建筑垃圾粉末掺量对盾构弃渣的失水特性试验研究

林 哲 勇兆瑞 崔春凯 李文昊 杨金勇 刘应然 罗 晔

郑州工程技术学院（450044）

城市地铁建设常用的施工方法是盾构施工。盾构施工是对地面交通影响最小的一种施工方法。在地铁区间施工过程中，地面依然可以开放交通，这给大城市本来就拥堵的地面交通减少了不少压力。然而大量的城市地铁项目建设，必然会带来掘进过程中产生的巨量的盾构弃渣，这些渣土将会带来严重的环境和安全问题。2015年，深圳市就发生了一起渣土场滑坡事故，造成73人死亡，多栋房屋被毁，直接经济损失约8.8亿元[1]。为了使渣土的塑性流动效果好，施工过程中会添加一些改良剂[2]，但这样的渣土到达弃渣场后，在同样条件下会发生水土流失，甚至滑坡的可能性要比一般渣土大。

按洞径6 m，松散系数取1.5保守估计，盾构弃渣的产量大约为4.5万m3/km[3]，含水率一般在20%以上[5]。目前工程研究人员对渣土回收利用做了大量的工作，如制作水泥混合材料、新型墙材、采空区回填等[4-8]，但是要对渣土进行回收利用，第一步是如何降低弃渣的含水率。

1 试验材料及方法

试验所用渣土来自双鹤湖南站地铁盾构区间。区间全长1 026.84 m，隧洞呈圆形，洞径为6.2 m，结构底板标高86.48～96.2 m，埋深17.4～24.8 m。所取渣土主要为粉质黏土，红褐-黄褐色，一般呈硬塑-坚硬状，黏粒含量较高，平均含水率在23%左右，平均孔隙比0.7左右，失水性较差。因此选用建筑垃圾粉碎之后的砂粉对其进行拌和，增加其失水性。利用光电式液塑限联合测试仪对所取渣土的液塑限进行测试。液塑限联合测定法测试渣土液塑限中锥尖下沉深度与含水率之间的关系如图1所示，盾构弃渣液塑限测定数据见表1。

图1 液塑限联合测定法测试渣土液塑限中锥尖下沉深度与含水率之间的关系

表1 盾构弃渣液塑限测定数据

在所取的盾构弃渣原状样中惨入不同的砂粉测定其失水量随时间变化的规律，考虑到温度、湿度的影响用量筒盛入一定量的水，作为空白对照。试验过程如图2所示，失水量空白对照见表2。

表中括号内数据为10 mm圆锥入土深度对应的液限含水率及其计算的塑性指数。

图2 试验过程图

表2 失水量空白对照表

5月24日，由于降雨，环境温度、湿度发生异常变化，试验停止，同时含水率变化也基本趋于稳定，此时，盾构弃渣的失水特性试验数据见表3。

表3见后两页。

2 试验结果分析

通过上述试验，将上述含水率变化小于0.5 g土样认为是干土，测其含水率与含砂率之间关系如图3所示。

由图3可以看出，随着含砂率的增加土样含水率呈降低趋势，但砂粉掺量为30%～40%时变化较小，含砂率10%的土样含水率小于液限含水率（15.5%）。由此可见，盾构弃渣虽然保水性较好，但可适当添加一定含量的吸水性好的非黏性粉末状颗粒物质，便可有效降低含水率至液限以下。

图3 含水率与含砂率之间关系

为研究失水量随时间的变化规律，定义失水量与初始土样质量的比值为同比失水率，失水量与前一天土样的比值为环比失水率。砂粉掺量从0～50%的失水率与时间的关系如图4、图5所示。

图4 同比失水率与时间的关系

图5 环比失水率与时间的关系

由图4、图5可以看出，随着时间的变化失水速率迅速减小，并趋于稳定。含砂率在30%时失水速率最快，失水效果最好。由此可见，对应该种砂粉快速脱水盾构弃渣最佳掺量为30%。

3 结语

盾构弃渣的渣土中添加了一定量的外加剂，使得渣土具有一定的保水特性，同时该地区的粉质黏土黏粒含量较高，其渣土保水性较好，有利于盾构施工，但会对渣土外运及绿色处理产生不利影响。

表3 盾构弃渣的失水特性试验

通过添加建筑垃圾砂粉，可以有效快速地降低盾构弃渣的含水率，在28℃～30℃，湿度10%左右气候条件下，2 d内渣土的失水效率最高，而且砂粉掺量在30%时效果最佳。