CN111305855A - 一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，包括：在土压平衡盾构渣土中依次加入适量的固化材料、激活剂和水进行充分混合；待混合物形成能流动的状态时，将其浇筑于回填空隙中。将土压平衡盾构产生的“塑性流动”状态的渣土，利用其本身具有流动性的特点改性使其成为流动化回填土，既可以解决渣土处理处置的问题，又能解决狭小空间回填土密实性不好的问题。
Description
技术领域
本发明属于工程建设产生的废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法。
技术背景
近年来，随着国家基础建设的逐步推进，城市地铁建设工程全面展开，区间隧道掘进产生大量的渣土，由于运输和处置场地的限制，这些渣土的后续处理处置已成为城市地铁建设的难题之一。在工程废弃物处理方面，大多数城市仍然使用“堆置”的方法，因此需要较大面积的土地，并形成较多的“渣土场”。
城市地铁隧道建设广泛使用土压平衡盾构机进行掘进，这种施工方法是把地层扰动为“塑性流动状态”排出，因此产生的渣土都是半固相、具有流动性、高含水量的泥状物。这种渣土由于容易滴洒，运输比较困难；另一方面强度极低的盾构渣土进入渣土场，也给其边坡稳定性带来很大的隐患。因此很多盾构隧道工程都需要对盾构渣土进行固化/干化的预处理，降低含水率、提高强度后才能运出；土压平衡盾构工程也经常出现高含水率渣土在渣土坑内的积压，而影响工期的问题。因此“塑性流动状态”渣土的运输、临时堆放和最终处置已经成为城市地铁建设遇到的一大难题。
另一方面，在地铁车站建设、城市地下管网的建设中，经常遇到狭小空间需要使用回填土进行回填的工程。由于空隙、沟槽断面狭小，无法采用重型机械碾压，压实的效果很难保证，由此而产生地面、路面沉降、不平、甚至造成周围建筑物的开裂等问题。因此狭小空间需要回填土进行密实回填的工程广泛存在。
流动化回填土(Controlled low-strength material，简称CLSM)是一种具有流动性、可浇筑施工，并通过添加的固化材料胶结形成适宜强度的新型回填材料。一般情况下流动化回填土由水、水泥、粉煤灰、粗、细骨料组成，有时也有添加剂的流动性拌合物。CLSM在材料组成上与混凝土类似，但是由于其在强度方面的要求相对要低得多，因此能够使用的原材料也更加广泛。在配制原料的使用方面已经有采用矿渣、采石场粉尘、焚化底灰、高塑性粘土、管网开挖渣土、建筑废弃土等实例，但尚无使用土压平衡盾构渣土配制的技术方法和工程实例。因此，将土压平衡盾构产生的“塑性流动”状态的渣土，利用其本身具有流动性的特点改性使其成为流动化回填土，既可以解决渣土处理处置的问题，又能解决狭小空间回填土密实性不好的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，既解决盾构掘进渣土的处置问题，同时也满足狭小空间高质量回填土的需求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，包括：在土压平衡盾构渣土中依次加入适量的固化材料、激活剂和水进行充分混合；待混合物形成能流动的状态时，将其浇筑于回填空隙中。
浇筑于回填空隙中后，不需要进行碾压施工，待固化材料固化产生适宜的强度、渗透性和变形模量。
优选地，混入的固化材料为复合硅酸盐水泥32.5级，激活剂为聚羧酸，水为洁净的自来水。
在对盾构渣土的固化过程中，强度低且压缩性大是盾构渣土的主要特点，而本发明对盾构渣土的固化目的就是降低盾构渣土的压缩性并提高其强度。水泥土的强度提高来自于固化材料水化反应生成的水化产物与土颗粒之间的胶结填充，从而在土体中形成了稳定的支撑结构而使得固化土的强度提高。
研究显示水泥固化淤泥主要发生以下四种反应：
(1)水化反应
水泥接触到水分便会发生水化反应，水化反应是一种化学反应，是指水泥中的各种成分与水发生反应生成诸如水化硅酸钙(CSH)、水化铝酸钙(CAH)及水化铁铝酸钙等水化产物的过程，当反应物中含石膏时还会生成单硫铝酸钙(即通常所说的“钙矾石”)晶体。水化反应的主要反应方程式，如表1所示：
表1水泥水化反应方程式
(2)火山灰反应
淤泥的主要成分中包含铝酸盐和硅酸盐类粘土矿物，故水泥加入淤泥中后，淤泥中游离的二氧化硅和氧化铝会与水泥的水化产物氢氧化钙发生火山灰反应，生成更多的水化硅酸钙与水化铝酸钙等水化产物。
Ca(OH)2→Ca2++2OH-
Ca2++2OH-+SiO2→3CaO·2SiO2·2.5H2O
Ca2++2OH-+Al2O3→4CaO·Al2O3·13H2O
(3)离子交换
水泥水化反应生成氢氧化钙的同时会消耗大量水分并释放出热量，水化产物中的钙离子会与粘土矿物上结合的钠离子、钾离子进行吸附交换，置换出低价钠离子或钾离子，从而中和粘土表面的电荷，降低粘土表面的吸附水膜厚度，引起粘土颗粒絮凝。
(4)碳酸化反应
水泥水化产物中游离的氢氧化钙可与空气和水中的二氧化碳发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙。此反应能给水泥固化土带来一定程度的强度增加，但增加幅度很小且强度增长缓慢。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
优选地，混入的复合硅酸盐水泥和水的用量分别通过水固比和灰砂比确定，水固比为0.4～0.6、灰砂比为0.1～0.2，水固比为水与固体材料的干质量比，固体材料包括渣土和复合硅酸盐水泥；灰砂比为复合硅酸盐水泥与土压平衡盾构渣土的干质量比。
优选地，聚羧酸激活剂的掺量以复合硅酸盐水泥的质量百分比计算，即混入的聚羧酸激活剂的质量为混入的复合硅酸盐水泥质量的0.4％。
具体方法为：将称量好的土压平衡盾构渣土、复合硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌1min后，将聚羧酸激活剂加入其中，加入水混合后，再次湿拌1.5min后，即可制得混合物，待混合物的流动值为190-300mm时，将其浇筑于回填空隙中。
在流动化土的制备过程中，流动性和强度是评价土压平衡盾构渣土固化效果的重要指标。本发明以流动值对流动化土的流动性进行评价，土压平衡渣土的含水量、级配，制备过程中的用水量、水泥浆用量、外加剂都对流动化土的流动性产生影响。当土压平衡渣土含水率达到饱和时产生流动性，而在制备过程中通过增加水泥浆用量和用水量，都可以使流动化土的流动性增加。在对盾构壁后注浆体配比的研究中发现，增加用水量能提高浆液的流动性，同时粉煤灰作为浆液组分中的另一种重要的胶凝材料，提高粉煤灰的含量就意味着水泥等活性材料用量的减少，也能够提高浆液流动性，但增加用水量和粉煤灰含量都会降低浆液稳定性，使泌水率增大，收缩变形变大。而添加一定量的减水剂后，不仅能使浆液在其他条件相同的情况下提高流动性，且能有效改善浆液的和易性、泌水性，调节凝结硬化速度。含水率、材料本身的级配以及外加剂等都会影响材料的流动性。其中级配的影响主要存在于粒径范围较大的材料(如泥石流)，对于疏浚淤泥等以粉粒和粘粒为主的材料，基本不用考虑颗粒级配的影响。而水泥、磷粉、减水剂、矿粉及高吸水材料等外加剂本质上都是通过物理或化学方法改变了水分形态，从而对流动性产生影响。
本发明的有益效果在于：
本发明很好的解决了土压平衡盾构渣土量大、具有流动性且难以运输和处置的问题；土压平衡盾构渣土经过改性成为一种高质量的回填土，只需要在土压平衡盾构渣土中加入固化材料、激活剂和自来水制备成流动化土，即可用于回填，回填到空隙后，不需要进行碾压施工，待固化材料固化产生适宜的强度、渗透性和变形模量即将空隙回填完成，固化材料固化后的3d无侧限抗压强度达76kPa，28d无侧限抗压强度达128kPa，利用了土压平衡盾构渣土原有的塑性流动性解决了狭小空间回填土难以压实的问题。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如无特殊说明，本发明中所有百分配比含量，均以质量分数计。
本发明实施例中的土压平衡盾构渣土，取自济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。土压平衡盾构渣土的物理性质如表2所示。实验取渣土1400克，按配比加入复合硅酸盐水泥等。
表2土压平衡盾构渣土A的基本物理性质指标
| 含水率/％ | 密度/g·cm<sup>-3</sup> | 液限/％ | 塑限/％ | 有机质含量/％ |
| 20～50 | 1.8～2.3 | 25～35 | 15～25 | 0～5 |
将称量好的土压平衡盾构渣土、复合硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌1min后，将聚羧酸激活剂加入其中，加入水混合后，再次湿拌1.5min后，即可制得混合物，待混合物的流动值为190-300mm时，将其浇筑于回填空隙中。
实施例1
S1、取济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取上述土压平衡盾构渣土1400克，按照水固比为0.5、灰砂比为0.15的配比加入32.5MPa复合硅酸盐水泥171克和水393克，按照激活剂掺量为复合硅酸盐水泥的0.4％，即0.7克加入聚羧酸激活剂，形成塑性流动状态，即流动化土。
S2、测定其流动值为217.5mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表1所示。
表3：实例1试件强度
| 时间(天数) | 1 | 3 | 7 | 28 |
| 强度(kPa) | 65.0 | 225.0 | 432.0 | 722.0 |
通过表3可知，本实施例所得的改良土流动值良好，短时间能形成较高的强度，适合作为具有一定强度的填土材料使用。
实施例2
S1、取济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.53，灰砂比为0.15，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa复合硅酸盐水泥172克、聚羧酸激活剂0.7克、水432克搅拌均匀形成塑性流动状态。
S2、测定其流动值为259mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表4所示。
表4：实例2试件强度
| 时间(天数) | 1 | 3 | 7 | 28 |
| 强度(kPa) | 149.0 | 241.0 | 410.0 | 776.0 |
通过表4可知，本实施例所得的改良土流动值良好，短时间能形成较高的强度，适合作为具有一定强度的填土材料使用。
实施例3
S1、取济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.56，灰砂比为0.1，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa普通硅酸盐水泥114克、聚羧酸激活剂0.5克、水440克搅拌均匀形成塑性流动状态。
S2、测定其流动值为293.5mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表5所示。
表5：实例3试件强度
| 时间(天数) | 1 | 3 | 7 | 28 |
| 强度(kPa) | 32.0 | 130.0 | 205.0 | 362.0 |
通过表5可知，本实施例所得的改良土流动值良好，短时间能形成较高的强度，适合作为具有一定强度的填土材料使用。
实施例4
S1、将济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.4，灰砂比为0.2，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa复合硅酸盐水泥228克、聚羧酸激活剂0.9克、水285克搅拌均匀形成塑性流动状态，即流动化土。
S2、测定其流动值为214.5mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表6所示。
表6：实例4试件强度
| 时间(天数) | 1 | 3 | 7 | 28 |
| 强度(kPa) | 58.0 | 269.0 | 505.0 | 673.0 |
通过表6可知，本实施例所得的改良土流动值一般，但短时间能形成较高的强度，适合作为具有一定强度的填土材料使用。
实施例5
S1、将济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.6，灰砂比为0.1，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa复合硅酸盐水泥114克、聚羧酸激活剂0.5克、水490克搅拌均匀形成塑性流动状态，即流动化土。
S2、测定其流动值为298.5mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表7所示。
表7：实例5试件强度
| 时间(天数) | 1 | 3 | 7 | 28 |
| 强度(kPa) | 47.0 | 194.0 | 375.0 | 501.0 |
通过表7可知，本实施例所得的改良土流动值良好，短时间能形成较高的强度，适合作为具有一定强度的填土材料使用。
实施例6
S1、将济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.6，灰砂比为0.2，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa复合硅酸盐水泥228克、聚羧酸激活剂0.9克、水558克搅拌均匀形成塑性流动状态，即流动化土。
S2、测定其流动值为347mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表8所示。
表8：实例6试件强度
| 时间(天数) | 1 | 3 | 7 | 28 |
| 强度(kPa) | 51.0 | 194.0 | 413.0 | 631.0 |
通过表8可知，本实施例所得的改良土流动值良好，短时间能形成较高的强度，适合作为具有一定强度的填土材料使用。
实施例7
S1、将济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.4，灰砂比为0.1，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa复合硅酸盐水泥114克、聚羧酸激活剂0.5克、水240克搅拌均匀形成塑性流动状态，即流动化土。
S2、测定其流动值为203mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表9所示。
表9：实例7试件强度
| 时间(天数) | 1 | 3 | 7 | 28 |
| 强度(kPa) | 61.0 | 277.0 | 469.0 | 712.0 |
通过表9可知，本实施例所得的改良土流动值较好，短时间能形成较高的强度，适合作为具有一定强度的填土材料使用。
对比例1
S1、取济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.37，灰砂比为0.08，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa普通硅酸盐水泥92克、聚羧酸激活剂0.4克、水194克搅拌均匀形成塑性流动状态。
S2、测定其流动值为155mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表10所示。
表10：实例1试件强度
通过表10可知，本实施例所得的改良土流动值较差，28天强度较低，不适合作为具有一定强度和流动性的填土材料使用。
对比例2
S1、取济南地铁隧道R2号线任家庄-王府庄站隧道区间土压平衡盾构渣土，主要由原地层土经过盾构机刀头切削后形成的碎屑物质。由地质勘测报告可知，此段是上软下硬地层，软地层是粉质粘土，硬地层是风化闪长岩，故渣土主要成分是这类岩石和粘土破碎混合物，还混有施工时加入的膨润土、泡沫剂等。取该种渣土1400克，按照水固比为0.7，灰砂比为0.25，激活剂掺量为水泥的0.4％加入32.5MPa普通硅酸盐水泥285克、聚羧酸激活剂1.2克、水735克搅拌均匀形成塑性流动状态。
S2、测定其流动值为345mm。
S3、将S2制样，静置一天后脱模，测定其1、3、7、28天无侧限强度。
根据规范《GB-T50123-1999土工试验方案标准》，本实例得到的试件的力学性质如表11所示。
表11：实例2试件强度
通过表11可知，本实施例所得的改良土28天强度适中，但流动值较差，不适合作为具有一定强度和流动性的填土材料使用。
由实验可得，若水固比配比较大且灰砂比配比较大，如对比例2和实施例6，流动值都超出300mm，所以水固比配比不能超过0.6，灰砂比不能超过0.2，否则不利于现场的回填，后期流动化土固化强度也会大幅度降低；若水固比过低且灰砂比过低，如对比例1，流动值低于190mm，流动值过小，流动化土的流动性不强，不利于狭小空间密实回填，且在较短时间内容易固化，给施工带来诸多不便。
Claims (5)
1.一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，其特征在于，包括：在土压平衡盾构渣土中依次加入适量的固化材料、激活剂和水进行充分混合；待混合物形成能流动的状态时，将其浇筑于回填空隙中。
2.根据权利要求1所述的一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，其特征在于：固化材料为复合硅酸盐水泥32.5级，激活剂为聚羧酸，水为洁净的自来水。
3.根据权利要求2所述的一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，其特征在于：复合硅酸盐水泥和水的用量分别通过水固比和灰砂比确定，水固比为0.4～0.6，灰砂比为0.1～0.2，水固比为水与固体材料的干质量比，固体材料包括渣土和复合硅酸盐水泥；灰砂比为复合硅酸盐水泥与土压平衡盾构渣土的干质量比。
4.根据权利要求3所述的一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，其特征在于：聚羧酸激活剂的掺量以复合硅酸盐水泥的质量百分比计算，即混入的聚羧酸激活剂的质量为混入的复合硅酸盐水泥质量的0.4％。
5.根据权利要求4所述的一种使用土压平衡盾构渣土制造流动化回填土的方法，其特征在于：将称量好的土压平衡盾构渣土、复合硅酸盐水泥倒入搅拌机中干拌1min后，将聚羧酸激活剂加入其中，加入水混合后，再次湿拌1.5min后，即可制得混合物，待混合物的流动值为190-300mm时，将其浇筑于回填空隙中。
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