风化岩层岩渣配制的盾构同步注浆浆液性能及微观形貌分析.pdf
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1、第 51 卷第 4 期2023 年 7 月河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of Hohai University(Natural Sciences)Vol.51 No.4Jul.2023DOI:10.3876/j.issn.10001980.2023.04.009摇 摇 基金项目:国家自然科学基金项目(52078189);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(B230201037)作者简介:王义盛(1983),男,高级工程师,主要从事盾构隧道研究。E鄄mail:312422586 引用本文:王义盛,赵小鹏,袁锐,等.风化岩层岩渣配制的盾构同步注浆浆液性能及微观形貌
2、分析J.河海大学学报(自然科学版),2023,51(4):65鄄71.WANG Yisheng,ZHAO Xiaopeng,YUAN Rui,et al.Analysis on performance and micro morphology of shield synchronous grouting slurrymade of weathered rock slagJ.Journal of Hohai University(Natural Sciences),2023,51(4):65鄄71.风化岩层岩渣配制的盾构同步注浆浆液性能及微观形貌分析王义盛1,赵小鹏1,袁摇 锐2,3,李鹏飞2,
3、3,姚占虎1,王登峰2,3,闵凡路2,3(1.中交隧道工程局有限公司,北京摇 100102;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室,江苏 南京摇 210098;3.河海大学土木与交通工程学院,江苏 南京摇 210098)摘要:为探索泥水盾构穿越风化岩层时产生的大量岩渣的再利用问题,依托南京和燕路过江通道工程,采用岩渣代替部分商品砂配制同步注浆浆液,并测试了浆液流动度、稠度、凝结时间、泌水率及强度等指标,分析了岩渣配制同步注浆浆液的性能及微观结构。结果表明:随着岩渣替换商品砂比例的增大,浆液流动度、稠度和泌水率逐渐降低,而凝结时间呈缩短趋势,1 d 抗压强度也逐渐增大;替换比例在 50%
4、85%时,浆液各项性能均满足工程施工要求,当替换比例为 85%时,浆液流动度、稠度与现场浆液接近,凝结时间从 10.6 h 缩短至 7.3 h,1 d 抗压强度增强了近 1 倍;岩渣中含有的高岭石相矿物在水中会电解出 Al3+,促进了浆液中 C鄄S鄄H 凝胶的形成,是促使浆液凝结时间缩短和抗压强度增大的根本原因。关键词:泥水盾构;同步注浆;风化岩层;岩渣;凝结时间;微观形貌中图分类号:U454摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10001980(2023)04006507Analysis on performance and micro morphology ofshield sy
5、nchronous grouting slurry made of weathered rock slagWANG Yisheng1,ZHAO Xiaopeng1,YUAN Rui2,3,LI Pengfei2,3,YAO Zhanhu1,WANG Dengfeng2,3,MIN Fanlu2,3(1.CCCC Tunnel Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100102,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai Un
6、iversity,Nanjing 210098,China;3.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)Abstract:In order to solve the problem of reusing a large amount of rock slag when the slurry shield passes through the weathered rockstratum,relying on the Nanjing Heyan road crossi
7、ng鄄river project,the rock slag is used to replace part of commercial sand to preparethe synchronous grouting slurry.The fluidity,consistency,setting time,bleeding rate and strength of the slurry are tested throughlaboratory tests,and the performance and micro morphology of shield synchronous groutin
8、g slurry made of weathered rock slag areanalyzed.The results show that:with the increase of the proportion of rock slag replacing commercial sand(denote as the replacingratio),the fluidity,consistency and bleeding rate of the slurry decrease,while the setting time shows a decreasing trend,and thecom
9、pressive strength gradually increases after 1 day.When the replacing ratio is 50%to 85%,all properties of the slurry can meet therequirements of engineering construction;when the replacing ratio of rock slag is 85%,the fluidity and consistency of the slurry areclose to those of the on鄄site slurry,th
10、e setting time is shortened from 10.6 h to 7.3 h,and the 1鄄day compressive strength is nearlydoubled.Kaolinite phase minerals contained in the rock slag will electrolyze Al3+in water,which promotes the formation of C鄄S鄄H gelin the slurry,and is the fundamental reason for shortening the setting time
11、of the slurry and increasing the compressive strength of theslurry.Key words:slurry shield;synchronous grouting;weathered rock strata;rock slag;setting time;micro morphology河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷近年来,泥水盾构工法以其高安全性和优越的压力控制模式在我国大型水下交通隧道工程中应用越来越多1鄄3。泥水盾构产生的大量废弃泥浆,经泥水处理系统处理后,粗颗粒被分离出来,剩余泥砂作为废弃渣土进行处理。
12、目前工程中废弃渣土常用的处理方式为外运填埋,这不仅占用了大量的土地资源,还易造成二次污染,对环境产生负面影响。此外,渣土本身就是一种资源,外运填埋的处理方式造成了极大的资源浪费。因此,如何实现大量废弃渣土的绿色处理及资源化利用成了工程中亟须解决的问题之一。盾构机掘进过程中,因其工法原理导致盾尾管片与地层之间存在 15 25 cm 的空隙,工程中通常会通过同步注浆的方式填充空隙,以减少地层沉降4。同步注浆浆液主要由水泥、粉煤灰等胶凝材料以及砂和水组成,其中砂的含量在 50%以上,是重要的组成成分。因此探究盾构渣土代替砂在同步注浆中的再利用具有一定的工程价值5。目前针对废弃渣土配制同步注浆浆液的研
13、究,主要是围绕废弃渣土用于配制同步注浆浆液的配比、性能优化和经济性分析等方面开展的。钟小春等6用南京长江隧道工程排出的未处理粉细砂部分替代商品砂,直接用于配制同步注浆浆液,所制浆液随着土砂比(粉黏粒与砂土干质量之比)的增大,浆液凝结时间增长。在南京纬三路过江通道工程中,陈喜坤等7鄄8将其粉细砂地层的渣土过筛处理后,部分代替商品砂配制同步注浆浆液,发现随渣土细度模数的增加,浆液凝结时间增长,但是在一定范围内可以满足工程要求。李雪等9将粉细砂地层中不同地段的 3 种不同盾构渣土用于替换同步注浆浆液中的商品砂,发现采用渣土替换商品砂所配制浆液的凝结时间普遍比原浆液的凝结时间长。此外,也有探讨利用黏土
14、地层渣土10和废弃泥浆11代替部分膨润土和水等材料进行同步注浆浆液配制的研究,但是用量一般都比较少,且会导致浆液凝结时间明显增长,浆液后期强度显著减小。综上所述,工程中采用渣土配制同步注浆浆液方面的研究较多,且大多数是针对废弃粉细砂配制同步注浆浆液开展研究的,但凝结时间相比现场浆液有所延长。本文依托南京和燕路过江通道工程,以泥水盾构穿越中风化角砾岩层所排出的岩渣替换一定比例的原同步注浆浆液中的商品砂,测试替换后的浆液流动性、凝结时间、强度等基本性质,探讨岩渣替换商品砂进行同步注浆浆液配制的可行性,并给出能够满足同步注浆要求的替换比例。1摇 工程概况南京和燕路过江通道位于长江大桥和长江二桥之间,
15、距离上游的长江大桥约 7.4 km,距离下游的长江二桥约 2.7 km。和燕路过江通道工程采用隧道方案穿越长江右汊(主江),主线工程全长约 5.725 km,其中隧道盾构段为 YK1+732.209 YK4+708.589,长约2976.38m,采用15.03m 的超大直径泥水盾构机修建,隧道外径为 14.5 m,内径为 13.3 m。盾构主要穿越强透水砂层、土 岩复合地层、全断面风化岩层(约 1 270 m,其中包含部分岩溶和断裂带)等多种复杂地层,进入全断面风化岩层后,将会产生大约 22.5 万 m3的岩渣。若按通常的外运弃置方式处理废弃岩渣,将造成一定的环境污染。盾构所排放的岩渣级配曲线
16、如图 1 所示,从图 1 中可以看出岩渣粒径小于 2 mm 的颗粒占 90%以上,颗粒级配较好,可以用于配制同步注浆浆液,对此开展废弃岩渣替换商品砂配制同步注浆浆液的研究。将岩渣用于配制同步注浆浆液不仅能够节省商品砂的购买费用,还可以解决岩渣堆放带来的环境问题。图 1摇 级配曲线Fig.1摇 Particle size distribution curve2摇 试验设计2.1摇 试验材料岩渣替换商品砂的同步注浆试验,采用以水泥、粉煤灰、商品砂、岩渣、水和添加剂(减水剂)为原材料的可硬性活性浆液进行注浆。同步注浆所用细砂经过洗砂、烘干后进行室内试验,水泥为海螺水泥厂 PO42.5 普通硅酸盐水泥
17、,粉煤灰为南京扬子粉煤灰公司生产的 F 类域级粉煤灰,减水剂为江苏苏博特新材料公司 PCA鄄玉聚羧酸减水剂,膨润土以蒙脱石为主要成分。本试验所用岩渣为盾构穿越中风化角砾岩地层施工产生的,地层中角砾岩呈紫红色夹灰白色,角砾状构造,以钙质胶结为主。66第 4 期王义盛,等摇 风化岩层岩渣配制的盾构同步注浆浆液性能及微观形貌分析角砾成分主要为砂岩、灰岩等,灰岩质量分数约为 30%50%。盾构机掘经此地层排出的废弃泥砂经旋流、振筛后得到岩渣,含水率 棕渣=23.45%。岩渣级配曲线如图 1 所示,岩渣不均匀系数 Cu=6.2,曲率 Cc=0郾 69,粒径小于 0郾 075 mm 的粉粒质量分数为 24
18、.5%,即含泥率 渍=24.5%。2.2摇 试验装置和方法为满足浆液在施工中的泵送能力、稳定性和注入空隙后尽快固结硬化等要求,需要测定浆液流动度、稠度、泌水率、凝结时间和抗压强度。同步注浆材料的抗压强度、稠度和凝结时间参考 JGJ/T 702009建筑砂浆基本性能试验方法标准12进行试验,流动度参考 GB/T 24192005水泥胶砂流动度测定方法13,泌水率测定参考 GB/T 500802002普通混凝土拌合物性能试验方法标准14以及 T/CECS 5632018盾构法隧道同步注浆材料应用技术规程15。图 2 是同步注浆浆液性能测试仪器,主要包括稠度仪、砂浆流动度测定仪、路面材料强度测试仪、
19、量筒、凝结时间测定仪等。图 2摇 同步注浆浆液性能测试仪器Fig.2摇 Performance test instruments of synchronous grouting slurry2.3摇 试验方案按照盾构隧道现场同步注浆材料及配比进行试验,测试浆液流动度、稠度、凝结时间、泌水率、抗压强度等各项性能参数,现场同步注浆浆液配比:水泥260g、粉煤灰190g、砂1100g、水340g、膨胀土80g、减水剂8g。表 1摇 同步注浆浆液性能指标及现场浆液基本性能Table 1摇 Performance index of synchronous grouting slurry andbasic
20、 performance of on鄄site grouting slurry场景流动度/mm稠度/cm凝结时间/h泌水率/%抗压强度/MPa1 d7 d工程要求逸26010 136 12臆3.5逸0.15逸0.50现场砂浆26512.310.63.50.382.82为满足盾构同步注浆的目的和施工工艺要求,同步注浆浆液需满足强度、流动性、凝结时间、泌水率和抗压强度等要求。根据工程地质条件、周边情况、注浆情况和工程经验等,同步注浆浆液的流动度、稠度、凝结时间、泌水率和抗压强度等一般需要满足的性能指标见表 16,16鄄19。岩渣替换商品砂配制同步注浆浆液试验在现场原始同步注浆配比的基础上,不计算岩
21、渣中泥(粒径小于 0.075 mm)的含量,将岩渣等质量替换原浆液中的商品砂和水,然后测试不同替换比例(替换比例为 10%100%,每组试验岩渣替换比例间隔 10%)浆液的性能。由于岩渣中的含泥量较高,使用其替换商品砂会增加浆液中的泥含量,从而导致浆液吸水性增加、流动性降低,因此将本试验中基于废弃岩渣配制的浆液的用水量均增加至 510 g。岩渣替换量计算公式为m渣=m砂(1+棕渣)(1-渍)(1)式中:m渣为岩渣质量;m砂为商品砂质量。3摇 试验结果与分析3.1摇 流动性流动度和稠度是衡量浆液泵送能力的指标20,当流动度、稠度较小时,注浆所需压力增大,不利于浆液在注浆管道内的泵送。流动度和稠度
22、与替换比例的关系如图 3 所示,由于使用岩渣替换商品砂试验配比相对于现场配比增加了用水量,水胶比增大,因此岩渣替换比例为 10%时的流动度和稠度比现场浆液有所增大。但随着替换比例逐渐增大,浆液中含泥量逐渐增加,流动度、稠度呈下降趋势,根据工程要求,流动度应大于260mm,稠度在10 13cm,因此,替换比例在30%85%可以满足流动度和稠度指标。替换比例在85%的浆液的流动度为260mm、稠度为11郾 8cm,与现场浆液接近。76河 海 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷图 3摇 替换比例与流动性的关系曲线Fig.3摇 Relation curve of fluidity wit
23、hreplacing ratio of rock slag3.2摇 泌水率同步注浆浆液泌水率是单位体积的浆液中固体颗粒下沉时与粒料分离所泌水体积的大小,是评价同步注浆浆液性能的重要参数之一,可以反映浆液的稳定性21。泌水率越小,表示浆液越稳定,反之,浆液越不稳定,在注浆过程中越容易发生堵管现象,因此,同步注浆浆液的泌水率越小越好。泌水率与替换比例关系如图 4 所示,由于使用岩渣替换商品砂试验相比现场浆液用水量增大,因此替换比例为 10%时相对现场浆液泌水率大幅度增加。但随着替换比例增大,泌水率呈现下降趋势。随着替换比例增大,浆液中含泥量增多,浆液整体孔隙率降低,水不易排出,进而泌水率减小。替换
24、比例大于50%时,泌水率小于 3.5%,满足同步注浆浆液泌水率要求,为图 4摇 替换比例与泌水率的关系曲线Fig.4摇 Relation curve of bleeding rate withreplacing ratio of rock slag满足浆液泌水率指标,替换比例应在 50%100%。3.3摇 凝结时间与抗压强度从盾构机掘进到管片脱出盾尾后,隧道管片在一定长度范围内就像两端固定的弹簧梁:一端受到盾尾的约束不能上浮,另一端受到已凝固水泥砂浆固体的约束也不能上浮22。如果管片脱出盾尾后(一般情况 2 环或 3 环),同步注浆浆液凝结时间过长,达不到一定的早期强度,隧道管片仍然可视为浸泡
25、在液体之中,在浮力的作用下必然会产生上浮现象。因此,凝结时间以及初期抗压强度对控制盾构隧道管片上浮具有十分重要的作用。浆液的凝结时间和抗压强度受水胶比、胶砂比、替换比例与水泥占比等因素影响,从图 5 可以看出,随着替换比例增大,凝图 5摇 替换比例与抗压强度及凝结时间的关系曲线Fig.5摇 Relation curve of compressive strength andsetting time with replacing ratio of rock slag结时间缩短,替换比例为 85%时,缩短至 7郾 3 h;1 d 抗压强度逐渐增大,3 d 和 7 d 抗压强度在替换比例为 10%5
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