16 m級盾構始發筑島圍堰湖相淤泥原位固化試驗研究

宋相帥,何 源,韓曉明,許 超

(1.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040; 2.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心,湖北 武漢 430040; 3.中交(南京)建設有限公司,江蘇 南京 211899)

0 引言

為緩解城市公路交通壓力,穿越城市內湖的雙向多車道超大直徑盾構隧道數量日益增多。受限于城市有限的施工場地,湖域筑島圍堰盾構始發逐步被采用。城市內湖因行洪、排污需要,加之人類活動大量的污水、廢物排入,在水流速度較慢及長時間生物作用下,形成了各具特色的湖海相淤泥。筑島圍堰盾構始發時堰內淤泥處理成為重點研究的課題,如何優選固化工藝、保證淤泥固化效果是科研工作者亟需解決的難題。

為提升淤泥固化效果、實現淤泥綠色化處理,大多學者依靠室內試驗研究新型固化劑材料、固化劑特性或機制等。例如:已有學者針對不同淤泥特性及固化土應用需求,研究了木鈣減水劑對淤泥固化土流動度的影響[1]、菌渣改良淤泥固化土[2]、改性β-半水磷石膏固化含鉛淤泥的性能[3]、CSFG-FR協同作用改良淤泥固化土[4]、秸稈纖維改良疏浚淤泥[5]等。部分學者在研究新型固化劑的同時,同步開展固化劑成分對淤泥固化效果的室內試驗,例如:Wu等[6]研究了采用離子土壤穩定劑和水泥處理海洋淤泥的固化效果及機制; Dong等[7]研究了低摻量水泥-工業廢渣固化淤泥的特性及機制; 王東星等[8]分析了氯氧鎂水泥固化淤泥的力學特性及微觀機制。在室內試驗研究的基礎上,淤泥原位固化應用多以海相淤泥、內河淤泥整治為主,例如:吳曉翔等[9]、Wu等[10]、馮忠民[11]、丁健等[12]、楊俊釗等[13]以海域項目為背景,研究了固化劑應用于海相淤泥的固化效果,并開展了相關室內外試驗。相比海港碼頭淤泥,城市內湖淤泥因長時間遭受城市內洪、排污等影響,淤泥腐殖質、重金屬等成分復雜多樣,且為降低城市內湖污染,對固化劑的適應性要求極高。宋丁豹等[14]、王瑞彩等[15]、何俊等[16]以城市內河清淤疏浚工程為背景,開展城市內河淤泥固化劑適配性分析,探究淤泥固化技術在工程中的適用性。城市內河清淤疏浚工程對淤泥固化后固化土的地基承載力要求不高,多以滿足水文生態修復、補償要求為主,關于研究地基承載力的淤泥固化試驗尚少; 此外,室內試驗與現場試驗田試驗效果往往存在較大的差異,采用室內試驗研究固化劑成分配比、固化劑質量分數及固化工藝等對現場應用的指導意義有待進一步提高。

本文依托武漢兩湖隧道(南湖段)PPP項目3標南湖圍堰淤泥固化工程,基于堰內2次不同試驗田淤泥深層攪拌固化,開展不同固化劑成分配比、固化劑質量分數、噴攪工藝及浮淤對淤泥原位固化效果的影響試驗,通過輕型動力觸探試驗、固化翻漿層厚度測試明晰試驗田淤泥加固效果,以獲取最佳固化劑質量分數及固化工藝,以期研究結果為本工程及類似工程淤泥固化提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢兩湖隧道(南湖段)PPP項目3標在南湖內圍堰筑島進行16 m級泥水盾構“懸湖”始發和試掘進,盾構始發筑島圍堰穿湖效果如圖1所示。盾構穿越圍堰內湖底表層淤泥后進入南湖水體,因此需對圍堰內淤泥進行原位固化作業,以滿足“幾”字形淤泥固化區域盾構始發、匝道施工作業要求。最大吊裝約600 t,對淤泥固化區域質量要求極高。根據設計要求,淤泥層下土層的加固深度不小于0.5 m,加固后淤泥土7 d地基承載力fak≥100 kPa[17],28 d地基承載力fak≥120 kPa,且固化土無側限抗壓強度不隨齡期而降低。

圖1 盾構始發筑島圍堰穿湖效果

1.2 水文地質情況

筑島圍堰內水域范圍表面為〈1-3〉淤泥層,飽和、流塑、高壓縮性、高觸變性,富含有機質,平均厚度為2.3 m,平均重度為15.4 kN/m3,淤泥最大含水率為75.7%,平均天然含水率為62.5%。淤泥表現為湖相淤泥特性[18],其主要物理力學指標見表1。取圍堰內淤泥為試驗對象,淤泥各項基本指標的測試方法參照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》。

表1 南湖堰內淤泥工程地質特征及物理力學指標

2 固化劑適應性選擇

2.1 原材料

2.1.1 湖相淤泥

試驗研究所用淤泥為兩湖隧道(南湖段)PPP項目3標南湖圍堰內的湖底淤泥。對淤泥進行室內理化測試,實測天然含水率為62.8%,有機質質量分數為6.8%,成分測試結果見表2。淤泥土工試驗主要物理指標見表3。由分析可知,南湖淤泥主要礦物成分為硅酸鹽,淤泥液限和塑性指數偏高,有機質質量分數偏高。根據土工分類,南湖淤泥為高液限有機質黏土,淤泥強度低,需經過固化穩定處理提升其承載能力。

表2 南湖堰內淤泥主要化學成分占比

表3 淤泥土工試驗主要物理指標

2.1.2 固化劑

試驗采用的固化劑為專用復合固化材料,主要針對高含水有機質淤泥的原位固化,其主要組成見表4。

表4 復合固化劑主要組成

2.2 試驗過程

首先,取圍堰內淤泥進行固化劑適配性分析,每個試驗塊尺寸為1 m×1 m×1 m,以2個試驗塊為1組試驗單元,共設置5組試驗單元,依次進行不同質量分數固化劑(6%、8%、10%、12%、15%)實驗室試驗,每組試驗單元中2個試驗塊進行不同固化劑配合比試驗(m水泥∶m工業廢渣分別取7∶3、6∶4,固化外加劑質量分數為0.5‰),試驗塊劃分情況如圖2所示。固化劑和水在現場集中拌和,形成漿液,并由試驗注漿系統、噴漿管輸送至攪拌頭噴嘴。原位固化處理采用邊固化、邊推進形式,現場施工時按5 m×5 m施工區塊進行細部控制,在固化處理深度范圍內上下垂直進行多次攪拌作業,并控制下降與提升的速率,保證漿體與淤泥攪拌均勻。待試驗塊固化淤泥養護到試驗要求的齡期(7、14、28 d)后,采用輕型動力觸探進行地基承載力檢測。選擇相對適宜質量分數和配比的固化劑進行不同固化外加劑質量分數影響試驗,尋求經濟合理、性能達標的固化外加劑質量分數,同時在各組分最優摻量條件下探索齡期對淤泥固化強度的影響。

圖2 試驗塊劃分情況

2.3 試驗結果分析

2.3.1 固化劑質量分數和配比對地基承載力的影響分析

不同固化劑質量分數和配比對固化淤泥7 d地基承載力的影響如圖3所示。由圖可知:1)隨著固化劑質量分數的增加,固化淤泥的7 d地基承載力呈現逐步增加的趨勢。設計要求固化淤泥7 d地基承載力fak≥100 kPa,當固化劑質量分數不低于10%時,固化淤泥7 d地基承載力滿足設計要求; 當固化劑質量分數低于10%時,固化淤泥7 d地基承載力遠低于設計要求,這是因為固化劑質量分數過低,淤泥中的有機質會充分限制固化劑與微顆粒之間的膠結作用,同時在高含水狀態下,顆粒間溶液中的離子濃度不足以析出形成有效接觸的晶簇或膠凝體,從而不能形成完整的固結體,導致固結體強度不足。2)水泥和工業廢渣質量比分別為6∶4和7∶3時固化淤泥7 d地基承載力相差不大,說明工業廢渣不能顯著提升固化淤泥的早期強度。

圖3 不同固化劑質量分數和配比對固化淤泥7 d地基承載力的影響

2.3.2 固化外加劑對地基承載力的影響分析

選取固化劑質量分數為10%、m水泥∶m工業廢渣=6∶4進行不同質量分數固化外加劑試驗研究,試驗結果如圖4所示。由圖可以看出,隨著固化外加劑質量分數的增加,固化淤泥7 d地基承載力逐漸提升,當固化外加劑質量分數達到1.0‰時,固化淤泥7 d地基承載力達到100 kPa以上。微量固化外加劑的復摻會顯著提升固化淤泥的強度,這是因為固化外加劑能與淤泥膠體顆粒表面的反離子層發生陽離子交換反應,固化劑稀釋液中部分K+、Na+離子被淤泥土截獲吸附,黏土顆粒表面的Ca2+、Mg2+離子被析出,使擴散層厚度變薄,ζ電勢降低,黏土膠體顆粒聚結,提高了土顆粒之間的聯結強度和穩定性,從而達到土壤改性加固的目的。

圖4 固化外加劑質量分數對固化淤泥7 d地基承載力的影響

2.3.3 齡期對地基承載力的影響分析

選擇固化劑質量分數為10%、m水泥∶m工業廢渣分別為7∶3和6∶4,固化外加劑質量分數為1.0‰進行齡期對地基承載力的影響分析,結果如圖5所示。由圖可知,隨著齡期的增加,固化淤泥的地基承載力呈增大趨勢。同時,相較于m水泥∶m工業廢渣=7∶3,m水泥∶m工業廢渣=6∶4時固化淤泥的后期地基承載力更高,這是因為工業廢渣中礦物質參與二次水化反應,在反應過程中吸收大量的CSH晶體,硅酸三鈣、硅酸二鈣的水化反應加快,膠凝材料與淤泥界面黏結強度得到改善,同時填充淤泥顆粒之間的空隙,提升固化淤泥密實度,從而提升固化淤泥強度。

圖5 不同齡期下固化淤泥的地基承載力

2.3.4 試驗小結

經過多次試驗塊對比試驗,初步驗證了主要成分為水泥、工業廢渣及固化外加劑的固化劑固化淤泥的可行性,同時初步確定了固化劑中m水泥∶m工業廢渣=6∶4、固化外加劑質量分數為1‰時具有較好的淤泥固化效果。

3 淤泥原位固化工藝

淤泥原位固化技術在固化深度不大時具有良好的固化效果,考慮工期需求、固化質量,采用強力攪拌設備進行淤泥原位固化作業,經過強力攪拌設備快速曝氣攪拌淤泥,使淤泥快速達到預期固化強度。淤泥原位固化配套系統如圖6所示。

圖6 淤泥原位固化配套系統

固化劑質量分數控制后臺采用智能化控制平臺設計,以固化劑不同成分質量控制為基礎,重力傳感器輔助決策控制固化劑質量分數。

固化劑采用濕拌漿液注入形式,注漿設備采用SW-250雙液注漿泵進行固化劑注入,1臺注漿泵供應2臺固化設備。試驗田淤泥固化采用挖機改裝浮挖設備(如圖7所示),挖機挖斗改裝為5 m長的Γ形刀片攪拌頭設計(如圖8所示),解決傳統攪拌頭易結泥餅、攪拌不充分的問題,通過Γ形刀片正反旋轉切割破壞淤泥結構,提升固化劑與淤泥攪拌的均勻性。

圖7 挖機改裝浮挖設備

圖8 Γ形刀片攪拌頭

4 淤泥固化現場試驗設計

為探究南湖筑島圍堰內淤泥固化工藝及最佳的固化劑質量分數,開展淤泥固化現場二次試驗研究。將現場淤泥固化區域進行分塊,采用單因素控制法進行單因素影響分析,試驗田分塊示意如圖9所示。設置不同固化劑配比、固化劑質量分數、攪拌工藝等正交對比試驗田,各試驗田間設置間隔小塊(圖中陰影),避免相鄰試驗田間相互干擾。

圖9 現場淤泥試驗田分塊示意圖(單位:m)

4.1 固化劑配比

本工程淤泥固化劑主要成分為固化劑小料、水泥。為確定不同固化劑成分配比對淤泥原位固化效果的影響,在不清淤的前提下,定義固化劑小料質量(工業廢渣與外加劑)與水泥質量的比值為固灰比,設置固灰比分別為3∶7、4∶6,開展試驗田淤泥固化試驗研究,結果如圖10所示。

圖10 不同固灰比下固化劑質量分數對7 d地基承載力的影響曲線

由圖10可知:1)在設計要求7 d地基承載力為100 kPa的條件下,固灰比為4∶6時的7 d地基承載力高于固灰比為3∶7時的7 d地基承載力。2)當固化劑質量分數小于12%時,固灰比為4∶6與固灰比為3∶7時的7 d地基承載力相差不多; 但當固化劑質量分數高于12%時,固灰比為3∶7時的7 d地基承載力明顯降低,表明此時增加固化劑質量分數對淤泥整體強度提升無益。由此可判斷針對本地層固化劑質量分數應控制在12%以內,且考慮到現場淤泥固化場地的使用需求,固化淤泥土達到早強效果,選擇固灰比為4∶6在本工程推廣使用。

4.2 固化劑質量分數

將固化劑質量分數定義為固化劑混合料與淤泥土質量之比。在進行試驗田固化試驗時,將固化劑混合料充分攪拌均勻,設置其質量分數分別為6%、8%、10%、10.5%、11%、12%及15%進行試驗分析,采用4攪4噴固化工藝,固灰比取4∶6,結果如圖11所示。

圖11 固化劑質量分數對7 d地基承載力及翻漿層厚度的影響曲線

由圖11可知,固化劑質量分數小于等于10%時,7 d地基承載力小于100 kPa,無法滿足設計需求; 固化劑質量分數在11%時,7 d地基承載力大于100 kPa,且固灰比為4∶6時,7 d地基承載力隨著固化劑質量分數的增加而增大,同時隨著固化劑質量分數的增加,固化翻漿層厚度增加。采用中值法求解固化劑質量分數,最終確定固化劑質量分數為10.5%,此時7 d地基承載力為121 kPa。

4.3 浮淤處理

圍堰內表面浮淤富含腐殖質、重金屬等物質。為研究上層浮淤對淤泥固化效果的影響,開展清浮淤、不清浮淤情況下固化淤泥的對比試驗,固化劑質量分數取10.5%,固化劑配比為6∶4,采用4攪4噴固化工藝。浮淤清理與否對7 d地基承載力及翻漿層厚度的影響如圖12所示。

圖12 浮淤清理與否對7 d地基承載力及翻漿層厚度的影響

對比清浮淤與不清浮淤情況下試驗田固化淤泥的7 d地基承載力及翻漿層厚度可知,清浮淤情況下固化淤泥7 d地基承載力為135 kPa,與不清浮淤情況下7 d地基承載力124 kPa相差不大,兩者翻漿層厚度差異為4 mm。考慮到現場淤泥無垃圾等雜質,經過綜合評定認為不清浮淤能滿足現場淤泥固化效果需求。

4.4 淤泥固化噴攪次數

將淤泥固化工藝噴攪次數定義為攪拌頭一上一下為“2攪2噴”。為探究不同噴攪次數下的淤泥固化效果,且在相同試驗田內確保淤泥固化效果,設定單塊試驗田固化劑用量一致,設定固化劑質量分數為10.5%、固灰比為4∶6的條件下,對 “2攪2噴”、“4攪4噴”及“6攪6噴”工藝下的固化效果進行分析,結果如圖13所示。

圖13 固化噴攪次數對7 d地基承載力及翻漿層厚度的影響

通過對比不同噴攪工藝下單塊試驗田攪拌效果可知,在滿足7 d地基承載力不小于100 kPa的情況下,翻漿層厚度隨著噴攪次數的增加而減小,主要原因是在固化劑用量相同的情況下,“2攪2噴”在一次上、下噴攪懸停的時間長于其他噴攪工藝,噴漿管口固化劑漿液順著攪拌樁流向地面導致翻漿量增加,使固化劑混合漿液利用率降低。受限于噴攪次數對淤泥土切削、擾動的頻率,“2攪2噴”切削效果弱于“4攪4噴”、“6攪6噴”; 而“4攪4噴”和“6攪6噴”均能實現理論摻量全部噴入地層。考慮到固化同等區域“6攪6噴”工藝上下攪拌頻繁,對作業人員工作強度要求較高,對比整體工效及固化效果,綜合選擇“4攪4噴”工藝。

4.5 現場應用經濟效益

本文通過室內試驗確定固化劑種類、通過現場試驗確定固化劑配比及固化工藝后,確定推廣應用的淤泥固化工藝參數為:浮淤不清理,固化劑質量分數為10.5%,采用4攪4噴工藝,固化劑供漿按6 min/盤,供漿流量為160～170 L/min,單臺攪拌設備2 h加固淤泥90 m3。

項目部在確保地基承載力滿足要求的情況下,完成了約20萬m2淤泥的原位固化作業,減少固化劑材料費約424萬元,減少機械人工費約159萬元,共計為項目提升經濟效益達583萬元。

5 結論與建議

本文以武漢兩湖隧道(南湖段)3標圍堰淤泥固化為背景,開展了湖相淤泥固化劑適配性試驗,并探究了不同固化劑成分配比、固化劑質量分數、噴攪工藝及浮淤影響淤泥原位固化效果現場試驗,通過輕型動力觸探試驗、固化翻漿層厚度測試明晰試驗田淤泥加固效果,主要結論如下。

1)湖底高含水率淤泥處置采用浮箱履帶式強制曝氣淤泥原位固化設備進行淤泥固化高效可行,為城市湖底、河底場地處理的可行工法。

2)針對復雜的城市內湖湖相淤泥,通過在實驗室內進行固化劑適配并進行現場驗證可知,固化劑能夠滿足淤泥固化技術、經濟和環保要求。選取m水泥∶m工業廢渣=6∶4、固化外加劑質量分數為1‰、固化劑質量分數為10.5%的固化劑處理本工程特性淤泥,效果較好。

3)淤泥固化工藝對淤泥固化效果、工效和成本具有直接影響,在深3.5 m、平均含水率達到60%以上的淤泥層采用“4攪4噴”工藝合理,可以減少固化翻漿浪費且加固均勻,7 d地基承載力指標滿足不小于100 kPa的要求。

基于室內、現場試驗及武漢南湖約20萬m2深厚淤泥層固化實踐,淤泥含水率及無機物成分對固化劑組配和用量影響顯著,建議考慮采用豎向排水體真空預壓排水或輕型井點降水等技術來降低城市內湖、內河、灘涂和塘池等復雜組分淤泥的含水率,再進行固化處置,能大幅減少固化劑摻量并提升淤泥固化工效,對綠色施工和經濟效益有著較大的正向效應,也是未來淤泥固化的研究方向之一。