新型预拌流态固化土性能及回填施工工艺

刘成龙

中铁十四局集团有限公司,山东 济南 250014

0 引言

随着城市化进程的推进，现代地下空间得到越来越广泛的利用[1]，地下工程的建设规模、施工速度和技术水平得到长足发展[2]。采用地下综合管廊施工有利于解决路面反复开挖、架空线网密集、管线事故频发以及地下基础设施滞后等问题，已成为城市可持续发展的重要方向[3-4]。目前预制技术的发展带来的经济、技术效益方面的优势也给综合管廊施工带来新的研究动力，装配式技术施工速度快、占用时间短、工程质量优、环境友好、施工作业空间小、公共安全风险低，具有较强的竞争优势[5-6]。

城市浅埋大空间施工机械化开挖需对城市道路“开膛破肚”，影响地面交通[7-9]，而城市浅埋盖挖快速装配支护一体机成套装备和施工技术，可实现不中断路面交通条件下地下大空间机械化开挖施工、结构快速装配支护、覆土即时密实回填快速恢复道路，尤其是预拌流态固化土技术对快速恢复道路交通起关键作用[10-13]。黄明利等[14]分析明挖法施工的技术特点，介绍基坑肥槽预拌固化土回填技术，阐述了预拌固化土对地下工程结构防水的作用；陈容华等[15]利用挖方土为原材料配制预拌流态固化土，再进行填方，通过流态固化土流动性试验和无侧限抗压强度试验，研究了影响基于粉质黏土的预拌流态固化土性能的因素。周永祥等[16]阐述固化土及预拌固化土的概念、岩土固化剂的开发与配制原则，分析预拌流态固化土的抗压强度、抗渗性能、收缩等基本性能，指出预拌固化土可以显著节省人工成本，协同处置工程泥浆在内的渣土类建筑垃圾、低品质工业固废等大宗固废，可用于管廊等市政工程的填筑。梁志豪等[17]提出利用工程废弃泥浆制备预拌流态固化土。张旭光[18]介绍了长螺旋钻孔压灌流态固化土桩复合地基的工作性状和作用机理，以及长螺旋压灌流态固化土的施工工艺。

常见的基坑、肥槽回填通常采用回填土分层回填、压实或夯实[19]、分层检测的方法，每层厚度为0.2～0.3 m，如果分层厚度过大，则无法达到所要求的压实度，因此，回填工程效率较低[20]。当基坑较深、作业空间狭窄时，很难达到现行规范要求，无法满足压实度95%的设计要求。由于管廊结构基坑与一般基坑不同，其长条状基坑肥槽相对于一般基坑回填难度较大[21]。因此需要应用土体固化技术[22]，快速、显著地改变渣土的物理力学性能，使之成为相对强度高、密度大、孔隙小、压实度高的工程材料。依托城市地下空间施工快速装配支护技术，本文研究一种新型环保、高性能的预拌流态固化土材料，以期能够满足城市浅埋盖挖快速装配支护技术中已装配管节背后肥槽的及时、密实回填要求。

1 工程概述

山西综合改革示范区起步区姚村综合管廊建设工程包括管廊主体工程和管廊附属工程等。管廊为支线管廊，单侧布置，长4.90 km，位于姚村规划路北侧绿化带下。人民路至真武路段采用三舱矩形断面，真武路至太太路段采用四舱矩形断面。入廊管线有污水、给水、再生水、热力、天然气、电力和通信等7种管线。浅埋盖挖快速装配支护一体机(简称支护一体机)可在不影响路面交通的情况下，同步实施基坑开挖、基底处置、预制管节拼装、路面快速回填等多种工序，实现城市环境下浅埋基坑快速、经济、绿色施工。但是，管廊结构基坑深度较大、作业空间狭窄，难以满足规范要求，回填工程效率较低。

2 预拌流态固化土配比技术

采用新的土体固化技术，可快速、显著地改变渣土的物理力学性能。以复合矿物设计-化学激发作用为设计思路预拌流态固化土[23]，以低污染、高性价比的锅炉废渣、粉煤灰、脱硫石膏、煤矸石、建筑固废、矿渣、激发剂和土壤等原材料为配比材料拌制固化土，要求固化土的坍落度为150～200 mm，3、7、28 d的无侧限抗压强度分别不低于0.2、0.4、0.8 MPa，回填肥槽的无侧限抗压强度不小于0.8 MPa，初凝时间不小于3 h、终凝时间不大于10 h。

2.1 流态粉煤灰水泥土试验

流态粉煤灰水泥土试验主要是测定流态粉煤灰水泥土的相关性能，研究P.O 3.25普通硅酸盐水泥、P.O 42.5普通硅酸盐水泥、坍落度、粉煤灰对固化土3、7、28 d的无侧限抗压强度的影响(在进行此试验前，应先进行单掺试验，已获知水泥的最小掺量)。试验样品代码采用字母+数字的形式，A、A′、B分别为P.O 32.5普通硅酸盐水泥-粉煤灰、P.O 32.5普通硅酸盐水泥、P.O 42.5普通硅酸盐水泥。代码1、2、3、4为水泥与固化土的质量比分别为8%、15%、20%、25%。

2.1.1 坍落度

根据试验数据，绘制P.O 32.5普通硅酸盐水泥、P.O 42.5普通硅酸盐水泥2种材料拌制固化土的水泥与固化土质量比不同时，28 d无侧限抗压强度随坍落度变化的曲线，如图1所示。

a)A系列 b)B系列 图1 无侧限抗压强度随坍落度的变化趋势

由图1可知：随着坍落度的增大，凝胶材料(粉煤灰与水泥)用量相同时，试块的28 d无侧限强度呈逐步下降的趋势。试样B1可满足固化土28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa的要求，试样A′1、A′2已基本满足回填肥槽的要求，为节约成本，没有必要选择质量比过高的水泥掺量使强度过大。

2.1.2 粉煤灰

将A1和A′1的7 、28 d的无侧限抗压强度与A2和A′2对比发现，通过外掺法加入粉煤灰对试块的强度提升作用有限，甚至有时低于未掺试块的强度。原因是体系中引入的粉煤灰具有水硬性胶凝潜能，但其参与水化的进程较慢，活性较低。没有激发剂时，只能通过本身颗粒具有的高比表面积的优势提供增稠和微集料效应。

粉煤灰对水泥的水化产物氢氧化钙(Ca(OH)2)具有强烈的吸附性，溶液中的碱度降低，影响了水泥水化产物的稳定性，水化硅酸钙中的钙化物和硫化物的溶解量逐渐降低析出Ca(OH)2，水化产物的结构和性能发生变化，固化土的性能受到影响。流态粉煤灰水泥土不仅需要有效的化学激发手段，还需要适当补钙，以提高浆液中Ca(OH)2的浓度。因此采用复合掺合料-激发剂掺配方式。

2.2 固化剂试验

根据流态粉煤灰水泥土试验经验，单纯添加水泥造价过高，且容易强度过大，可借助有效地激发手段发挥粉煤灰水泥土的作用。依据复合矿物设计-化学激发作用的设计思路，选择水泥、富含活性Al2O3和SiO2的工业废渣(如矿渣、钢渣、粉煤灰等)，可改善土颗粒的表面活性和电荷状况的表面改性剂，促进水泥和其他矿物水化反应的活性激发剂等组分，与固化土的质量比分别为1%～5%、5%～10%、25%～40%、50%，混合磨细后形成粉末状的固化剂[24]。

一方面固化剂与土体质量比不同时对固化后土体进行强度分析，另一方面通过不同的水灰质量比控制坍落度，寻找最适合回填肥槽的水泥和固化剂。

固定坍落度为150 mm(水灰质量比为1.5∶1)，测试固化剂与固化土的质量比不同时S.P.A 32.5矿渣水泥的3、7 d固化强度。根据试验数据可确定矿渣水泥和固化剂的掺量范围，下一步最终确定符合现场实际需求的具体配方。矿渣水泥与固化剂的质量比为2∶1，水灰质量比依次为2.5∶1、2.0∶1、1.5∶1，测定不同坍落度时浆液的无侧限抗压强度和相对密度。固化剂试样尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，试验设计代码C、D是掺和料分别为S.P.A 32.5矿渣水泥水泥和固化剂，代码1、2、3、4是掺和料与固化土的质量比分别为5%、6%、8%、10%。无侧限抗压强度测试结果见表1。

表1 固化剂无侧限抗压强度 a

由表1可知：同样掺量(两者的凝胶材料总量基本接近)下，掺有固化剂的试块各阶段无侧限抗压强度明显优于矿渣水泥，说明固化剂组分中激发剂和表面活性剂对具有水硬性潜能的复合矿物激发效果明显，同时复合矿物对整个流态固化土的浆液改性能力优越。但无论是掺入S.P.A 32.5矿渣水泥还是固化剂都存在强度过大的情况。因此，可以考虑S.P.A 32.5矿渣水泥+固化剂按照一定比例再次进行复配，既保证了强度要求也能有较好的经济性。

水灰质量比依次为2.5∶1、2.0∶1、1.5∶1时，混合物相对密度依次为1.22、1.28、1.35，均比土颗粒的相对密度小，说明浆液是一种优质的轻质材料，不会对结构产生过多的附加应力。

因此确定矿渣水泥与固化剂的质量比为2∶1，水灰质量比为2∶1，满足工程需要的200 mm坍落度要求。试验采用固化剂148 kg，土壤1478 kg，水339 kg，拌和后将试样送检，3、7、14、28 d无侧限抗压强度分别为0.5、1.1、1.8、2.4 MPa，均满足要求。

2.3 不同配比土试验

预拌流态固化土技术要求土源的有机质质量分数不大于5%，其颗粒粒径不大于50 mm。土占整个固化土质量的85%～90%，以砂土和黏土为主。

2.3.1 试验内容

对试验用的砂土和黏土进行筛分，砂土和黏土颗粒粒径分布如表2所示。

表2 砂土和黏土的颗粒粒径分布

通过对砂土的颗粒级配曲线进行拟合，得到拟合公式为：

y=0.001 4x6+0.028 4x5-0.202x4+0.663 8x3-1.155x2+1.157 3x-0.003 8,

式中：x为颗粒粒径，y为小于某粒径的土粒质量分数。

经计算得：限定粒径d60=2.176 mm，连续粒径d30=0.377 mm，有效粒径d10=0.099 mm，不均匀系数Cu=5.772，曲率系数Cc=0.960。根据数据绘图可知砂土的级配曲线无明显平台期，坡度较平缓，不均匀系数大于5，曲率系数接近1，属于级配较为良好的试验土。

测试固化剂掺量相同，砂土、黏土、固化剂及水的质量比不同时土的坍落度和3、7、28 d无侧限抗压强度，如表3所示。

表3 不同配比土养护后无侧限抗压强度

2.3.2 结果分析

由表3可知：试验土3、7、28 d的无侧限抗压强度随砂土质量比的减小而减小。

1)试验土全部由砂土组成时，砂土大颗粒(相较于固化剂和水泥的粒径几至几十μm)效应明显，承担骨架作用的砂土使整个凝胶体系强度变大，试验土的整体强度较大。

2)试验土全部由黏土组成时，各龄期的强度均最小，尤其是3 d的无侧限抗压强度只有0.31 MPa，略低于28 d强度的15%。早期强度低的原因主要是黏土的吸附作用限制了凝胶材料的水化速度，黏土的粒径水平基本与固化剂属于同一数量级，丧失了砂土的骨架作用使整个固化土体的强度偏低。根据紧密堆积理论，大颗粒堆积的体系空隙中可填充粒径较小的颗粒， 再往大、小颗粒空隙中填充粒径更小的颗粒， 直至颗粒间空隙率达到最小，这种结构更密实，强度更大。当土壤全部由黏土组成时，可以适当掺入砂土，使整个系统的颗粒级配趋于合理，宏观上体现为各龄期的强度均有所提升。由全黏土组成的固化土试块强度最低，但也满足现场回填肥槽强度的要求。

2.3.3 固化土体的渗透性和体积收缩率

采用变水头法进行渗透试验，依据达西定律[25]，渗透系数

式中：a为测压管横断面积，F为土样的横断面积，L为土样的厚度，t为测量高度h1、h2的间隔时间。

测得现场土样k=1.463×10-5～1.526×10-5cm/s，28 d龄期试块k=1.544×10-7～1.873×10-7cm/s，流态固化土在硬化后可显著提升土体的渗透性。

3 预拌流态固化土回填施工工艺

3.1 主要材料及配合比

3.1.1 土料

优先采用开挖的渣土，有机质的质量分数不大于5%，颗粒粒径不大于50 mm，含水量无要求。

3.1.2 配合比

试验确定符合工程要求的配合比。S.P.A 32.5矿渣水泥与固化剂的质量比为2∶1，水灰比为2∶1，坍落度为200 mm，掺和料表面积不小于300 m2/kg，筛余量(0.08 mm)不超过8%。

3.1.3 拌和用水

固化土拌和用水可以是饮用水、地表水和地下水，氯离子的质量浓度不超过600 mg/L，没有明显漂浮的油脂和泡沫，没有明显颜色和异味。

3.2 施工作业及要求

3.2.1 固化土原材料质量检查及存储

在施工现场设立固化土搅拌站集中进行拌和，拌和前检查土质的种类、粒径，确定无杂物，符合作业规范要求。采用粉料罐存储并运至现场的固化剂粉料，采用桶装存储液剂，并按照要求进行作业前检验。固化剂存储时间不超过3个月，否则应重新进行检验，确认合格后方可使用。

3.2.2 固化土拌和质量控制

先将固化剂、粉煤灰、外加剂等与水按配合比投入浆液拌和器混合成浆液，再将浆液与土投入搅拌器拌和成固化土。固化土的坍落度为150～180 mm，28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa，固化土的初凝时间不小于3 h，终凝时间不大于10 h。

3.2.3 固化土回填浇注

浇注时，固化土自由倾落高度一般不宜超过2 m，超过2 m时应由导流槽或泵车将搅拌好的固化土导入基槽[26]。分层浇注，每层回填厚度为1 m。在浇注过程中应人工辅助刮平，与坑(槽)边壁上的标高控制线对应检查，保证每个浇注层基本水平进行。合理配量施工机械和人员，管廊两侧基坑平衡浇注，基槽回填连续不间断。防止地面水流入坑(槽)内，应有防雨排水措施。刚回填完毕或尚未初凝的固化土若受雨淋浸泡，则应除去积水及松软土并补填；回填完成后及时覆盖基槽，雨天不施工。

3.2.4 验收、养生与补强

回填最上一层完成后，采用拉线或靠尺检查标高和平整度，超高处用人工处理平整，低洼处及时补填固化土。浇注完成后进行覆盖养护，保证强度增长，期间严禁机械、行人通过。因养护、黏土含量、坍落度控制及外部环境造成水分流失时，浇注层与基槽量测结合部出现干缩裂缝，应在浇注完成3 d后，对施工分段接缝处高压注入固化浆液。若表面产生轻微的裂缝，应在养生期间人工用固化剂浆液将裂缝灌浆。

3.3 技术优势

规范要求基坑、肥槽回填采用回填土分层回填、分层压实或夯实、分层检测，每层厚度为0.2～0.3 m，如果分层厚度过大，则无法达到压实度95%的要求。当基坑深度较大、作业空间狭窄时，很难满足现行规范要求。管廊结构基坑与一般基坑不同，其长条状管廊两侧基坑相对于一般基坑回填难度较大，因此需要应用土体固化技术，实现快速、显著地改变渣土的物理力学性能，使之成为相对强度高、密度大、孔隙小、压实度高的工程材料。将研发的新型环保、高性能预拌流态固化土材料用于狭小肥槽的回填施工，经工程作业证明，回填效率高、质量好，能够满足城市浅埋盖挖快速装配支护技术中已装配管节背后肥槽的及时回填密实要求。

4 结语

太原姚村管廊示范工程预拌流态固化土回填施工技术的应用表明：新型环保、高性能的预拌流态固化土材料回填效率高，作业质量好，符合我国节能减排、绿色施工的发展方向，实现了城市地下空间施工快速装配支护技术研发的目标，为城市地下大空间开发提供更多的支持，具有广泛应用前景。