南京盾构渣土工程特性及其微观结构

张祖烺， 顾琳琳*， 王振， 张于晔， 武广财， 薛丹璇， 朱晓东

(1.南京理工大学理学院， 南京 210094; 2.南京理工大学机械学院， 南京 210094； 3.中国市政华北设计研究总院有限公司， 天津 300074)

随着越来越多的城市的地铁建设，盾构法施工产生的渣土量今后将不断提高，根据《城市轨道交通2020年度统计和分析报告》[1]，截至2020年，全国33个城市配备有177条地铁线，总里程达到6 280.8 km，若隧道内轮廓直径按6.4 m计算，全国将出土约2亿m3土。国家“十四五”资源综合利用指导意见明确指出，要拓宽建筑垃圾、冶炼渣等大宗固废利用途径，并大幅度提高大宗固废综合利用率。近年来，中国进入平稳较快发展阶段，人民的社会环保意识持续提高，环境保护与城市化建设的矛盾问题越发突出，砂石等建筑材料的环境成本和人工成本逐年递增。盾构渣土的充分处理和资源化利用可以减少废弃物堆积占用的土地资源并替代一部分的建筑材料，实现社会效益和经济效益的共同发展，拥有着广泛的发展前景。

目前，地铁盾构渣土经过振动筛分，絮凝和压滤等处理措施能够分离出不同粒径的砂和土，用于制备免烧砖、堆山造景、陶粒生产等的绿色建筑材料[2-3]，也可以用作矿坑填料和高流态充填材料[4-5],但由于地铁盾构渣土具有区域性，分散性以及成分的复杂性等特点导致渣土利用量极低。因此，针对盾构渣土工程特性的试验将为盾构渣土的再利用提供可靠的基础研究，具有重要的指导意义。郝彤等[6]通过X-ray diffraction分析及差热分析表明温度变化能够影响盾构渣土的矿物成分和物理性质，为制备水泥混合材料提供了重要依据。朱瑜星等[7]结合室内试验所测得的盾构渣土物理性质指标，开展渣土的改良实验，证明了渣土改良为流动化回填土的可行性。张书经[8]利用X射线荧光光谱、扫描电镜等设备探究盾构渣土加固前后的理化性质，以此揭示其变化规律。相关试验主要以盾构渣土性质为基础进行资源化利用研究，而且中外众多学者将盾构渣土作为某一工程材料进行具体而系统性的试验研究。王树英等[9]通过坍落度实验和渗流性实验研究了泡沫改良砂性渣土的渗流特征以及其受流塑性和水压力影响规律。Huang等[10]表明随着泡沫注入比的增加，表面覆盖泡沫土的卵石和砂的分离作用逐渐减弱，渣土抗剪强度呈非线性减小。李兴春[11]研究了膨润土、泡沫剂和高分子材料等改良剂对砂砾层渣土的流动性、渗透性以及抗剪强度等力学性能的影响。张书经等[12]阐述了盾构渣土基本性质及水分赋存机制，分析了固体废弃物脱水技术对盾构渣土的适用性。孙倩倩[13]进行不排水不排气三轴实验对高含水率渣土进行强度测试，并基于有效固结应力原理及Hilf孔压公式等，提出一种非饱和渣土的堆填体稳定性分析方法。

上述研究成果深入探讨了盾构渣土的工程特性，对于了解盾构渣土的基本岩土参数起到了重要作用。现以南京市地铁盾构渣土为研究对象，主要利用无侧限压力仪，固结仪和扫描电镜等对风干盾构渣土进行物理力学性质分析，以此揭示变化规律，重点研究盾构渣土作为填筑材料的工程特性，为地铁盾构渣土的再利用提供可靠的基础研究。

1 试验方案

试样取自江苏省南京地铁五号线工程D5-XK04标三山街站～朝天宫站区间底板埋深为16.7～29.6 m的盾构渣土。由于土工结构的填筑材料优劣的衡量标准在于颗粒级配、压缩性、抗剪强度和微观结构等基本物理力学性质。为此本文对盾构渣土进行了以下实验和分析。

(1)盾构渣土的基本物性：通过X射线衍射、颗粒分析和界限含水率等相关室内试验分别获得盾构渣土的矿物组成与基本物理参数。

(2)无侧限抗压强度试验：在室内通风条件下，将盾构渣土摊开，利用温度和空气的流动使土体内的水分汽化，利用压样机制备高度为80 mm，直径39.1 mm的样品，研究在不同风干天数下盾构渣土的无侧限抗压强度变化规律，实验仪器是YYW-II型数显式电动无侧限压力仪，以每分钟轴向应变为2.5%的速率使升降板上升进行加压，试验时间控制在8～10 min。

(3)侧限压缩试验：采用WG-1B型中压固结仪进行渣土的压缩性能测定，将环刀切取的风干土试样放入固结仪中，施加1 kPa的预压应力保证试验上下各部件相接触，考虑到含水率高的盾构渣土较软，因此按自12.5 kPa到800 kPa进行逐级加载，然后逐级卸载至12.5 kPa再加载至1 600 kPa，加荷比为1，试样垂直变形不超过0.01 mm/h，通过卸载-重加载的固结实验，研究不同风干天数下盾构渣土的孔隙比以及回弹指数等数值变化。

(4)抗剪强度试验：采用ZJ型应变控制式直剪仪进行渣土的抗剪强度测定，将制备好的试样缓缓推入剪切盒中，在活塞周围放置湿棉花，防止水分蒸发，固结稳定标准为试样垂直变形不大于0.005 mm/h，并在100、200、300、400 kPa垂直压力下进行剪切试验，剪切速率为0.019 mm/min，研究盾构渣土剪切强度与风干天数的关系。

(5)微观结构分析：利用托盘装取适量盾构渣土，风干至恒重后，将土样掰成适宜尺寸大小，选取观测面较为平整的试样，表面喷镀一层导电物质，之后，用导电胶将该试样固定于观察室底座，通过实验仪器型号为JSM-IT500HR的扫描电子显微镜对颗粒的表面结构和形状等进行观测，分析盾构渣土微观结构形态特点。

2 盾构渣土的工程特性

2.1 盾构渣土基本物性

南京地铁5号线盾构施工采用土压平衡盾构施工的方式，穿越地层为岩、土且软硬混合地层，为方便盾构施工，向刀盘前、土仓内和螺旋输送机中加注水、泡沫剂、聚合物等添加剂进行改良，造成添加剂掺杂在盾构渣土中，导致土体成为一种具有可压缩性、低剪切强度、抗渗性强等特征的泥态废弃物[14]。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[15]进行室内试验，测得盾构渣土的基本物理参数如表1所示，级配曲线如图1所示。

表1 盾构渣土基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of shield dreg

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Gradation curves of particle

从图1可以得出，盾构渣土的颗粒偏细，其中细粒组含量为60%；曲率系数Cc为1.02；不均匀系数Cu为20.05。当Cu较大时，表示盾构渣土的不同粒组成分分布较广，表现为缺少中间粒径，即颗粒级配不连续，因此需要结合Cc进行判定，从工程观点看，该处盾构渣土Cu≥5，且1

由于物质的X射线衍射图像跟矿物晶体结构存在一一对应的关系，即使与其他晶体混合在一起也不会影响其对应特征。因此，本文利用X射线微区衍射实验获得盾构渣土的矿物组成，具体方法为：取400 g盾构渣土放于温度设置为80 ℃的电热鼓风干燥箱中，烘干至恒重后将盾构渣土置于研钵中研磨成粉，利用Bruker-AXS D8 Advance型X射线衍射仪进行测定。试验得到的盾构渣土的X射线微区衍射图谱如图2所示。通过分析可知，盾构渣土中的矿物组成主要含有石英、方解石、钠长石和伊利石等。

图2 盾构渣土X射线微区衍射图谱Fig.2 Spectrum of X ray diffraction of shield dreg

2.2 无侧限抗压强度试验

试样压缩过程中的应力—应变曲线反映了土体变形破坏过程[16]，图3为风干天数为7、14、28 d的盾构渣土的应力-应变曲线。应力-应变曲线的峰值即为该试样的无侧限抗压强度，可以看出，试样在到达极限压应变前，经历了压实阶段(凹形段)，弹性变形阶段(直线段)，以及即将达到峰值时的屈服阶段(凸起段)。随着风干天数的增加，试样的压缩曲线的整体斜率不断增大，压密阶段和屈服阶段的范围逐渐减小。

在列车的行驶过程中，轮轨之间滚动接触产生的振动，并以噪声形式向外辐射.如图3所示，车轮滚动过程中产生的车轮噪声和钢轨噪声合成后形成轮轨噪声并向车厢内部辐射.当列车运行速度加快时，轮轨的粗糙度和机车车辆行走部各组件和线路上的各构件振动将引起高强度噪声.

图4为盾构渣土的风干天数与无侧限抗压强度的关系。干密度相同的试样，风干天数分别为5、7、14、28 d，无侧限抗压强度从138 kPa增加至2 301 kPa。风干时间从5～7 d、7～14 d、14～28 d，盾构渣土的无侧限抗压强度的增量值分别为515、773、875 kPa，增量系数分别为3.73、1.18、0.61。通过数据对比可知，在同一干密度情况下，随着干燥时间的增加，试样的含水率不断降低，无侧限抗压强度持续增大，但强度的增量系数随之减小。

图3 不同风干天数下盾构渣土的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of shield dreg under different drying days

图4 不同风干天数下盾构渣土的无侧限抗压强度Fig.4 Unconfined compressive strength of shield dreg under different drying days

2.3 侧限压缩试验

进行不同风干天数后盾构渣土试样的压缩回弹试验，编号为试样1～试样6。试样的初始状态如表2所示。

表2 试样初始状态Table 2 Initial state of the sample

以加载等级为横坐标，以不同风干天数试样的孔隙比为纵坐标，得到图5(a)所示试样的孔隙比随荷载增加的变化规律曲线，风干天数多的盾构渣土初始含水率低，初始孔隙比小。在相同荷载等级作用下，试样的轴向变形随风干天数的增加而减小。该处盾构渣土的压缩系数av不是常量，当荷载等级较小时，土样的孔隙比变化速度快，压缩系数的降幅大，土体压缩的原因是颗粒间距的减小，荷载等级较小依旧能够产生较大的压缩变形，随着加压等级的增加，压缩系数持续减小，而在固结压力达到中高压阶段时，颗粒间的孔隙不大，主要是因为颗粒变形而产生压缩量，颗粒变形需要破坏其原本的空间结构故产生的压缩量有限。王港等[17]将土的压缩变形机制归结为土体中的孔隙、颗粒团聚体等微观结构的不断自我调整以趋达到稳定有序状态。孙文静等[18]进行了膨润土泥浆的压缩试验，结果表明：压缩过程中，颗粒间的孔隙会快速减少，而竖向应力达到550 kPa后，压力增大会导致颗粒内孔隙的减少，后一阶段所需做的功远大于前一阶段，与本文的分析一致。图5(b)为试样1～试样6的卸载-再加载曲线，随着风干天数的增加，其闭合曲线的整体斜率及宽度持续减小。

根据国家相关规范可知，除了回弹指数Ce和压缩指数Cc基本为常数外，其他变形参数均不为常数，一般选取100～200 kPa压应力区间内所对应的参数值Es、av、mv进行比较，试样的侧限压缩试验结果如表3所示，随着风干天数的不断增加，Es不断增大，而av、mv、Cc和Ce持续减小，压缩性类别由高压缩性向中等压缩性转变。以盾构渣土为矿坑等填埋材料需要注意：在相同的加载方式作用下，渣土的沉降量会随风干天数增多而不断减小，因此，为了减小工后沉降和不均匀沉降所带来的不利影响，可以对原状盾构渣土进行干燥处理。

图5 不同风干天数的盾构渣土压缩实验结果Fig.5 Experimental results of shield dreg compressionunder different drying days

表3 盾构渣土的室内压缩试验结果Table 3 Results of shield dreg compression test in laboratory

2.4 抗剪强度试验

土的抗剪强度由摩擦强度σtanφ和黏聚强度c两部分组成，剪切面上的正应力σ和内摩擦角φ决定了土的摩擦强度，而土的黏聚力c取决于土颗粒间包括静电力、胶结作用和吸水膜作用等的影响，为了研究不同风干天数盾构渣土的抗剪强度变化规律，参考了岩土抗剪强度的相关文献[19-20]，运用最小二乘法进行线性拟合得到了正应力与抗剪强度的回归曲线，如图6所示。

试样的内摩擦角及黏聚力的计算结果如表4所示，通过对比可以发现，随着风干天数的增加，黏聚力和内摩擦角大致呈增长趋势，内摩擦角增大幅度缓慢，黏聚力增长幅度则较为急剧。一方面，试样因为竖向正应力的作用将相继排出自由水和结合水，随着含水率的降低，盾构渣土颗粒间的咬合所产生的摩擦增强，密度增大；另一方面，由于基质吸力[21]的存在，水分附于颗粒表面形成结合水膜，吸水膜作用对土的黏聚力影响显著，随着风干天数的增加，渣土的含水率不断减小，结合水膜逐渐变薄，颗粒间的距离不断变近，胶结作用不断增强。此时，试样的抗剪强度主要是因为含水率变化的影响，导致颗粒间的静电力，吸水膜作用和胶结作用等物理化学作用力的增强。

图6 正应力与抗剪强度线性回归曲线Fig.6 Linear regression curve of normal stress and shear strength

含水率变化对不同正应力下盾构渣土的影响如图7所示，相同正应力条件下，不同风干天数试样的抗剪强度随着含水率的下降总体呈上升趋势。水分在一定程度上能够润滑和软化土颗粒，且自由水含量较多时，能够促使该作用更加显著，此外，由于盾构施工需要加入的泡沫剂也能起到良好的润滑作用，因而，含水率较高即风干天数低时，对颗粒间的连接弱化越明显。从图7可以看出，在含水率从41.5%下降至25.2%阶段，随着正应力的增加，抗剪强度增长趋势愈明显，分析其原因，含水率较高时，正应力越大，土颗粒中的水分排出的越多，水分的降低将导致润滑和软化的作用减弱；另外，处于非最适宜含水率时，泡沫剂的润滑作用也将有所减弱。

表4 试样黏聚力和内摩擦角Table 4 Cohesion and internal friction angle of samples

图7 不同正应力下抗剪强度与含水率变化规律Fig.7 Variation of shear strength with water content under different normal stress

3 盾构渣土的微观结构

岩土工程领域中，大量科研工作已经集中于微观结构与宏观力学特性结合方面的研究，扫描电子显微镜是现今表征岩土材料微观形貌特点的主要手段之一，能够得到衬度适中、分辨率高、信燥比好的高质量图像，其工作机理是：从电子发射枪发射出的电子束，经多级电磁电镜作用后凝聚成单条极细的电子束，直径一般为1～5 nm，电子在样品表面激射出次级电子、透射电子和背散射电子等各种信息，将不同的探测器收集到的信息转换成视频信号，同步传递到显象管中成像，得到试样相应区域的形貌特征。

基于扫描电镜图像最优条件下获取试样的SEM图像(图8)，放大倍数分别为1 000倍和10 000倍，图8(a)基本上是一个团聚体在平面上的联结结构，不同大小的孔隙随机分布于表面，而图8(b)则能够捕捉到试样垂直方向清晰的微观结构，可以看出，试样具有大量的团聚体，并有颗粒环绕周围，大量的团聚体非定向排列成存在一定间距的实体式基质结构，外包颗粒也无明显的定向分布规律。试样的微观形貌特征能够良好地反映出盾构渣土的宏观力学特性，团聚体主要以边-面、面-面形式的生成，接触较为松散，这种状态在外力下容易发生错位移动，与本文所测中高压缩性和低剪切强度特征等实验结果相符。

图8 1 000倍和10 000倍盾构渣土SEM图像Fig.8 SEM image of shield dreg at 1 000x and 10 000x

4 结论

以室内试验为主，对试样进行室内通风干燥处理，通过具体、系统性的研究，揭示了盾构渣土基本物性力学工程特性及其微观结构，得出如下结论。

(1)该区域盾构渣土成分以石英石、方解石等为主，具有流塑性、天然含水率高和级配良好等基本物性特征。

(2)试样的无侧限抗压强度随着风干天数的增加而不断增大，强度增量系数降低，压缩曲线的整体斜率不断增大，极限压应变前的压密阶段和屈服阶段的范围逐渐减小。

(3)采用相同加载方式，进行不同风干天数试样的卸载-重加载试验，随着风干天数的增加，Es持续增大，而av、mv、Cc和Ce不断减小，盾构渣土的压缩性类别由高压缩性向中等压缩性转变，研究表明：对原状盾构渣土进行干燥处理，可以减小工后沉降和不均匀沉降所带来的不利影响。

(4)随着风干天数的增加，风干试样的黏聚力和内摩擦角大致呈增长趋势，内摩擦角增长幅度缓慢，而黏聚力增长幅度较急剧；在自由水含量较高时，随着正应力的增加，抗剪强度正长趋势愈明显。

(5)微观结构分析表明，团聚体主要以边-面、面-面的形式接触，外包颗粒，两者无定向分布规律，在外力作用下，此种实体式基质结构易发生错位移动，符合本文所测的侧限压缩，抗剪强度等力学试验结果。