石振明;薛丹璇;彭铭;陈亿军
纸绳手挽【摘 要】对路网Slurry shield tunnel construction produces a large amount of waste mud.If these engineering muds cannot be properly disposed,they probably bring environmental pollution,occupation of land and other issues, highly disturbing the normal operation of cities.The waste mud in this experiment is collected in the construction site of tunnel projects in Xiamen.In order to dispose the waste mud safely and effectively,chemical solidification technology is used to achieve the optimal curing effect through comparative tests.In these tests,different values of curing agent type,agent mixing ratio,and mud initial water content lead to different values of compressive strength,pH value,and water content of modified-curing mud samples.The optimum curing agent type,agent mixing ratio and initial water content of waste mud are obtained with the analysis of curing mechanism and related data.These tests are divided into 3 parts.The first part is curing agent types comparative test,which includes 425#ordinary Portland cement(S 1),CERSM mud curing ag水晶版画
ent Ⅰ(C1),CERSM mud curing agent Ⅱ(C2)and quick lime(L1).The second part is curing agent mixing ratio comparative test,which includes 3%,5%,7%,10%, 15%agent mixing ratio.The last part is mud initial water content comparative test,which includes 100%,125%, 150%,180%mud initial water content.Then the optimum curing agent type,mixing ratio and initial water content of slurry are obtained respectively by testing the effects of different factors(agent types,agent ratio and mud initial water content)on compressive strength,pH value,and water content of modified-curing mud samples.Based on the compressive strength,sample water content and pH value of the above three aspects,the curing effect of curing agent from high to low is ranked as CERSM mud curing agent Ⅱ(C2),425#ordinary Portland cement(S 1), CERSMmud curing agentⅠ(C1)and quick lime(L1)from highest to the lowest.Compressive strength increases with the increase of the curing agent ratio,sample water content decreases with the curing agent ratio increasing, and pH value increases with the increase of the curing agent ratio,decreases with age.Compressive strength decreases with the increase of mud initial water content,sample water content increases with the increase of mud initial
water content,and the pH of the modified-curing mud sample has nothing to do with mud initial water content.In engineering,CERSM mud curing agent Ⅱ,10%ratio,and 100%mud initial water content are finally chosen.The compressive strength of modified-curing mud sample after 28 d is up to 1.5 MPa,which is 4 times of the strength of ordinary cement solidified slurry sample.Moreover,as the growth of the age,the shear strength of modified-curing mud sample has a substantial increase,the cohesion of sample increases to 262 kPa,and internal friction angle increases to 38.65°,and modified-curing mud can be used as building filler.The presented technology can be used to dispose waste mud,which can not only solve the environmental pollution problem,but also help to realize the resource utilization of the waste mud.%泥水盾构隧道施工产生大量的废弃泥浆,可能带来环境污染、侵占土地等问题,影响城市的正常运转.本文以厦门市某隧道施工现场产生的废弃泥浆为研究对象,采用化学固化技术处置泥浆,测试不同影响因素(固化剂种类、固化剂掺入比、泥浆初始含水率)对改性固化后泥浆抗压强度、pH值、含水率等特性的影响,分析固化机理并解释相关现象,获取最优固化剂种类、掺入比、泥浆初始含水率.对比试验结果表明最优固化剂种类为CERSM泥浆固化剂Ⅱ,掺入比为10%,泥浆初始含水率为100%.在此基础上,本文进一步 探讨改性固化后泥浆的强度特性,28 d后固化泥浆抗压强度可达1.5 MPa,是普通水泥固化泥浆强度的4倍,可用做建筑填料,解决环境污染问题,并实现废弃泥浆的资源化利用.
【期刊名称】《工程地质学报》
【年(卷),期】2018(026)001
【总页数】9页(P103-111)
【关键词】隧道废弃泥浆;改性固化;固化剂;强度特性
【作 者】石振明;薛丹璇;彭铭;陈亿军
【作者单位】同济大学地下建筑与工程系 上海 200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092;同济大学地下建筑与工程系 上海 200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092;同济大学地下建筑与工程系 上海 200092;同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092;中国科学院武汉岩土力学研究所,岩土力学与工程国家重点实验室 武汉 430071
【正文语种】中 文
【中图分类】TU411
0 引 言
随着中国城市化进程的加快，地面交通拥堵问题加剧，修建地铁已经成为各大城市解决城市交通问题的主要手段。相关数据显示，截止到2015年底，中国内地已有25个城市拥有了110条建成并运营的城市轨道交通线路，运营总里程达3,293,km。盾构施工法是城市地铁区间隧道施工的主要方法之一，特别是在软土地区应用广泛。在隧道盾构施工中，隧道开挖产生大量土体，与泥水混合形成泥浆，通过排浆泵或管道输送至地面进行进一步处理，泥水盾构的出浆量一般为隧道挖土体积的2～3倍(常鸽等， 2012)，伴随着隧道盾构施工产生大量的废弃泥浆。由于城市储存场地有限、人员密度大，如果处置不当，会造成环境污染、侵占土地等问题，甚至对整个城市的正常运行产生巨大影响(苏清贵等， 2012)。 目前处理废弃泥浆的方法有直接排放法(张瑞云， 2003)、焚烧法(刘豫东等， 2007)、化学固化法(吴志红等， 2008)、机械处理法(房凯等， 2011)和化学絮凝沉淀法(表1)。直接排放
法、焚烧法不能使泥浆回收利用且对环境造成污染； 机械处理法处理范围有限，只能处理分离出来的渣土； 化学絮凝沉淀法对高密度的泥浆处理效果较差，泥浆固相不易絮凝沉淀； 化学固化处理法直接在泥浆中加入固化剂，使泥浆性质得到改善，利于废弃泥浆的资源化利用。综上所述，本文采用化学固化法对盾构隧道废弃泥浆进行处理。目前国内外学者对泥浆固化的研究如下：固化后土样无侧限抗压强度与固化剂种类、龄期、掺入比密切相关，实验结果表明无侧限抗压强度与龄期之间存在一定的指数关系(董邑宁等， 2008)。
表1 废弃泥浆处理方法对比Table1 Comparison of waste mud treatment方法简述优点缺点说明直接排放法将废弃泥浆运至指定地点直接废弃或简单填埋操作简单,无技术要求造成环境污染,不能回收利用,影响工程填埋场安全。运输成本高,选购废弃场地花费高已逐渐减少或被禁止使用,只能用于渣土处理焚烧法用高温蒸发掉泥浆中的水分而分离出固相周期短,占地面积小,选址灵活造成空气污染,分离出的固相要处理,能耗大,需要专门的转窑在经济不发达的国家和地区占的份额始终很小机械处理法用振筛、旋流器、离心机等机械设备处理泥浆,筛选分离出固相成分,外运废弃减少外运成本和购买废弃地成本,减少环境污染设备投资高,处理量有限泥浆颗粒细微,黏滞性强,机械方法无法使泥浆颗粒和水分离,只能处理渣土化学絮凝沉淀法加入絮凝沉淀剂使泥浆悬浮颗粒凝聚成絮凝体沉淀,再进行固液分离泥浆固液
分离效果好,减少泥浆体积絮凝剂加药量高,成本高,需与固液分离设备配套使用,且固相物质需进一步处理在高密度泥浆中加絮凝剂处理效果较差,固相物质不易絮凝沉淀化学固化法在泥浆中加入固化剂,使泥浆直接固化固化后泥浆成为有一定强度的固体,可资源化利用,利于环境保护有机固化剂成本高,容易产生二次污染在实际固化中,一般选用无机固化剂,价格低廉、使用方便、固化效果好
钻井废弃泥浆的处理一般采用化学固化的方法(吴志红等， 2008)，针对不同的泥浆组成成分及气候条件，分析固化机理，选取最佳泥浆固化配方，确定经济有效的固化处理技术，Leonard et al.(2010)采用粉煤灰为固化剂处理废弃泥浆，并分析其作用机理与效果。软土采用单一水泥固化的效果较差，添加外掺剂可以显著提高固化土强度，选取可提高水化后土样中氢氧化钙饱和度的外掺剂，在不同饱和度下外掺剂对固化软土强度的影响不同(邓晓轩等， 2011)，此外，固化土无侧限抗压强度与固化剂掺量、土样初始含水率有关，强度与固化剂掺量呈近似线性递增关系，强度与初始含水率呈近似线性递减关系，强度与龄期呈现近似的对数增长关系(丁建文等， 2013)。杨爱武(2015)等研究表明用石灰作为主要固化剂，水泥、石膏作为外加剂来固化天津滨海软土，软土无侧限抗压强度比原状土有明显提高，固化效果很好。工业废渣也可作为固化剂，以粉煤灰和高炉矿渣作为主要固化剂，
石灰为添加剂处理黏性土，可有效提高土体无侧限抗压强度，且固化土的pH值均大于12(章定文等， 2013)。污泥的固化处理目前采取污泥固化/稳定化技术，对污泥种类、固化剂种类、固化机理、关键技术等方面分析可知，污泥分为河湖、市政、工业污泥3类，固化剂分为有机和无机两类，固化剂及其水化产物在污泥中形成骨架，与污泥颗粒胶结并填充孔隙，提高固化后土样的整体强度，污泥固化/稳定化技术两个关键技术指标为无侧限抗压强度和浸出毒性(王鹏等， 2016)，固化后污泥的无侧限抗压强度与污泥的初始含水率、龄期、固化剂种类和掺入比等多方面因素有关(Dong et al.，2007)。
现有固化研究主要针对钻井泥浆、软土、污泥等，对盾构隧道废弃泥浆固化研究相对较少。盾构隧道废弃泥浆具有黏性大、有机质含量较少、含有添加剂、产量大等特点，已有研究在技术和经济上不一定适用于盾构隧道废弃泥浆固化。
本文进行不同固化剂、掺入比、泥浆初始含水率的泥浆固化试验，测定无侧限抗压强度、含水率、pH值等相关指标，通过分析固化机理和相关数据，确定最优固化剂种类和掺入比，以及最优泥浆初始含水率。并对固化后泥浆的强度特性进行研究，探讨其作为建筑填料的可行性。数码锁
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 泥浆材料
软件打包试验采用的泥浆，取自厦门轨道交通1号线一期工程的莲坂站—莲花路口站区间施工现场沉淀池底部泥浆。本区间起于湖滨南路莲坂转盘国贸大厦前，沿嘉禾路布设，止于莲花南路北侧庐山大厦前。场地西北侧为筼筜内湖，地貌主要为滨海海积阶地及残积台地，地形较平坦，地面高程4～10,m。隧道为单线单洞圆形隧道，采用盾构法施工长度为893.4,m，线路埋深15.2～16.4,m，掘土体积为1,010,m3，盾构出浆量约为2,021～3,032,m3，从而产生大量的废弃泥浆。
场区地层有第四系覆盖层，岩性、分布、厚度及性能变化较大。场区沿线基岩埋藏于第四系地层之下，受区域地质构造和风化作用，基岩全、强风化带的厚度较大，中等-微风化岩埋藏较深。本区段隧道穿越地层主要为粗砾砂、粉质黏土、残积土、全风化、散体状强风化花岗岩及碎裂状强风化花岗岩。
图1 取样位置示意图Fig. 1 Sampling point
图1为本文试验所用泥浆取样点。在隧道盾构过程中，经过设备分离后的泥浆通过汇浆槽至沉淀池，整个沉淀池由多级不同坡度的分离池组成，经沉淀后的上部泥浆进入调浆池循环利用，底部泥浆晒干后挖出废弃，造成资源浪费。废弃泥浆原样取自沉淀池底部泥浆，呈橙红，因沉淀池底部温度过高，水分蒸发，因而流动性较差，初始含水率过低，甚至呈现出塑性体特征。由MS3000型激光衍射法粒度分析仪测出泥浆的土粒组成(图2)，颗粒大小主要集中于1,μm至100,μm之间，泥浆颗粒由黏粒、粉粒和细砂组成，无中砂及以上粒径颗粒。表2为泥浆原样的物理化学性质。泥浆原样含水率较低，流动性差，有机质含量介于5%和10%之间，为有机质土，呈碱性。
