隧道棄土在隧道開挖階段中作為填充材料的應用研究

作者簡介：

杜 掀（1994—），碩士，工程師，主要從事巖土工程材料研究工作。

摘要：文章以隧道棄土為研究對象，針對隧道開挖輪廓后的空隙，利用正交表L16（44）通過改變水灰比、隧道棄土含量、十二烷基苯磺酸鈉含量、偏鋁酸鈉含量等參數條件，研究隧道開挖階段中填充材料的力學性能。結果表明：隧道開挖后空隙的輕質填充材料最佳配方建議水灰比為1.2，隧道棄土含量為80%，十二烷基苯磺酸鈉含量為5%，偏鋁酸鈉含量為1%，可以表現出良好的泵送性能、膠凝時間短、穩定性高（2 h泌水率為0）、收縮小（體積收縮率為0.7%）和硬化材料重量輕（干密度為1.19 g/cm3）等優點；隧道棄土可以作為一種輕質回填材料，用于填充隧道施工中開挖輪廓后的空隙，這種輕質填充材料不僅可以滿足工程要求，而且具有成本效益和生態友好性。

關鍵詞：隧道棄土；隧道；開挖；輕質填充材料

中圖分類號：U454.1文獻標識碼：A 30 102 3

0 引言

在我國各地的隧道建設過程中，數十億噸的隧道棄土（土壤和巖石）成為廢物。大量隧道廢棄物被遺棄或非法就地填埋。且隧道棄土會引發一系列施工和環境問題，例如非法棄土可能破壞生態環境，可能導致嚴重的地質災害（如滑坡、崩塌、泥石流等），同時隧道棄土長期暴露在外，容易造成空氣、土壤和地下水污染［1］。因此，隧道棄土再利用的可能性是一個重要而有意義的研究課題。

在路堤建設、填海項目、骨料加工和礦物加工等領域，工程師們投入了大量精力來利用隧道棄土。關于隧道棄土利用的研究已經證明了其具有較好的力學性能、低成本、環境友好的優點［2］。然而，隧道棄土尚未得到大規模利用，其應用范圍有待擴大。在隧道施工領域，隧道開挖輪廓后的空隙區可能是由大面積超挖引起的，且坍塌引起的空隙或空洞及溶洞，是困擾隧道項目行政監督的普遍問題之一［3］。

在現場施工過程中，由于某隧道區域特殊的地質條件，頂板坍塌、大變形、超限斷裂等現象較為普遍，導致開挖等高線后的空隙面積較大。此外，大量廢棄或就地填埋的隧道渣土也會帶來一系列施工和環境問題。除施工安全外，本項目的主要問題還包括隧道棄土的環境污染和高昂的處理成本，以及隧道開挖輪廓線后的空隙所需的大量填充材料［4-5］。政府要求采用經濟可行的方法，以更環保的方式處理隧道棄土并提供填充材料。受隧道棄土再利用研究的啟發，提出了一種將隧道棄土循環利用的方案，作為隧道開挖輪廓線后空隙的輕質填充材料。因此，如果能將排出的棄土作為填充材料的原材料進行再利用，這將成為一種有效的可持續做法，既能最大限度地減少對環境污染和隧道穩定性的不利影響，還能降低工程成本［6］。

基于此，本文以隧道棄土為研究對象，針對隧道開挖輪廓后的空隙，研制一種性能良好的輕質填料。首先提出了一種將隧道棄土作為輕質材料進行回填的框架，然后采用均勻設計試驗方法，研究和優化了新型輕質回填材料的制備方法以及成分和配方對其性能的影響。此外，基于微觀表征試驗的結果，提出了新型輕質回填材料的微觀結構機制。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料和試樣制備

試驗中使用的排放隧道土是從某隧道的廢棄土堆中收集的，其原位含水量為7.6%，濕密度為2.31 g/cm3，自由膨脹率為48%（見表1）。隧道泥土呈現出致密的片麻狀微觀結構，表面凹凸不平，泥土空隙中充滿了小顆粒。隧道泥土的主要礦物成分是石英、綠泥石和云母［7］。這些特征表明，排出的隧道土具有作為填充材料的優質骨料的潛力。十二烷基苯磺酸鈉為白色堿性物質，常用于制作輕質回填材料。偏鋁酸鈉為一種白色堿性物質，可顯著加速水泥的水化反應。

1.2 試驗方法

如表2所示，通過將各因素收集到正交表L16（44）中分析了各成分的用量對輕質回填材料性能的影響。表2中所有研究材料的用量范圍都是根據以往的填充工程經驗和多次初步試驗確定的。使用錐形模具來評估輕質回填材料的流動性。采用倒杯法測定輕質回填材料的凝膠時間。試驗按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T1346-2001）進行。滲水率和體積收縮率測試按照規范要求方法進行。輕質回填材料的干密度采用環剪法測定。28 d無壓強度（UCS）測量在數顯電子萬能試驗機（WDS-XD型）上進行，試驗按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005）標準進行。如表3所示為用于確定輕質回填材料特性的試驗方法和參考值［8］。

1.3 隧道棄土的回收利用原則

回收隧道棄土作為輕質回填原材料（LBM），用于回填隧道襯砌背后的空隙，是一種既環保又廉價的處理方法。在第一階段，人工清理廢土樣本中的雜質，并將土壤晾干，然后用破碎機對廢土樣本進行破碎（出料粒度lt;5 mm），其次通過篩分試驗確定棄土的細度模數（MX）。如果2.1lt;MXlt;3.2，則棄渣可用作輕質回填材料，用于填充隧道襯砌后的過斷層；如果MXgt;3.2或MXlt;2.1，則棄渣不能用于填充。在第三階段，將廢渣（2.1lt;MXlt;3.2）、水泥、十二烷基苯磺酸鈉、偏鋁酸鈉和水按適當比例混合，然后用攪拌器以1 000 rpm的轉速攪拌約5 min，以制備輕質回填材料。將廢渣作為輕質回填原材料進行回收利用，用于隧道襯砌后的過斷層填充以及其他類型的填充或灌漿。在現場應用中，作為回填材料的棄土由機械在地表進行破碎和制備，并通過垂直進料系統將輕質回填材料運送到儲料倉，經過泵送系統，將輕質回填材料直接泵送到隧道襯砌后面的過斷層填土處進行回填［9］。

2 結果分析

2.1 流動性和凝膠時間分析

如表3所示為LBM的流動性和凝膠時間值范圍。就流動性指標而言，最佳混合比為A4/B1/C4/D1，影響流動性的因素依次為水灰比、偏鋁酸鈉含量、十二烷基苯磺酸鈉含量和排出的隧道土含量，其重量比分別為58.36%、19.28%、15.42%和6.94%。對于凝膠時間指標，最佳混合料配比為A4/B4/C4/D1，影響延性的因素依次為十二烷基苯磺酸鈉含量、偏鋁酸鈉含量、水灰比和隧道棄土含量，其重量比分別為45.35%、26.46%、20.79%和7.41%。上述分析表明，水灰比對LBM流動性的影響最大，十二烷基苯磺酸鈉含量對LBM的凝膠時間有明顯影響，排出的隧道土含量對流動性和凝膠時間的影響最小，可以忽略其影響。

2.2 滲水率和體積收縮率分析

如表4所示為LBM的滲水率和體積收縮率范圍分析。在滲水率方面，最佳混合料配比為A1/B1/C1/D1，影響滲水率的因素依次為十二烷基苯磺酸鈉含量、水灰比、隧道棄渣含量和偏鋁酸鈉含量，其重量比分別為56.50%、42.37%、0.56%和0.56%。在體積收縮率方面，最佳混合比為A1/B3/C1/D1，影響體積收縮率的因素依次為十二烷基苯磺酸鈉含量、水灰比、隧道廢渣含量和偏鋁酸鈉含量，其重量比分別為38.98%、32.95%、12.76%和15.31%。上述結果表明，滲水率和體積收縮率的重要程度順序相同。與其他因素相比，十二烷基苯磺酸鈉含量和水灰比更為重要，偏鋁酸鈉含量的影響較小，而排出的隧道土含量在4項因素中的重要性最小。如表4所示。

2.3 微觀表征

如下頁圖1（a）所示為LBM的TG、DTG和DSC曲線圖。圖1（a）中的紅色曲線顯示了從35 ℃～1 050 ℃的TG分析結果。結果顯示，在35 ℃～250 ℃，重量損失約為4.1%；在250 ℃～415 ℃，重量損失約為2.3%；在415 ℃～510 ℃，重量損失約為1.5%。相比之下，在510 ℃～725 ℃，重量損失約為6.2%。當溫度gt;800 ℃時，重量損失lt;2%。上述結果的分析表明，在100 ℃～1 500 ℃，損失的部分質量與化學鍵水有關，而在500 ℃～700 ℃，損失的大部分質量與礦物（方解石和綠泥石）的分解有關。從DTG和DSC曲線可以看出，在140 ℃～180 ℃、460 ℃～500 ℃、680 ℃～740 ℃和740 ℃～780 ℃有4個放熱峰，分別與3CaO-Al2O3-CaSO4-12H2O和Ca（OH）2、十二烷基苯磺酸鈉、方解石以及綠泥石的分解有關。

通過XRD確定了LBM的化學結構和成分。XRF結果顯示，LBM的主要成分是無機物和有機物，其中O、Ca、Si、Al、Fe元素分別占試樣重量的46.50%、20.54%、12.02%、5.24%和2.59%，總計為86.89%。從圖1（b）可以看出，在2θ=21.00°、26.87°、36.83°、50.21°、59.85°和68.22°處，存在相對較強和較窄的衍射峰，這是石英的特征峰（9.7%）；2θ=17.83、33.57、46.52、51.26和54.33處的衍射峰相對較強、較窄，是方解石的特征峰（10.2%）；2θ=8.84、11.58和17.50處的衍射峰是云母的特征峰（7.1%）；2θ=23.31、29.56、36.11、39.23、42.68、47.12和48.36處的衍射峰為方解石的特征峰（23.4%）；2θ=3.21、12.42、18.22、25.07和46.03處的衍射峰可歸屬于綠泥石（8.5%）的XRD圖像；2θ=28.67、40.08和43.22處相對較小的衍射峰與長石（4.8%）的特征峰相符。

LBM較好的力學性能與微觀結構密切相關。如圖2所示為LBM的SEM圖像。SEM圖像顯示，斷裂表面完全致密，孔隙率低，有機相互連接，形成多孔團聚或團簇狀結構。且顆粒之間的結合力進一步增強，LBM的滲出能力降低，并且LBM的黏度增強。此外，由于固化過程中產生的CO2，LBM試樣中仍然存在許多不規則的小孔。進一步提高穩定性。因此，LBM具有以下特點：重量輕、強度高、穩定性好。

2.4 經濟和環境評估

通常，隧道開挖輪廓后空隙的填充材料成本已成為施工單位關注的問題，因為填充材料的成本直接影響其工程適用性。對于該項目，傳統水泥砂漿和LBM的平均注入率分別為120%和100%。根據當地原材料的市場價格（傳統水泥砂漿約為400元/m3，LBM約為300元/m3），該方法將隧道開挖輪廓后空隙的原材料成本降低了100元/m3。此外，考慮到隧道棄土的收集、運輸和處理成本（約60元/m3）。因此，將回收的隧道棄土作為隧道開挖輪廓后空隙的輕質填充材料，總成本每立方米減少120元。此外，隧道棄土的回收利用還可以減少對環境的影響：（1）減少灰塵、滲濾液（含火藥）和垃圾填埋場氣體的排放；（2）隧道棄土運輸至棄土場會將灰塵和滲濾液帶入道路；（3）減少碳排放。

為了驗證LBM的最佳配方（水灰比為1.2，排出的隧道土壤含量為80%，十二烷基苯磺酸鈉含量為5%，偏鋁酸鈉含量為1%），制備了新的LBM，并按照2 h的滲水率（0%）和體積收縮率（0.7%）遠低于工程的最低要求，LBM在30 min（22.5 mm）內保持良好的流動性；干密度為1.19 g/cm3，28 d抗壓強度達到3.75 MPa。此外，成本約為335元/m3，因此LBM是一種用于隧道襯砌后超挖填充的優質且廉價的材料。

3 結語

本文提出將回收隧道棄土作為回填材料，并通過室內試驗驗證其可行性，并對LBM的組成和配方的影響進行了表征，以按照根據相關施工現場要求找到LBM的最佳配比。主要結論如下：

（1）LBM原料豐富，成本低是一種環保的輕質灌漿材料，具有良好的可泵性、穩定性（2 h泌水率為0，體積收縮率為0.7%）和力學性能。這種輕質填充材料可用于隧道襯砌后的超挖填充，以避免高材料消耗和大體積收縮，如使用其他灌漿材料（如水泥漿和水泥砂漿）通常會遇到的挑戰。

（2）LBM的性能在很大程度上取決于其組成和配方。LBM的流動性、干密度和28 d UCS受水灰比的影響很大，而其凝膠時間、泌水率和體積收縮率主要取決于十二烷基苯磺酸鈉。LBM的推薦配方如下：水灰比為1.2，排出的隧道土壤含量為80%，十二烷基苯磺酸鈉含量為5%，偏鋁酸鈉含量為1%。

參考文獻

［1］滕文剛，李鵬程，任成飛.公路隧道二襯鋼波紋板混凝土復合結構力學性能分析［J］.公路，2023，68（7）：16-22.

［2］涂圣武，沈正偉.宜興至長興高速公路江蘇段隧道洞渣綜合利用研究［J］.江蘇建筑，2022（S1）：86-91.

［3］陳鑫磊，張學民，陳 進，等.基于碳排放評價的超小凈距隧道綠色施工優化研究［J］.中國公路學報，2022，35（1）：59-70.

［4］李元海，劉德柱，楊 碩，等.深部復合地層TBM隧道圍巖應力與變形規律模型試驗研究［J］.巖土力學，2021，42（7）：1 783-1 793.

［5］胡如盛.軟土含淺層氣地層盾構隧道施工風險及控制措施研究［J］.中國水運（下半月），2023，23（7）：134-136.

［6］王修領.軟弱隧道圍巖與結構協同作用特征模型試驗研究［J］.現代隧道技術，2023，60（3）：164-174.

［7］周 智.地鐵盾構隧道下穿既有高鐵橋數值模擬及實測施工影響分析［J］.城市軌道交通研究，2023，26（5）：140-144，150.

［8］何 喬，韓興博，鄧念兵，等.基于D-P條件等效的黏性土隧道開挖地層力學行為有限元分析［J］.同濟大學學報（自然科學版），2023，51（4）：506-512.

［9］宋伯一.山區高速鐵路隧道出渣利用原則的確定及影響分析［J］.工程技術研究，2023，8（3）：135-137.