都市快轨交通

土层	重度/( )	含水率1%	液限/%	塑限/%
①3 素填土	19.2	30.7	37.5	20.5
③1 黏土	20.0	25.7	41.2	20.6
③2 粉质黏土	19.2	29.5	31.4	19.6
③3 粉质黏土夹粉砂	19.6	29.5	28.2	20.3
④2 粉砂	20.0	24.3	-	-
⑤1 粉质黏土	19.2	18.2	32.2	19.4
⑥1 黏土	20.2	15.1	36.6	19.0

土层	重度/( )	含水率1%	液限/%	塑限/%
①3 素填土	19.2	30.7	37.5	20.5
③1 黏土	20.0	25.7	41.2	20.6
③2 粉质黏土	19.2	29.5	31.4	19.6
③3 粉质黏土夹粉砂	19.6	29.5	28.2	20.3
④2 粉砂	20.0	24.3	-	-
⑤1 粉质黏土	19.2	18.2	32.2	19.4
⑥1 黏土	20.2	15.1	36.6	19.0

地层类型	配合比	6~8 h 贯入强度/MPa	抗压强度/MPa	流动度/ mm
泥浆	水泥	ZDT- I	ZDT-II	7 d	28 d
淤泥质土地层	1 400	100	0	0	0.11	0.06	0.50	170
1 400	100	10	0	0.20	0.21	0.52	170
1 400	100	5	5	0.22	0.27	0.59	170
1400	50	10	10	0.27	0.38	0.72	175
1 400	100	5	15	0.59	0.62	1.02	175
1400	100	10	20	0.75	0.79	1.15	175
粉质砂土地层	920	80	0	0	0.21	-	0.49	170
966.5	30	2.5	1	0.37	-	0.63	175
913.7	80	2.5	3.8	0.76	-	1.62	175
837	150	3	10	0.94	-	1.95	170
824	150	6	20	1.37	-	2.47	170
774	200	6	20	1.85	-	3.02	170
黏质土地层	1000	100	0	0	0.14	0.327	0.425	150
1000	75	1.6	0	0.26	0.527	0.698	150
1000	100	1.6	8	0.59	0.709	1.095	150
1000	100	1.6	15	0.74	0.988	1.416	150
1000	150	1.6	15	0.83	1.216	1.736	150

地层类型	配合比	6~8 h 贯入强度/MPa	抗压强度/MPa	流动度/ mm
泥浆	水泥	ZDT- I	ZDT-II	7 d	28 d
淤泥质土地层	1 400	100	0	0	0.11	0.06	0.50	170
1 400	100	10	0	0.20	0.21	0.52	170
1 400	100	5	5	0.22	0.27	0.59	170
1400	50	10	10	0.27	0.38	0.72	175
1 400	100	5	15	0.59	0.62	1.02	175
1400	100	10	20	0.75	0.79	1.15	175
粉质砂土地层	920	80	0	0	0.21	-	0.49	170
966.5	30	2.5	1	0.37	-	0.63	175
913.7	80	2.5	3.8	0.76	-	1.62	175
837	150	3	10	0.94	-	1.95	170
824	150	6	20	1.37	-	2.47	170
774	200	6	20	1.85	-	3.02	170
黏质土地层	1000	100	0	0	0.14	0.327	0.425	150
1000	75	1.6	0	0.26	0.527	0.698	150
1000	100	1.6	8	0.59	0.709	1.095	150
1000	100	1.6	15	0.74	0.988	1.416	150
1000	150	1.6	15	0.83	1.216	1.736	150

浆液类别	28d 标准养护强度/ MPa	28d 水溶蚀养护强度/MPa	强度损失率1%	28d 潮湿土养护强度/MPa
传统单液浆	2.6	2.3	13	2.7
淤泥土盾构浆液	1.2	1.1	6	1.4
粉砂土盾构浆液	1.6	1.5	5.6	1.9
黏土盾构浆液	1.5	1.4	5.2	1.7

浆液类别	28d 标准养护强度/ MPa	28d 水溶蚀养护强度/MPa	强度损失率1%	28d 潮湿土养护强度/MPa
传统单液浆	2.6	2.3	13	2.7
淤泥土盾构浆液	1.2	1.1	6	1.4
粉砂土盾构浆液	1.6	1.5	5.6	1.9
黏土盾构浆液	1.5	1.4	5.2	1.7

序号	名称	体积、型号	备注
1	小型挖机	30型, ${0.15}{\mathrm{\;m}}^{3}$	采用挖机上料
2	斗提式上料机	${0.6}{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${7.5}\mathrm{\;{kW}}$	碳钢, 两层防腐
3	卧式搅拌机	$5{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${22}\mathrm{\;{kW}}$	碳钢, 防腐, 大开口, 选配格栅
4	振动脱水筛	$5 \sim {20}\mathrm{t}/\mathrm{h}$ , 功率 2 × 7.5 kW	含密闭下料槽,检修孔等
5	储浆池	${20}{\mathrm{\;m}}^{3}$	碳钢, 内外防腐两层, 含曝气管道和头等
6	空压机	7.5 kW	含储气罐、防止泥浆沉淀分层
7	高铬渣浆泵	7.5 kW	从储浆池抽至调浆罐
8	调浆罐	${10}{\mathrm{\;m}}^{3}$	加入水泥、添加剂调配浆液
9	水泥罐	50 t	含螺旋上料机调配浆液
10	电气系统	-	配电柜、电缆等

序号	名称	体积、型号	备注
1	小型挖机	30型, ${0.15}{\mathrm{\;m}}^{3}$	采用挖机上料
2	斗提式上料机	${0.6}{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${7.5}\mathrm{\;{kW}}$	碳钢, 两层防腐
3	卧式搅拌机	$5{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${22}\mathrm{\;{kW}}$	碳钢, 防腐, 大开口, 选配格栅
4	振动脱水筛	$5 \sim {20}\mathrm{t}/\mathrm{h}$ , 功率 2 × 7.5 kW	含密闭下料槽,检修孔等
5	储浆池	${20}{\mathrm{\;m}}^{3}$	碳钢, 内外防腐两层, 含曝气管道和头等
6	空压机	7.5 kW	含储气罐、防止泥浆沉淀分层
7	高铬渣浆泵	7.5 kW	从储浆池抽至调浆罐
8	调浆罐	${10}{\mathrm{\;m}}^{3}$	加入水泥、添加剂调配浆液
9	水泥罐	50 t	含螺旋上料机调配浆液
10	电气系统	-	配电柜、电缆等

浆液类别	基本费用/ (元/m³)	渣土外运价格/	浆液消耗渣土/m³	节约成本/
标准浆液	340	100	-	90
渣土浆液	330	-	0.8

浆液类别	基本费用/ (元/m³)	渣土外运价格/	浆液消耗渣土/m³	节约成本/
标准浆液	340	100	-	90
渣土浆液	330	-	0.8

盾构渣土置拌同步浆液及其在叠落隧道应用研究

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周艳家 ¹ , 杨国华 ¹ , 王炜 ² , 李闻韬 ³^,⁴

都市快轨交通 | 土建技术 2024,37(3): 135-140

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都市快轨交通 | 土建技术 2024, 37(3): 135-140

盾构渣土置拌同步浆液及其在叠落隧道应用研究

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周艳家¹, 杨国华¹, 王炜², 李闻韬³^,⁴

作者信息

¹ 中铁电气化局集团有限公司北京 100071

² 北京工业大学北京 100124

³ 江苏省智慧城轨工程研究中心江苏苏州 215031

⁴ 南洋理工大学新加坡 639798

周艳家，男，学士，工程师，从事隧道方面的研究工作，106232146@qq.com

通讯作者:

李闻韬，男，博士，讲师，主要从事固废处理和软土加固方面的研究工作，wtli2022@suda.edu.cn

Use of Shield Muck to Produce Grouting Materials and Its Applications in Stacked Tunnels

Yanjia ZHOU¹, Guohua YANG¹, wei WANG², Wentao LI³^,⁴

Affiliations

¹ China Railway Electrification Bureau Group Co. Ltd. Beijing 100071

² Beijing University of Technology Beijing 100124

³ Intelligent Urban Rail Engineering Research Center of Jiangsu Province Suzhou, Jiangsu 215031

⁴ Nanyang Technological University Singapore 639798

doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.03.018

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摘要

收起

针对盾构渣土资源化利用,依托苏州轨道交通8号线,基于实验室研究改进固化材料配比,将区间线路盾构渣土置拌成符合工程要求的同步注浆浆液。同时,新建8号线双线盾构隧道与既有3号线双线隧道在唐庄站交汇,形成两层四线叠落的特殊工况。本项目使用的渣土浆液稠度约为113mm,7d强度≥1 MPa,28d强度≥2.5 MPa,满足工程要求。掘进过程中既有隧道结构的监测数据表明,盾构渣土浆液可以有效地控制新建盾构对既有建(构)筑物的影响。利用盾构渣土制备同步注浆浆液可实现渣土资源化利用,在推进绿色建造的同时降低隧道(双线)施工成本约75万元/km。

关键词

城市轨道交通 / 盾构渣土 / 注浆材料 / 绿色建造 / 叠落隧道

Abstract

收起

Focusing on the reuse of tunnel muck, this study aims to prepare tunnel muck from the Suzhou Metro Line 8 into a synchronous grouting material that satisfies the engineering requirements of different geological conditions by adjusting the solidification material compositions through laboratory experiments. In this project, a new doubleline shield tunnel of Metro Line 8 intersects the existing doubleline tunnel of Line 3 at Tangzhuang Station, forming a unique layout with two layers of four tracks. The muckproduced grout used in this project has a consistency value of 113 mm, and the 7and 28day strengths exceed 1 and 2.5 MPa, respectively, satisfying the engineering specifications. The deformation monitoring data show that the muckproduced grout effectively controls the impact of the upper tunnel construction on existing structures. Utilizing shield tunneling muck to prepare synchronous grouting slurry can achieve resource utilization of muck while promoting green construction and reducing construction costs by approximately 750 thousand Yuan per kilometer (double line).

Key words

urban rail transit / shield muck / grouting material / green construction / stacked tunnels

引用本文

周艳家, 杨国华, 王炜, 李闻韬. 盾构渣土置拌同步浆液及其在叠落隧道应用研究. 都市快轨交通, 2024 , 37 (3) : 135 -140 . DOI: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.03.018

Yanjia ZHOU, Guohua YANG, wei WANG, Wentao LI. Use of Shield Muck to Produce Grouting Materials and Its Applications in Stacked Tunnels[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2024 , 37 (3) : 135 -140 . DOI: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.03.018

正文

收起

在交通强国战略的引领下, 我国城市轨道交通建设获得了巨大发展。盾构掘进因其安全、高效等优点, 已成为城市轨道交通区间隧道最常用的开挖方式。随着地下空间的利用率逐步上升, 新建隧道不可避免地与既有隧道在空间上叠交穿越。为保证既有线路的安全与正常运营, 对新建隧道扰动控制技术手段提出了新的要求和挑战 ^{[ 1 - 2 ]} 。

同时,我国在建的盾构隧道工程预计将产生 2.96 亿 ${\mathrm{m}}^{3}$ 的盾构渣土,处理费用超 700 亿元 ^{[ 3 - 4 ]} ,盾构渣土的资源化回收利用也逐步成为工程和科学研究的热点。郭沁颖等利用改良泥水盾构渣土制备路基填筑材料, 通过调配固化剂类别改进渣土路基材料的水稳性与耐久性 ^{[ 5 ]} 。许宁等利用泥岩地层盾构渣土制备免烧砖 ^{[ 6 ]} 。郝彤等研究了水泥拌合盾构渣土制备同步注浆浆液, 通过调节渣土掺量和水胶比改善渣土浆液的性能 ^{[ 7 ]} 。其中,利用水泥等胶凝材料拌合盾构渣土制成盾构掘进过程中的同步注浆材料的方法, 可较大程度减少渣土排放量和排放费用, 取得较好的经济和环保效益, 盾构渣土置拌浆液已在一些工程中成功应用 ^{[ 7 ]} 。然而,叠落隧道复杂的施工环境和严苛的沉降变形控制对渣土浆液的应用提出了更高的要求[ 8 - 9 ]。

本文以苏州轨道交通 8 号线工程和顺路站一唐庄站区间(以下简称 “和唐区间”)隧道盾构掘进渣土的回收利用为研究对象,基于复合地层盾构渣土的特性, 采用多种固化材料配合比将盾构渣土转化为同步注浆材料, 用于盾构尾部衬砌注浆。本研究旨在为土压平衡盾构渣土资源化利用以及城市轨道交通盾构的绿色施工建造提供依据, 并为减轻盾构渣土污染等问题提供参考。

1 工程概况

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苏州轨道交通 8 号线工程和唐区间左、右线均采用盾构法施工, 新建 8 号线与既有 3 号线在唐庄站上下叠岛换乘。其中, 8 号线左线由唐庄站往和顺路站掘进, 左线贯通后, 8 号线右线从和顺路站往唐庄站掘进, 叠落隧道平面、横截面及盾构穿越土层情况如图 1 所示。

由图 1 可知, 和唐区间左、右线上下叠落段长度为 ${86}\mathrm{\;m}$ ,叠落段上下线净距最小处仅有 ${1.6}\mathrm{\;m}$ 。穿越的土层主要为: ③ 1 黏土、③ 3 粉质黏土夹粉砂、 ④2 粉砂、⑤1 粉质黏土以及⑥1 黏土。上述土层的主要物理力学指标如表 1 所示。

2 渣土置拌同步浆液

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2.1 盾构渣土室内试验

本研究试验渣土取自苏州轨道交通 8 号线和唐区间隧道建设项目, 盾构掘进段主要处于粉质黏土和粉砂层, 均可作为同步注浆浆液的原材料。渣土置拌浆浆液还需添加水泥和土体改良剂 ZDT 等材料。试验所用水泥为天山牌 P.O 42.5 硅酸盐水泥, 其性能符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)要求。土体改良剂 ZDT 主要由水性丙烯酸改性环氧树脂、水性硅烷低聚物、纳米硅溶胶等成分组成, 主要用于调控渣土浆液的稠度、流动度与早期强度。为研究不同地层盾构渣土制备同步注浆材料的工程适用性, 对和唐区间不同地层盾构渣土进行了试验。经实验室和现场多次试验, 粉质黏土、黏土、粉土、粉砂、泥岩等地层渣土均能用于制备盾构渣土再生浆液, 且都能通过调控配比实现较好的工程性能。选取该区间段 3 种典型地层的盾构渣土进行室内试验, 其基本试验性能如所示。其中, 贯入强度用于评估样品的凝结时间。

由表 2 可知, 对于不同地层渣土, 需根据其特性配置不同成分的固化剂以实现其性能提升, 达到设计要求。其中, 对于淤泥质土样品添加约 5%粉煤灰, 对于粉质砂土样品添加约 2%膨润土,黏质土样品添加 15%砂,限于版面未在表 2 标注。对于所有类别盾构渣土样品, 其强度均随着水泥掺量的提升而增长。同时, 土体改良剂 ZDT 也对渣土浆液的强度有较大影响。以淤泥质土层渣土浆液为例,当水泥掺量为 ${100}\mathrm{\;{kg}}$ 时,添加改良剂 ZDT 相比不添加改良剂样品的 ${28}\mathrm{\;d}$ 强度实现了超过 ${100}\%$ 的强度增长,即 ${0.5}\mathrm{{MPa}}$ 对比 ${1.15}\mathrm{{MPa}}$ 。对于 3 种土层渣土制备的同步注浆浆液, 可通过较少的砂和膨润土用量来调节其强度和流动度等性能, 减少对不可再生资源的需求和消耗。

本文还制备了由砂、水泥、粉煤灰等材料制成的标准浆液, 标准浆液与盾构渣土浆液性能对比如表 3 所示。盾构渣土同步注浆材料强度低于传统单液浆, 主要是由于本项目渣土浆液的水泥掺量相对较少。但渣土浆液也满足 ${28}\mathrm{\;d}$ 实验室强度不小于 $1\mathrm{{MPa}}$ 的设计要求, 且渣土浆液消耗的水泥量大幅减少, 成本更低。水中溶蚀养护后, 盾构渣土同步注浆材料强度损失分别为 6%、5.6%和 5.2%,而传统单液浆约为 13%,高于渣土浆液的 2 倍。同时, 对样品在模拟地层潮湿环境养护条件下进行了强度测试。由表 3 可知, 潮湿土养护下的渣土浆液试块强度满足设计要求。

2.2 渣土制浆流程及设备

室内试验结果证明, 利用盾构掘进的渣土, 分离出的盾构渣土浆液 $(3\mathrm{\;{mm}}$ 以下颗粒,特定含水率) 在添加水泥和土体固化剂 ZDT 等材料后可制备满足设计要求的同步注浆浆液。实际工程中, 需对渣土的组成进行分析, 确定地层中含黏土、粉砂等比例, 为后续浆液配比提供依据。根据盾构施工地层情况及渣土性能, 及时对固化材料配比进行相应调整, 使处理后盾构渣土能达到注浆浆液的性能要求。

苏州轨道交通 8 号线项目利用盾构渣土制备同步注浆浆液的施工设备与施工流程如图 2 所示。盾构渣土制浆主要施工流程可分为渣土上料、颗粒筛分、泥浆收集、混合搅拌和泵送注浆 5 部分。渣土制浆设备采用模块化设计, 便于后续工程搭建渣土浆液制浆成套流水线, 基本设备如表 4 所示。整套设备可分为泥浆制作模块和成品浆液制作模块。泥浆制作模块采用挖机上料, 通过盾构渣土加水搅拌均匀筛分得到所需泥浆, 本项目已实现一键启动操作生产; 成品浆液制作模块则采用筛分所得泥浆, 将其混合水泥、土体硬化剂等材料, 得到所需的成品浆液, 实现智能化自动配料生产与泵送。渣土制浆主要设备占地面积不超过 ${75}{\mathrm{\;m}}^{2}$ ,亦可根据工程实际情况进行调整。

为确保工程改造浆车能满足同步注浆要求, 苏州轨道交通 8 号线工程施工阶段增加浆车容积到 ${7.5}{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 并严格控制注浆量及注浆压力, 保证盾构缝隙填充密实。同时, 在注浆完成后, 及时对壁后空洞进行探测, 如发现地层深层沉降, 则需及时进行二次补浆, 减少地表沉降。根据工程地质性质和施工设计要求, 本文依托工程盾构渣土浆液的注浆压力为 ${0.3}\sim {0.5}\mathrm{{MPa}}$ , 并根据盾构推进速度控制注浆量, 为有效控制地表沉降,本项目实际注浆量为理论空隙的 ${2.1}\sim {2.4}$ 倍。

3 渣土浆液工程应用及效益分析

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3.1 渣土浆液叠落段应用

苏州轨道交通 8 号线和唐区间左、右线穿越地层分布情况如图 3 所示。该区间段盾构穿越的主要地层是⑤1 粉质黏土层, 黏质渣土产出量大。因此, 本区间段使用的渣土浆液以黏质渣土浆液为主。

基于室内试验结果( 表 2 ),针对本区间段黏质渣土浆基本物理性能, 工程中实际使用的渣土浆液配比如下: 渣土浆 ${1162}\mathrm{\;{kg}}/{\mathrm{m}}^{3}$ ,水泥 ${175}\mathrm{\;{kg}}/{\mathrm{m}}^{3}$ (掺量 15%), 水 ${175}\mathrm{\;{kg}}/{\mathrm{m}}^{3}$ ,砂 ${175}\mathrm{\;{kg}}/{\mathrm{m}}^{3}$ ,添加剂 ZDT-I ${3.5}\mathrm{\;{kg}}/{\mathrm{m}}^{3}$ , 添加剂 ZDT-II ${17.5}\mathrm{\;{kg}}/{\mathrm{m}}^{3}$ 。其中,渣土浆液的含水率约为 40%,高于其液限(32%),因此通过添加中砂来调节其稠度至设计范围。基于上述配比,将黏质渣土浆液制成 ${70.7}\mathrm{\;{mm}}\times {70.7}\mathrm{\;{mm}}\times {70.7}\mathrm{\;{mm}}$ 立方体样品,测试其不同龄期强度, 黏质渣土浆液试样如图 4 所示。

本项目对黏质渣土制备的同步注浆浆液工程性能主要设计值为稠度 ${100}\sim {125}\mathrm{\;{mm}},7\mathrm{\;d}$ 抗压强度 $\geq$ ${0.15}\mathrm{{MPa}},{28}\mathrm{\;d}$ 抗压强度 $\geq {1.0}\mathrm{{MPa}}$ ,其他参数设计值为泌水率 $0 \sim 1\%$ ,固结率 $\geq {95}\%$ 。基于图 2 所示渣土制浆工艺流程,黏质渣土浆液的稠度值为 ${113}\mathrm{\;{mm}}$ ,其泌水率和固结率均满足要求。养护后黏质渣土浆液样品强度如图 5 所示。由图 5 可知, 黏质渣土浆液样品 $3\mathrm{\;d}$ 强度约为 ${0.35}\mathrm{{MPa}},7\mathrm{\;d}$ 和 ${28}\mathrm{\;d}$ 强度分别不低于 $1\mathrm{{MPa}}$ 和 ${2.5}\mathrm{{MPa}}$ ,满足设计要求。

为减少 8 号线盾构掘进对既有隧道的影响, 本线路施工工序调整为左线(下行)隧道先行施工, 右线(上行)隧道后施工。此外, 为确保施工过程既有地铁隧道结构和运营安全, 根据即时监测情况及时调整掘进速度、推力、扭矩等参数。同步注浆采用渣土浆液, 注浆压力为 ${0.5}\sim {1.0}\mathrm{{MPa}}$ ,每环注浆量不少于 $6{\mathrm{\;m}}^{3}$ 。渣土浆液泵送至注浆前, 对其稠度进行抽样检测, 如稠度测试值在设计范围之外, 则对该批次渣土浆液进行废弃处理。此外, 对于区间叠合段, 采用克泥效施工, 通过盾构掘进同步注入, 及时填充开挖形成的间隙, 减少盾构掘进扰动引起土体自然下沉以及后续沉降的风险。同时, 叠落段右线(上行)隧道盾构机掘进过程中在左线(下行)隧道内部设置支撑台车, 对管片施加支撑力,减少相邻管片间错台变形的同时降低上行隧道开挖对下行隧道引起的扰动, 确保隧道安全。

本项目采用远程自动化监测系统对既有运营线的结构变形和轨道变形进行 ${24}\mathrm{\;h}$ 即时监测。自叠落段开始施工至盾构穿越后 1 个月内, 既有 3 号线上行线道床沉降累计变化量在 $-{1.1}\sim {3.9}\mathrm{\;{mm}}$ 之间,小于沉降量控制值(10mm)和隆起量控制值(5mm)；结构水平位移累计变化量在 $-{3.8}\sim {0.3}\mathrm{\;{mm}}$ 之间,小于水平位移控制值 (5mm),且变化速率均小于控制值 $\pm 2\mathrm{\;{mm}}/\mathrm{d}$ 。既有 3 号线下行线道床沉降累计变化量在 $-{0.9}\sim {2.8}\mathrm{\;{mm}}$ 之间,小于沉降量控制值(10mm)和隆起量控制值(5mm)；结构水平位移累计变化量在 $-{3.3}\sim {2.5}\mathrm{\;{mm}}$ 之间,小于水平位移控制值(5mm),且变化速率均小于控制值 $\pm 2\mathrm{\;{mm}}/\mathrm{d}$ 。

3.2 渣土浆液效益分析

利用盾构渣土制备同步浆液是城市盾构隧道减少废弃物排放, 节约砂石资源消耗, 减少水泥用量的一个重要举措, 符合我国 “碳达峰、碳中和” 战略。苏州轨道交通 8 号线和唐区间工程实践证明, 采用盾构渣土制浆工艺, 能够直接减少渣土外运量 10%以上, 相比标准浆液减少加砂量 80%以上, 减少加水量约 30%；同时,渣土浆液不需额外添加粉煤灰及膨润土, 进而可减少建筑材料用量及运输过程中的碳排放 ^{[ 10 ]} 。工程实践表明,采用盾构渣土制备的同步浆液流动性强, 充填性好, 不易漏失到间隙以外区域; 渣土浆液的强度可根据要求通过改变配合比进行调控, 满足设计及施工要求。

基于苏州轨道交通 8 号线盾构渣土制浆工程核算, 按照市场自拌砂浆成本分析, 考虑材料费用、砂浆站建设费用、设备摊销等, 采用盾构渣土制备同步注浆材料的费用约330元 $/{\mathrm{m}}^{3}$ ,相比市面上的成品标准浆液费用节省约 ${10}\mathrm{元}/{\mathrm{m}}^{3}$ 。同时,每立方米渣土浆液可消耗 ${0.8}{\mathrm{\;m}}^{3}$ 渣土,按照渣土外运价格 100 元 $/{\mathrm{m}}^{3}$ (运输、消纳等费用)计算, 可节省渣土外运费用 80 元, 共计节省90元 $/{\mathrm{m}}^{3}$ ,具体成本核算如表 5 所示。 8 号线盾构外径 ${6.83}\mathrm{\;m}$ ,衬砌外径 ${6.6}\mathrm{\;m}$ ,注浆量取地层与衬砌间空隙计算值的 210%～240%。掘进每千米隧道 (双线)可直接节约工程成本约 75 万元,对于 30 千米的城市盾构隧道, 利用盾构渣土制备同步注浆浆液可减少工程造价约 2 200 万元。同时,渣土制浆设备可重复使用, 在工艺得到推广后能够进一步缩减施工成本。

利用盾构渣土制备同步注浆浆液积极响应国家号召,可实现 “四节一环保” 的绿色施工目标。以江苏省为例, 目前江苏省共有 6 座城市建有地铁, 分别是南京、苏州、无锡、常州、徐州和南通。苏州轨道交通规划至 21 号线,待建里程约为 ${680.7}\mathrm{\;{km}}$ ; 南京轨道交通线网预计 2035 年总里程达 ${1260}\mathrm{\;{km}}$ ; 无锡市 2035 年城市轨道交通线网规划的批复方案总长 ${297}\mathrm{\;{km}}$ ；常州市轨道交通 2035 年远景规模为 ${292}\mathrm{\;{km}}$ 。按照江苏省每年新增地铁里程 ${150}\mathrm{\;{km}}$ 计算,则每年可节约成本 11 250 万元, 经济效益显著, 同时较大幅度减少渣土排放量,降低环境影响。

4 结论

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本文利用盾构渣土置拌成工程性能良好的注浆浆液, 将其用于叠落隧道的同步注浆, 主要结论如下。

1) 浆液配比试验表明, 不同地层盾构渣土可通过调配固化剂改进其性能, 获得符合工程需求的同步注浆浆液。水泥和土体改良剂 ZDT 可以明显缩短初凝时间,增强凝结强度。

2) 本项目使用的黏质渣土浆液稠度在 ${100}\sim$ ${125}\mathrm{\;{mm}}$ 之间, $7\mathrm{\;d}$ 强度 $\geq 1\mathrm{{MPa}},{28}\mathrm{\;d}$ 强度 $\geq {2.5}\mathrm{{MPa}}$ , 满足设计要求且能有效控制叠落段隧道沉降。

3) 采用盾构渣土制浆工艺, 能够直接减少渣土外运量 10%以上,可实现渣土资源化利用,在推进 “四节一环保”的绿色施工目标的同时降低施工成本。

基金

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江苏省高等学校基础科学研究面上项目(自然科学)

参考文献

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文献

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2024年第37卷第3期

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doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2024.03.018

接收时间：2024-01-25
首发时间：2025-07-09

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出版历史

收稿日期：2024-01-25
修回日期：2024-03-07

基金

江苏省高等学校基础科学研究面上项目(自然科学)

作者信息

¹ 中铁电气化局集团有限公司北京 100071

² 北京工业大学北京 100124

³ 江苏省智慧城轨工程研究中心江苏苏州 215031

⁴ 南洋理工大学新加坡 639798

通讯作者:

李闻韬，男，博士，讲师，主要从事固废处理和软土加固方面的研究工作，wtli2022@suda.edu.cn

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

土层	重度/( )	含水率1%	液限/%	塑限/%
①3 素填土	19.2	30.7	37.5	20.5
③1 黏土	20.0	25.7	41.2	20.6
③2 粉质黏土	19.2	29.5	31.4	19.6
③3 粉质黏土夹粉砂	19.6	29.5	28.2	20.3
④2 粉砂	20.0	24.3	-	-
⑤1 粉质黏土	19.2	18.2	32.2	19.4
⑥1 黏土	20.2	15.1	36.6	19.0

土层

重度/( )

含水率1%

液限/%

塑限/%

①3 素填土

19.2

30.7

37.5

20.5

③1 黏土

20.0

25.7

41.2

20.6

③2 粉质黏土

19.2

29.5

31.4

19.6

③3 粉质黏土夹粉砂

19.6

29.5

28.2

20.3

④2 粉砂

20.0

24.3

⑤1 粉质黏土

19.2

18.2

32.2

19.4

⑥1 黏土

20.2

15.1

36.6

19.0

地层类型	配合比	6~8 h 贯入强度/MPa	抗压强度/MPa	流动度/ mm
泥浆	水泥	ZDT- I	ZDT-II	7 d	28 d
淤泥质土地层	1 400	100	0	0	0.11	0.06	0.50	170
1 400	100	10	0	0.20	0.21	0.52	170
1 400	100	5	5	0.22	0.27	0.59	170
1400	50	10	10	0.27	0.38	0.72	175
1 400	100	5	15	0.59	0.62	1.02	175
1400	100	10	20	0.75	0.79	1.15	175
粉质砂土地层	920	80	0	0	0.21	-	0.49	170
966.5	30	2.5	1	0.37	-	0.63	175
913.7	80	2.5	3.8	0.76	-	1.62	175
837	150	3	10	0.94	-	1.95	170
824	150	6	20	1.37	-	2.47	170
774	200	6	20	1.85	-	3.02	170
黏质土地层	1000	100	0	0	0.14	0.327	0.425	150
1000	75	1.6	0	0.26	0.527	0.698	150
1000	100	1.6	8	0.59	0.709	1.095	150
1000	100	1.6	15	0.74	0.988	1.416	150
1000	150	1.6	15	0.83	1.216	1.736	150

地层类型

配合比

6~8 h 贯入强度/MPa

抗压强度/MPa

流动度/ mm

泥浆

水泥

ZDT- I

ZDT-II

7 d

28 d

淤泥质土地层

1 400

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0.11

0.06

0.50

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1 400

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0.20

0.21

0.52

170

1 400

100

0.22

0.27

0.59

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1400

0.27

0.38

0.72

175

1 400

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0.59

0.62

1.02

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100

0.75

0.79

1.15

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粉质砂土地层

920

0.21

0.49

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966.5

2.5

0.37

0.63

175

913.7

2.5

3.8

0.76

1.62

175

837

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0.94

1.95

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824

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黏质土地层

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1.6

0.83

1.216

1.736

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浆液类别	28d 标准养护强度/ MPa	28d 水溶蚀养护强度/MPa	强度损失率1%	28d 潮湿土养护强度/MPa
传统单液浆	2.6	2.3	13	2.7
淤泥土盾构浆液	1.2	1.1	6	1.4
粉砂土盾构浆液	1.6	1.5	5.6	1.9
黏土盾构浆液	1.5	1.4	5.2	1.7

浆液类别

28d 标准养护强度/ MPa

28d 水溶蚀养护强度/MPa

强度损失率1%

28d 潮湿土养护强度/MPa

传统单液浆

2.6

2.3

2.7

淤泥土盾构浆液

1.2

1.1

1.4

粉砂土盾构浆液

1.6

1.5

5.6

1.9

黏土盾构浆液

1.5

1.4

5.2

1.7

序号	名称	体积、型号	备注
1	小型挖机	30型, ${0.15}{\mathrm{\;m}}^{3}$	采用挖机上料
2	斗提式上料机	${0.6}{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${7.5}\mathrm{\;{kW}}$	碳钢, 两层防腐
3	卧式搅拌机	$5{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${22}\mathrm{\;{kW}}$	碳钢, 防腐, 大开口, 选配格栅
4	振动脱水筛	$5 \sim {20}\mathrm{t}/\mathrm{h}$ , 功率 2 × 7.5 kW	含密闭下料槽,检修孔等
5	储浆池	${20}{\mathrm{\;m}}^{3}$	碳钢, 内外防腐两层, 含曝气管道和头等
6	空压机	7.5 kW	含储气罐、防止泥浆沉淀分层
7	高铬渣浆泵	7.5 kW	从储浆池抽至调浆罐
8	调浆罐	${10}{\mathrm{\;m}}^{3}$	加入水泥、添加剂调配浆液
9	水泥罐	50 t	含螺旋上料机调配浆液
10	电气系统	-	配电柜、电缆等

序号

名称

体积、型号

备注

小型挖机

30型, ${0.15}{\mathrm{\;m}}^{3}$

采用挖机上料

斗提式上料机

${0.6}{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${7.5}\mathrm{\;{kW}}$

碳钢, 两层防腐

卧式搅拌机

$5{\mathrm{\;m}}^{3}$ , 功率 ${22}\mathrm{\;{kW}}$

碳钢, 防腐, 大开口, 选配格栅

振动脱水筛

$5 \sim {20}\mathrm{t}/\mathrm{h}$ , 功率 2 × 7.5 kW

含密闭下料槽,检修孔等

储浆池

${20}{\mathrm{\;m}}^{3}$

碳钢, 内外防腐两层, 含曝气管道和头等

空压机

7.5 kW

含储气罐、防止泥浆沉淀分层

高铬渣浆泵

7.5 kW

从储浆池抽至调浆罐

调浆罐

${10}{\mathrm{\;m}}^{3}$

加入水泥、添加剂调配浆液

水泥罐

50 t

含螺旋上料机调配浆液

电气系统

配电柜、电缆等

浆液类别	基本费用/ (元/m³)	渣土外运价格/	浆液消耗渣土/m³	节约成本/
标准浆液	340	100	-	90
渣土浆液	330	-	0.8

浆液类别

基本费用/ (元/m³)

渣土外运价格/

浆液消耗渣土/m³

节约成本/

标准浆液

340

100

渣土浆液

330

0.8