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基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024收稿日期：2023-11-08修回日期：2023-12-08作者简介：张建勇（1982-），男，高级工程师，主要从事机械工程及自动化、地下工程等领域的研究工作，E-mail：.基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究张建勇（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211899）摘要：盾构隧道排放的渣土改性成路基材料可显著提高资源利用效率，但在反复冻融环境下存在安全隐患。依托武汉某盾构隧道工程，以大直径泥水盾构废弃浆渣为研究对象，通过添加自主研发的固废基胶凝剂（Cement-Slag-Gypsum-Alum，CSGA）及玄武岩纤维（BF）对盾构浆渣进行改良，并对CSGA-BF改良后的盾构浆渣开展冻融循环试验，研究不同纤维掺量、冻融循环次数等条件对改良盾构浆渣的外观劣化特性、力学特性及微观损伤机制的影响。结果表明：在冻融循环作用下，改良浆渣体积呈波浪式变化，并且整体表现为体积膨胀；随着冻融循环次数增加，改良盾构浆渣的无侧限抗压强度及弹性模量均呈现非线性递减，适当掺量的玄武岩纤维可增强筋-土界面的摩擦力，对浆渣的抗冻性具有重要作用，但纤维过量添加也会造成试样强度降低；当冻融循环达到9次后，改良盾构浆渣的抗压强度及弹性模量趋于稳定并且孔隙之间呈现贯通趋势。关键词：大直径泥水盾构；冻融循环；废弃浆渣；劣化机制中图分类号：U455文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）01-0260-12DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.027引文格式：张建勇.基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究J.现代隧道技术,2024,61(1):260-271.ZHANG Jianyong.Study on Deterioration Characteristics of Modified Slurry Shield Spoil Based on Freeze-thaw Cycle TestJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):260-271.1引 言随着城市地铁和跨江跨海隧道的大规模建设，盾构法已成为重大地下工程建设领域的关键技术之一1,2，但施工过程中排放的废渣也成为了城市建筑垃圾3的主要来源。据统计，全国在建的地铁盾构隧道产生的渣土总量已超过 2.25 亿 m34，盾构隧道渣土的主要处理方法仍然是填埋，利用率极低5，容易造成环境污染和土地浪费6。盾构掘进产生的渣土由不同粒径的土、碎石或混合碎石组成，具有巨大的资源利用价值。Yamana等7报道了日本阪神高速公路盾构施工现场处理盾构渣土的案例，将盾构渣土作为填海材料进行再利用。日本琦玉高速铁路泥水盾构隧道产生的浆渣，在添加无机胶凝剂后，作为回填土成功应用于周边工业园区等工程8。Zhang等9考虑了材料的比重、流动性、凝胶时间、泌水率、体积收缩率和无侧限抗压强度的影响，通过合理选择和优化水胶比、水灰比等，提出了同步注浆材料的最佳配方。Zhang等10针对粉细砂地层盾构施工产出的废弃浆渣，探讨了将其用作同步注浆浆液的砂源的可行性，现场试验结果表明，所配制的浆液能够满足盾构施工要求。Cui等11采用黏土地层盾构浆渣、水泥、高效减水剂、环氧树脂乳液，制备了高性能同步注浆浆液。此外，Wang等12提出了用盾构浆渣替代石灰制备泥浆脱水剂的方法，该方法能避免石灰处理使得浆渣碱性过高的问题。虽然已有研究表明盾构浆渣的资源化再利用途径具备可行性，但大多数研究关注的是材料的工程性能，很少研究外部环境对其性能的影响，在反复冻融的自然条件下采用盾构渣土建设的路基已经出现了冻胀等问题。本文以自主研发的固废基胶凝剂（Cement-Slag-Gypsum-Alum，以下简称CSGA）及玄武岩纤维（BF）作为盾构浆渣的加固材料，对CSGA-BF改良后的盾构浆渣开展冻融循环试验，探究泥水盾构浆渣种类、纤维掺量、冻融循环次数等因素对改良盾构浆渣的劣化影响，基于SEM测试结果及Image J软260基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版件，提取改良后的盾构渣土微观数据，分析孔隙面积、颗粒丰度和分形维数的演化特征，揭示改良盾构渣土的微观结构损伤特征。2工程概况本文选用的盾构浆渣取自武汉某大直径盾构隧道工程（图1），该工程位于武珞路南侧，向北下穿蛇山及京广铁路，后经民主路、粮道街、得胜桥，止于中山路南侧，项目路线全长3 042.5 m，其中，盾构隧道段长度为1 390 m，采用直径为16.03 m的泥水平衡盾构机施工。该盾构隧道工程穿越地层岩性种类多样，转换频繁，软硬不均，主要岩性有泥质砂岩、灰岩、泥灰岩、碳质页岩、粉砂质泥岩、硅质岩、石英砂岩，最大岩石强度高达197 MPa。盾构区间掘进段内共有 7种岩性，14种地层，地层转换23次，工程地质剖面如图2所示。图1 武汉某大直径盾构隧道平面图Fig.1 Plan for a large-diameter shield tunnel in Wuhan图2 武汉某大直径盾构隧道工程地质剖面Fig.2 Engineering geological section of a large-diameter shield tunnel in Wuhan3试验材料及试验方法3.1试验材料（1）泥水盾构废弃浆渣选择的浆渣来源于灰岩层，主要为岩质浆渣，呈灰白色，微晶结构，浆渣烘干后情况如图3所示。（2）CSGA固化材料本文研发的盾构浆渣胶凝剂是以高炉矿渣为主要成分的复合胶凝材料，辅以水泥、半水石膏等外加剂构成的新型胶凝材料（CSGA），各类固化材料如图4所示。通过大量正交试验得到CSGA胶凝剂各组分的最优掺入比见表1。（3）玄武岩纤维玄武岩纤维（Basalt Fiber，简称BF）是天然火山261基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图3 泥水盾构浆渣烘干后渣样Fig.3 Sample of dried spoil from slurry shield图4 胶凝剂所用材料Fig.4 Material used as gelatinizer表1 CSGA胶凝剂组分及占比Table 1 Components of CSGA gelatinizer and theirproportion成分掺量/%高炉矿渣60425硅酸盐水泥12半水石膏10铝酸钙12明矾2生石灰4岩在1 500 高温下熔融后，快速拉制而成的连续纤维，属于无机非金属纤维。目前，玄武岩纤维在土木工程领域的应用主要集中在混凝土改良、纤维布、复合筋布等，均具有较高的性价比，也有部分学者将玄武岩纤维用于膨胀土、黄土等软土加固13,14。本文采用玄武岩纤维来提高盾构浆渣用于路基回填土时的耐久性。试验用玄武岩纤维材料如图5所示。3.2试验方案对于该地区盾构浆渣，选择CSGA胶凝剂进行浆渣固化改良，当盾构浆渣掺量为80%时，从固化效果、经济成本等角度看，可满足二级及二级以下公路的中、轻交通水泥稳定材料或免烧砌体砖的性能需求，但改良后的盾构浆渣在冻融循环作用下能否保持良好的工程耐久性值得探究。制样参照美国材料与试验协会标准ASTMD4843-88，将掺加80%浆渣、20%CSGA胶凝剂的固化土制成尺寸为50 mm100 mm的圆柱体试样。试样分图5 纤维-胶凝剂-盾构浆渣混合样Fig.5 Sample of fiber-gelatinizer-shield spoil为6个大组，根据试块体积比计算，将玄武岩纤维掺量 分别设定为试样体积的 0.0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.1%，纤维长度取12 mm15，添加纤维的过程中应尽量避免纤维发生缠结，从而获得均匀的混合物。纤维加筋土的制备方法主要有干式加筋法和湿式加筋法两种。干式加筋法是指先将浆渣与纤维搅拌均匀，再控制水量达到目标含水率，由于该方法实施过程中，纤维的分散性相对理想，本文主要采用干式加筋法。成型压实度取98%，试样在20 1/95%湿度条件下养护28 d，后进行冻融循环作用下的改良盾构浆渣劣化特性研究。3.3试验方法对试样开展封闭系统下无补水快速冻结冻融循环试验，流程如图6所示。冻融循环试验仪器使用天津市港源试验仪器厂生产的GDW-225高低温交变湿热试验箱，温控变化范围为-30125，温控精度为0.5，如图7所示。试样质量和几何尺寸的量测分别选用精度为0.10 g的电子天平和0.03 mm的数显游标卡尺，如图8所示。图6 冻融循环测试试验流程Fig.6 Freeze-thaw cycle test process262基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版图7 冻融循环试验设备Fig.7 Freeze-thaw cycle test equipment图8 体积变化率测试Fig.8 Volume variation rate test冻融循环试验依据ASTM D560-16进行，将养护28 d的试样置于-23 温度中冷冻24 h后，再置于21 温度下解冻23 h，为一个冻融循环过程，为模拟封闭系统下的冻融环境，试验前将试样表面包裹双层保鲜膜。试验设1、2、3、6、9、12次循环，研究表明，812次冻融循环后土体力学性质基本不再发生变化。3.4评价指标3.4.1改良盾构浆渣体积变化和质量损失率为探究冻融循环作用对改良盾构浆渣体积和质量的影响，对试样冻结和融化后进行质量和体积检测，如图9所示。试样冻结和融化后进行体积损失率的测定。试样体积变化率计算方式为16：dn=dn1+dn2+dn3+dn44（1）Vn=d2nHn4（2）v=Vn-V0V0 100%（3）式中：dn为第n次测量试样直径（m）；Hn为第n次测量试样高度（m）；Vn为第n次测量试样体积（m3）；v为试样体积变化率（%）。图9 试样体积变化率测点布设Fig.9 Layout of the measuring points for volume variation rateof specimen每次冻融结束后，取出试件进行质量损失的测定。质量损失率计算公式为：m=(1-mnm)100%（4）式中：m为初始质量（g）；mn为第n次测量试样质量（g）。3.4.2力学性能依据ASTM D2166/D2166M-13开展无侧限抗压强度试验。为研究冻融循环作用对改良浆渣力学特性的影响，对经过冻融循环后的试样进行无侧限压缩试验，试验采用控制应变法进行加载，加载速率为1 mm/min。4试验结果4.1外观劣化特征分析盾构浆渣添加不同体积掺量的玄武岩纤维进行改良后，经过1、3、6、9、12次冻融循环后的外观形态变化如图10所示。图10 浆渣试样冻融劣化过程对比Fig.10 Comparison of freeze-thaw deterioration process of spoilspecimen263基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024由图10可知，改良浆渣在经历3次冻融循环后，表面小孔洞开始明显增多；在经历6次冻融循环后，未掺加纤维的改良浆渣无法成型，而掺加纤维的开始出现细微裂缝；在经历9次冻融循环后，细微裂缝开始发展，上下底面开始出现部分土体脱落，块体表面玄武岩纤维有所显露17；在经历 12 次冻融循环后，孔洞和裂缝变大变多，表面土体脱落增加，棱角劣化严重，未掺纤维的试样整体彻底破坏。纤维的掺加对浆渣具有明显的改良效果，随着冻融的进行，纤维能抑制孔洞和裂缝的产生与发展，使得试样不至于在冻融过程中出现较大损失。出现这种现象的原因是孔隙水凝结为冰，进而对毛细孔壁产生膨胀应力18，当膨胀力大于土颗粒骨架的抗拉强度时，试件会出现孔隙和裂纹，该过程是不可逆的。在冻融循环作用下，改良浆渣的内部结构不断发生损伤，表面孔隙和裂纹数量和尺寸不断增长，最终导致试样表面脱落损坏。添加玄武岩纤维后纤维通过与水化产物凝胶结合，增加了基体各部分的结合强度，进而提高了改良浆渣抗冻性。4.2试样体积变化率及质量损失率变化规律分析4.2.1试样体积变化率演变特性不同纤维掺量下试样体积随冻融循环次数的变化曲线如图11所示。在冻融过程中，改良后的浆渣体积呈波浪起伏变化，但总体而言，试样体积随着冻融次数增加而增大。图11 改良浆渣试样体积随冻融循环次数的变化规律Fig.11 Variation of the volume of modified spoil specimenwith as the number of freeze-thaw cycles改良浆渣在未掺加纤维时，在第1、3、6、9、12次冻结条件下，体积变化量由3.79%增至9.86%；在第1、3、6、9、12 次融化时，体积变化量由 1.14%增至5.47%。当纤维体积掺量由0.1%增至1.1%时，随着冻结次数的增加，体积变化区间分别为 1.82%8.50%、3.02%8.45%、2.49%7.80%、2.14%3.87%、1.36%6.83%；在不同融化次数下，体积变化区间分别为0.94%5.19%、0.81%4.91%、0.45%4.62%、0.61%1.82%、-0.02%3.36%。出现体积增大的现象是因为土体在冻融循环过程中，土中孔隙水的物理状态会不断发生变化，在冻结过程中，土中孔隙水凝结成冰晶体和冰透镜体，体积发生膨胀，体积增大后的固态孔隙水会推动土颗粒发生位移，导致土体颗粒间间距增大，最终导致体积膨胀。而在融化过程中，孔隙水由固态重新转化为液态，体积减小，土颗粒收缩导致孔隙体积减小，但由于浆渣在自重作用下的压缩固结量较小，致使试样不能完全恢复至冻胀前的状态，从而表现为体积的持续增大，具体过程如图12所示。图12 盾构渣土中孔隙水冻结膨胀和融化收缩示意Fig.12 Schematic diagram for freeze expansion and thawcontraction of the pore water in shield muck4.2.2改良盾构浆渣质量损失率特性研究改良浆渣试样质量损失率随冻融循环次数的变化如图13所示，可以看出，随着冻融循环次数的增加，土体的质量持续减小，质量持续损失。在纤维体积掺量为0%时，改良浆渣经过1次、3次、6次冻融循环后，质量损失率依次增至0.11%、0.15%、0.33%，而进行至第9、第12次循环时，试样已然损坏；纤维体积掺量由0.1%增至1.1%时，在不同循环次数下，改良浆渣质量损失率分别介于0.04%0.15%、0.03%0.13%、0.08%0.21%、0.06%0.15%、0.06%0.21%。图13 改良浆渣试样质量损失率随冻融循环次数的变化规律Fig.13 Variation of the mass loss rate of modified spoilspecimen with the number of freeze-thaw cycles264基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版从数据上看，改良浆渣的质量损失率均未超过0.25%，对土体的整体结构和强度的影响较小，玄武岩纤维对土体也有改良作用。土体出现质量损失的原因主要为：在冻融循环过程中，孔隙水凝结导致体积增大，引起土体变形，融化过程又会使变形有一定恢复，在此过程中会引起土体内部孔隙及微裂缝增大甚至贯通，使得改良浆渣强度减小、表面削落，进而造成土体质量不断损失。加入玄武岩纤维后，纤维与土颗粒间的连接使得土体强度增加，阻碍了裂缝的产生和发展，减少了土颗粒的脱落，降低了质量损失。从整体看来，纤维最优体积掺量为0.5%，此时质量损失率最低。4.3 改良盾构浆渣的力学特性分析4.3.1冻融循环作用对改良浆渣应力-应变关系的影响基于CSGA-BF改良盾构浆渣的无侧限抗压试验结果，应力-应变曲线如图14所示。整体而言，随着轴向应变的增加，改良浆渣的应力先增大后减小，最后趋于稳定，而随着冻融循环次数的增大，试样峰值应力均呈减小趋势，当纤维体积掺量为0.5%时，其应力达到最大值4.5 MPa。改良盾构浆渣未发生冻融时，其破坏形式为脆性破坏，随着应变的增加，当荷载达到峰值应力后，塑性增强。图14 不同冻融循环次数各纤维掺量改良土应力-应变曲线Fig.14 Stress-strain curves of soil modified by different amounts of fiber added with different numbers of freeze-thaw cycles在不同冻融荷载下，改良浆渣的应力-应变变化具有较好的规律性，可大致可以分为初始压密、弹性变形、塑性变形、破坏及残余强度5个阶段，应力-应变曲线均呈应变软化特性。改良浆渣的峰值应变p与掺纤量的关系如图15所示。由图15可知，玄武岩纤维体积掺量与浆渣峰值应变存在线性关系，拟合函数表达式为：p=93.47+b,b 1.20,2.40（5）4.3.2冻融循环作用对改良浆渣无侧限抗压强度的影响不同纤维体积掺量下改良盾构浆渣的无侧限抗图15 改良浆渣峰值应变与玄武岩纤维体积掺量的数据统计Fig.15 Statistics of peak strain of modified spoil andadded volume of basalt fiber265基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024压强度与冻融循环次数的关系如图16所示。由图16可知：（1）随着冻融次数的增加，改良盾构浆渣的无侧限抗压强度均呈非线性递减，且主要的强度损失发生在第 1 次循环，改良浆渣强度平均损失达25.86%，该现象与既往采用玄武岩纤维改良土的试验结果相似。纤维体积掺量为0.5%时其无侧限抗压强度为最大。（2）总体而言，经历9次冻融循环后，改良试样的强度趋于稳定。冻融循环荷载造成试样强度降低的原因是，水由液态变成固态后体积将会增大，因此在冻结过程中，改良土颗粒之间的孔隙水体积发生膨胀，对土体骨架产生张拉效应，当膨胀力大于孔隙骨架抗拉强度时，造成骨架破碎或位移，颗粒之间的连接特性发生改变，同时使得孔隙体积扩张甚至贯通，产生裂隙。固相的冰在融化为液相的过程中，土体孔隙体积不可完全恢复，因此，反复冻融循环破坏了改良土初始结构并产生新的结构，造成土体强度衰减。经过反复冻融后，改良土内部结构趋于稳定，强度也同样趋于稳定。（3）未掺加纤维的改良浆渣在第9次冻融循环后基本丧失强度；经历12次冻融循环后，掺加纤维的改良浆渣强度累积损失平均值高达55.71%。土体中孔隙水的冻胀、融化是强度劣化的主导因素，在配制试样过程中，改良浆渣的初始含水率较高，孔隙水冻胀结冰程度更为剧烈，因此改良浆渣的强度变化显著。4.3.3纤维体积掺量对改良浆渣的无侧限抗压强度的影响图16 不同纤维体积掺量条件下改良浆渣抗压强度与冻融循环次数的关系曲线Fig.16 Curve for relation between compressive strength ofmodified spoil and number of freeze-thaw cycles under differentadded volume of fiber加筋改良浆渣无侧限抗压强度随掺纤量变化规律如图 17 所示。由图 17 可知，纤维体积掺量在0.1%1.1%区间内，不同冻融次数下，掺加纤维的改良浆渣强度均大于未掺加纤维的改良浆渣强度，其中在未冻融条件下，纤维体积掺量为0.5%的改良浆渣较未添加纤维的浆渣强度提高44.40%，并且当冻融循环次数为12次时，掺加纤维的改良浆渣的强度最低为1.43MPa。图17 不同冻融循环条件下改良浆渣与纤维体积掺量的关系曲线Fig.17 Curve for relation between modified spoil and addedvolume of fiber under different freeze-thaw cycle conditions当纤维体积掺量介于00.5%时，随着掺纤比的增加，改良盾构浆渣的强度均有所提升，但当纤维体积掺量大于0.5%时，强度有所衰减。在以往研究中已经观察到在一定纤维体积掺量区间内，试样的无侧限抗压强度呈先增后减的特性，目前较为统一的认知是，当纤维体积掺量较小时，纤维与浆渣颗粒的接触面积较小，对浆渣的约束作用较弱，即加筋效果有限；当纤维体积掺量增大后，纤维与土的接触面积增加，两者相互搭接、交织使得筋-土的界面摩擦力增大，宏观表现为试样强度增加；然而，当纤维体积掺量大于最优体积掺量后，过多的纤维容易分布不均，较易发生纤维打结、抱团现象，进而产生薄弱面，造成试样强度降低。4.3.4冻融循环作用对改良浆渣弹性模量的影响弹性模量反映了改良盾构渣土抵抗弹性变形的能力，较高的弹性模量表明改良渣土具有较高强度，这对工程应用具有重要意义。本文以抗压强度的一半值与其相应的应变比值E/2加以表征，改良盾构浆渣的弹性模量与冻融循环次数的关系如图18所示。随着冻融循环次数增加，不同纤维体积掺量下改良盾构浆渣的弹性模量均呈非线性函数形式递266基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版图18 不同纤维体积掺量条件下改良浆渣弹性模量与冻融循环次数关系曲线Fig.18 Curve for relation between modulus of elasticity ofmodified spoil and number of freeze-thaw cycles under differentadded volume of fiber减，并且首次冻融循环时弹性模量劣化最为显著，掺纤改良土的弹性模量衰减百分比区间分别为14.05%33.35%、43.43%62.36%。此后，随着冻融次数增至3次，不同纤维体积掺量的改良浆渣弹性模量均产生衰减。当冻融循环次数达到6次后，改良浆渣的弹性模量衰减百分比介于26.90%50.68%、69.50%85.81%，当冻融次数达到9次后，衰减由于破坏了其原有结构，E/2衰减由69.50%升至85.81%，总体而言趋于稳定。结合图16和图18可知，随着冻融次数的增加，改良盾构浆渣的无侧限抗压强度和弹性模量具有相似的演变特性，为了进一步分析两者在量值上的相关程度，绘制散点图如图19所示。由图19可知，改良盾构浆渣的无侧限抗压强度与弹性模量具有线性关系，关系表达式为：E/2=80.95Fc+b,b -150,-20（5）4.3.5冻融作用下改良盾构浆渣损伤模型分析由于无侧限抗压强度和弹性模量损伤度具有非图19 改良浆渣的Fc与E/2关系曲线Fig.19 Fcand E/2relation curve for modified spoil线性演变特性，参考张广泰等19的研究，分别建立基于指数函数损伤模型和二次多项式型冻融损伤模型如下：D=(1-e-n)（6）式中：、均为浆渣材料系数；n为冻融循环次数。D=an2+bn+c（7）式中，a、b、c为浆渣材料系数。按照式（6）和式（7）分别对无侧限抗压强度冻融损伤度DFc和弹性模量冻融损伤度DE/2进行拟合分析，浆渣的DFc和DE/2冻融损伤模型参数见表2、表3。基于指数函数建立的冻融损伤模型的R2取值范围为0.930.98；基于二次多项式建立的冻融损伤模型的 R2取值范围分别为 0.370.94 和 0.790.96。可知，基于指数函数的冻融损伤模型拟合效果更好，更适用于浆渣冻融损伤度的计算。4.4 冻融循环作用下改良盾构浆渣的微观损伤机制4.4.1微观结构定性分析改良渣土在不同冻融循环次数下、放大倍数为1 000的微观图像如图20所示。在未冻融条件下，改良土结构密实，纤维与改良土连接紧密，仅有少量表2 盾构浆渣DFc的冻融损伤模型系数统计Table 2 Statistics of freeze-thaw damage model coefficient of shield spoilDFc纤维体积掺量/%00.10.30.50.81.1指数函数型模型系数38.0047.3855.7053.5053.2559.021.800.910.440.520.340.23相关系数R20.950.970.930.980.970.97二次多项式型模型系数a-1.66-0.60-0.50-0.57-0.43-0.35b15.8210.189.8810.599.098.50c6.4210.188.888.046.034.41相关系数R20.370.750.830.860.920.94267基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024图20 玄武岩纤维改良盾构渣土在不同放大倍数下的微观图像Fig.20 Microscopic image with different magnification times ofthe shield muck modified by basalt fiber孔隙，未出现显著裂纹。当冻融循环次数n=1时，孔隙数量有所增加，裂隙显现，并且裂隙-孔隙-裂隙之间出现贯通区域，冻融循环使得土体结构由致密向松散趋势发展，纤维与改良土出现脱空现象，这表明冻融使得土体的黏结作用减弱。观察冻融循环次数为3和6时的微观图像可知，冻融次数的增加使得孔隙直径增大，纤维出现脱黏滑动现象，并且纤维与改良土接触区域出现破坏界面。当冻融次数n=9时，疏松区域显著增大。4.4.2微观结构定量分析（1）孔隙面积比和孔隙等效直径改良浆渣的孔隙面积比和孔隙等效直径统计结果如图21所示。由图21可知，随着冻融次数的增加，改良浆渣的孔隙面积比和孔隙等效直径均呈增长趋势。图21 不同冻融循环次数下改良盾构浆渣孔隙面积比和孔隙等效直径统计结果Fig.21 Statistics on pore area ratio and pore equivalentdiameter of modified shield spoil under different numbers offreeze-thaw cycles对于孔隙面积比，改良浆渣的孔隙面积比在冻融循环次数为03次之间的增长速率最大，3次循环后孔隙面积比增至45.10%，当冻融循环次数大于3次后，改良浆渣孔隙面积比首先增至49.09%，此后呈先降后增特性。对于孔隙等效直径，改良浆渣的孔隙等效直径在冻融循环06次时以较大速率线性增长，随后先降后增，相较于初始状态，当冻融循环次数达到12次时，浆渣的孔隙等效直径增长39.84%。冻融循环过程中孔隙面积比和孔隙等效直径增大的原因可归结为冻结过程中孔隙水产生冻胀力，在冻胀力的作用表3 盾构浆渣DE/2的冻融损伤模型系数统计Table 3 Statistics of freeze-thaw damage model coefficient of shield spoil DE/2纤维体积掺量/%00.10.30.50.81.1指数函数型模型系数38.0047.3855.7053.5053.2559.021.800.910.440.520.340.23相关系数R20.950.970.930.980.980.97二次多项式型模型系数a-1.65-0.59-0.49-0.56-0.42-0.35b15.8110.189.8810.589.098.50c6.4210.178.888.046.034.41相关系数R20.790.850.900.920.950.96268基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版下改良浆渣内部孔隙自身增大、孔隙与孔隙之间产生贯通合并，试样结构将产生不可逆的变形，导致试样冻融交替后孔隙面积和直径有所增加。（2）颗粒丰度颗粒丰度C可以衡量冻融循环作用下土颗粒的形态特征，颗粒丰度范围为01，C值越小，颗粒形态越趋于长条形，C值越大，颗粒形态越趋于圆形。C=BL（8）式中：B为土颗粒短轴长度（m）；L为土颗粒长轴长度（m）。改良浆渣在冻融循环作用下的颗粒丰度百分含量及颗粒平均丰度如图22所示。图22 不同冻融循环次数下改良浆渣颗粒丰度与平均颗粒丰度曲线Fig.22 Curve for particle abundance and average particleabundance of modified spoil under different numbers of freeze-thaw cycles由图22（a）可知，冻融前改良浆渣颗粒的丰度主要分布于0.50.8之间（百分比62.77%）。当冻融循环次数为 612 时，该区间占比则降至 53.61%54.41%，并且丰度的主要分布区间改为0.40.7（n=6时该区间占比为 59.95%，n=9 时该区间占比为61.15%，n=12时该区间占比为61.72%），以上结果表明，冻融循环作用使得改良浆渣颗粒丰度呈减小趋势。由图22（b）可知，在冻融循环作用下该类型改良浆渣的颗粒平均丰度呈非线性递减特性，并在冻融循环次数为69次时趋于稳定。（3）颗粒形态分布分形维数采用Inage J软件对镜下扫描微观图进行颗粒形态分布分形维数的计算，改良浆渣颗粒形态分布分形维数变化曲线如图23所示。由图23可知，在冻融荷载作用下，改良浆渣的颗粒形态分布分维数随冻融循环次数的增加而降低，但相较于初始状态（n=0）的降低量仅为1.02%。以往研究表明，在冻融荷载作用下，孔隙面积增加，碎屑颗粒发生分离，从而减小了颗粒的复杂或粗糙程度。综上可知，随着冻融循环次数的增加，改良浆渣的颗粒形态分布分维数总体有降低趋势，但变化幅度较小。图23 改良浆渣颗粒形态分布分维数变化曲线Fig.23 Variation curve of fractal dimension of particlemorphology distribution of modified spoil5工程应用为了分析CSGA-BF的工程应用效果，在武汉某工程周边临时道路进行了现场试验。该道路工程路基厚度为 80 cm，基层和路面结构设计为“20 cm 底基+20 cm基层+12 cm 沥青混凝土”。道路路基和基底的施工材料为CSGA-BF改良盾构隧道渣土。由于浆体盾构隧道排出的渣土含水率较高，首先进行了干燥处理。当隧道渣土含水率为 40%45%时，设置松散铺装系数为 1.55，将隧道渣土均匀铺装在路基上方，然后加入 20%CSGA胶凝材料和0.5%BF。采用重型拌路机进行搅拌，采用22 t压路机对基底进行压实，压实度达到 96%。最后用塑料膜覆盖路面进行养护。养护道路7 d后，随机选取 3 个区域进行岩心采样。UCS 试验结果表明，样品的 UCS 为3.14 MPa、2.87 MPa和2.94 MPa，CBR 的测量结果均大于6%，满足规范的要求。269基于冻融循环试验的改良泥水盾构浆渣劣化特性研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.20246结 论本文以武汉某盾构隧道工程为依托，以其产生的废弃浆渣为研究对象，对CSGA-BF改良后的盾构浆渣开展冻融循环试验，探究了泥水盾构浆渣纤维体积掺量、冻融循环次数等因素对改良盾构浆渣的劣化影响。主要结论如下：（1）随着冻融循环的进行，改良盾构浆渣试样的体积随冻融循环次数增加呈波浪式变化，改良浆渣最优纤维体积掺量为0.5%。（2）冻融循环对改良浆渣的应力-应变特性有显著影响，随着冻融次数增加，试样塑性增强，且峰值应变与纤维体积掺量线性相关，当纤维体积掺量为0.5%时，其应力达到最大值，为4.5 MPa。（3）随着冻融循环次数增加，改良盾构浆渣的无侧限抗压强度呈现非线性递减特性；随着纤维体积掺量的增加，盾构浆渣的强度呈现先增后减的趋势，当纤维掺量过高时容易分布不均，发生纤维搭接现象，造成试样强度降低。纤维体积掺量为0.5%时其无侧限抗压强度最大。（4）随着冻融次数的增加，不同纤维体积掺量改良盾构浆渣的弹性模量均呈现非线性递减；当冻融次数达到9次后，改良盾构浆渣的弹性模量趋于稳定，改良盾构浆渣的弹性模量与无侧限抗压强度线性相关。（5）掺加纤维的改良浆渣弹性模量的冻融损伤程度大于无侧限抗压强度损伤程度。改良浆渣弹性模量冻融损伤度为无侧限抗压强度损伤度的1.39倍。（6）冻融循环荷载改变了改良浆渣的颗粒和孔隙分布特征，使得孔隙直径、数量以及裂隙宽度均有所增加，并且两者之间呈现贯通趋势。改良浆渣颗粒丰度减小6.84%，整体结构由致密向松散趋势发展，颗粒之间黏结作用减弱，进而降低浆渣对纤维的连接作用，宏观表现为土体强度减小。参考文献Referesnces1 董柏林,黄华慧,裴沛雯,等.碎石改良膨胀土膨胀特性实验研究J.地下空间与工程学报,2018,14(5):1213-1217.DONG Bolin,HUANG Huahui,PEI Peiwen,et al.Experimental Study on Swelling Properties of Expansive soil Improved by GravelJ.Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2018,14(5):1213-1217.2 潘振兴,梁 博,杨更社,等.地铁盾构穿越富水砾砂地层渣土改良试验研究J.地下空间与工程学报,2021,17(3):698-705+711.PAN Zhenxing,LIANG Bo,YANG Gengshe,et al.Experimental Study on the Improvement of Muck Soil by Subway Shield CrossingWater-rich Gravel Sand StratumJ.Chinese Journal of Underground Space