中的充填材料以赤泥、粉煤灰和水泥作為膠凝材料，以尾礦砂作為骨料，以最大限度發揮工業固廢材料的價值和作用。其中，水泥材料為P.O42.5普通硅酸鹽水泥。赤泥為遼寧營口鑫泰鋁業有限公司在氧化鋁生產過程中排放出的拜耳法赤泥。對赤泥樣品進行XRF分析，結果顯示其中的結晶物質主要是高嶺土、硅酸鈉、赤鐵礦、石英和方解石等。尾礦砂來自遼寧阜新明大尾礦庫，為了減少水分可能對試驗結果的影響，試驗中采用干尾礦砂，其密度為1.83g/cm3，含水率為3.5%。粉煤灰為阜新市熱電廠生產，其細度為10.2%，密度為2.0g/cm3。

2.2 試驗方案

為了獲得充填材料的最佳配合比，研究中利用單因素試驗的方式進行優化，以抗壓強度作為評價指標[5]。試驗中選擇的三個因素為赤泥粉煤灰比、骨膠比以及濃度(摻合料總質量與包括水在內的混合料總質量的比值)。其中，赤泥粉煤灰比設置0.5、1.0、1.5、2.0、2.5等5種水平。骨膠比設計0.4、0.6、0.8、1.0、1.2等5種水平；濃度設計77%、78%、79%、80%、81%等5種水平。試驗中固定2個因素水平，試驗獲取第三個因素的最佳水平，最終獲取最佳配合比方案。

2.3 試驗方法

將赤泥和尾礦砂材料烘干到水分含量小于1%，然后將赤泥研磨到比表面積大于1000cm2/g。按照試驗設計的配合比將所有材料進行充分攪拌，將制成的漿體澆鑄成棱長為100mm的立方體試件。試件在室內環境下靜置48h拆模編號，然后在標準養護條件下養護至試驗規定齡期，并進行抗壓強度測試。

2.4 試驗結果分析

固定骨膠比0.8，濃度79%不變，對不同赤泥粉煤灰比方案的試件進行抗壓強度測試，其28d齡期抗壓強度變化曲線如圖1所示。

圖1 抗壓強度隨赤泥粉煤灰比變化曲線

由試驗結果可以看出，抗壓強度隨著赤泥粉煤灰比的增大呈現出先增大后減小然后急速下降的變化趨勢，其合理區間為0.1～1.5，而赤泥粉煤灰比為1.0時的抗壓強度值最大。因此，在配合比設計時選擇1.0的赤泥粉煤灰比。

固定赤泥粉煤灰比為1.0，濃度79%不變，對不同骨膠比方案的試件進行抗壓強度測試，其28d齡期抗壓強度變化曲線如圖2所示。

圖2 抗壓強度隨骨膠比變化曲線

由試驗結果可以看出，抗壓強度隨著骨膠比的增大呈現出先增大后近似線性減小變化趨勢，其合理區間為0.4～0.8，而骨膠比為0.6時的抗壓強度值最大。因此，在配合比設計時選擇0.6的骨膠比。

固定赤泥粉煤灰比為1.0，骨膠比為0.6不變，對不同濃度方案的試件進行抗壓強度測試，其28d齡期抗壓強度變化曲線如圖3所示。

圖3 抗壓強度隨濃度變化曲線

由試驗結果可以看出，抗壓強度隨著濃度的增大呈現出先增大后減小變化趨勢，當濃度為79%時的抗壓強度值最大。因此，在配合比設計時選擇79%的濃度。

根據上文試驗結果，確定填充材料的配合比方案為：赤泥粉煤灰比1.0；骨膠比為0.6；濃度為79%。

3 填充工程效果與評價

3.1 依托工程

某水庫新建輸水洞位于大壩右側，與原輸水洞平行布置。輸水洞主要由進口明渠、豎井、洞身段、明管段以及出口壓力箱構成，全長約255m。其中，洞身段為馬蹄型有壓隧洞，斷面尺寸為4.2m×4.0m。經前期的地質勘查，輸水隧洞所在地層存在較多的層狀巖分布，圍巖巖體的完整性較差，也別是S1+223～S1+562洞段圍巖等級為Ⅴ級，多小斷層、裂隙發育，施工中極易發生超挖。

3.2 計算模型

鑒于超挖部位、超挖深度和巖體屬性等諸多因素均會對現場試驗結果造成直接影響，因此填充效果評價利用現場試驗的方式進行會受到諸多不確定因素的影響，從而產生較大的誤差[6]?；诖耍舜窝芯坎捎脭抵的M的方式對其填充效果進行評價。

充分參考相關理論和工程經驗的基礎上，確定計算模型的左右兩側和底部各取5倍開挖洞徑，上部取至地表，縱向取6榀鋼拱架的距離，也就是6m[7]。超挖缺陷位于左拱肩部位，徑向深度1.2m，縱向深度1.0m，環向跨度2.0m。根據工程的初步設計資料，其初支鋼拱架為118型號，間距為1.0m，初支混凝土為C25噴射混凝土，厚度為20cm，開挖進尺為2m。在模型構建過程中，將開挖巖體土體和周邊圍巖視為實體單元，初支鋼拱架和錨桿視為梁單元，C25噴射混凝土為實體單元[8]。

在模擬計算過程中，將圍巖巖體視為各向同性材料，使用摩爾-庫倫準則。對模型施加位移邊界條件，其四周施加水平位移約束條件，底部施加水平和豎向2個方向的位移約束，上部為自由邊界條件，不施加位移約束。本文提出的填充材料參數通過試驗室試驗獲取，其余材料參數參考工程地質勘測資料和相關施工規范確定。

3.3 計算結果與評價

為了評價本文提出的充填材料的工程價值，在計算過程中以傳統混凝土材料和軟弱材料作為對比。對不同充填材料方案下充填部位中心點的豎向應力和位移進行模擬計算，結果見表1。

表1 豎向應力和位移計算結果

從計算結果可以看出，本文提出的充填材料和普通混凝土材料均可以有效減小超挖所造成的影響，而軟弱材料的適應則會增大應力和位移，特別是位移的增加幅度較大，因此不能用于超挖缺陷的充填。另一方面，本文提出的材料和普通混凝土材料相比，在控制應力和位移方面的效果比較接近并稍有優勢。

為了進一步分析材料的工程價值，利用有限元模型對不同充填材料能量分布進行計算。從計算結果可以看出，軟弱材料充填的情況下，充填材料部位的耗散能密度較大，達到了3.87×107J/m3，這對圍巖穩定極為不利。普通混凝土材料充填后的耗散能分布不均，缺口部位的耗散能降低，其下部1.5m部位的耗散能密度較大，為1.86×105J/m3；本文材料填充后的耗散能分布較為均勻，最大耗散能為1.78×105J/m3。由此可見，本文提出的填充材料效果更優。

4 結語

在地下洞室工程施工過程中，圍巖超挖是經常出現的問題，而采取合理的填充材料對保證工程順利進行和運行安全具有重要意義?；诖?，此次研究提出了基于赤泥和粉煤灰的新型填充材料，并利用室內試驗的方式確定其最佳配合比，并利用數值模擬的方式探討了其工程應用價值，可以為相關工程建設和理論研究提供一定的支持和借鑒。當然，此次研究中的配合比優化設計僅依靠抗壓強度這一指標展開，在后續研究中還需要考慮抗折強度、工作性能和耐久性等指標的影響。另一方面，數值模擬雖然具有其優勢和價值，但是其具體的工程效果如何還有待工程實踐的進一步檢驗。