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1深中通道深埋隧道上覆土层减压材料研究1.隧道管顶减载轻型填料分析1.1概述1.1.1项目概述可行性研究的隧道方案起于深圳侧东人工岛，下穿沿江高速、机场支航道、矾石水道，在伶仃水道和矾石水道之间的西人工岛结束。隧道全长6720m，其中暗洞全长6085m、沉管段长5700m。受平面线位的控制，隧道两端采用直线，中间以半径为6000米的圆曲线连接，曲线段长度接近1300m。图1A3线位沉管隧道平面布置该沉管隧道最大的特点为管节横断面宽度宽，为双向八车道布置，宽度达47.2m，比国内目前正在建造的港珠澳沉管隧道管节将近宽10m，由此带来的管节系列技术难题亟待解决，包括深埋隧道上覆土层减压问题。处于水中的沉管隧道，其管节不仅需要抵抗高水头的压力，还要抵抗其上覆盖土层的重量，而对于深埋的超宽沉管隧道，其管节所承受的水压力和上覆土层压力尤为巨大，从而造成管节内力增大，管壁厚度和配筋率随之增大，由此带来了管节控裂和预制施工振捣困难等系列难题，为了解决上述难题，有效的方法是减少管节上覆土层的压力。本研究点主要对深埋隧道上覆土层减压材料进行研究，通过置换深埋隧道上覆土层，达到减小管节内力的目的。1.1.2置换回填料的需求为解决附加荷载大及可能出现的异常偏载问题，可以采取以下三种措施：第2一，采取定期清淤措施，后期管养要求高，对航道存在一定干扰；第二，进一步处理隧道地基基础，且增强结构（含接头）强度抵抗覆土压力，已基本达到较合理的状态；第三，采用轻质回填材料代替回淤海泥，减轻管顶荷载，需要对轻质材料进行一系列调研、分析及试验。结合隧道区的建设条件，经过认真调研分析后认为，对淤积区内适当的范围采用一种较淤泥质土更轻的回填料来代替后期由于回淤形成的淤泥质土，按照合理的时机进行施作，应是解决深埋沉管隧道运营期高风险的有效措施。对减载用回填料的需求主要包括以下几个方面：1）综合密度应介于1.1~1.3t/m3，大于海水密度、低于自然回淤密度；2）回填料及工艺应具有良好的环保性；3）回填料应具有一定的可施工性。1.2轻质填料的调研和分析1.2.1天然材料天然固体材料有易于大量获得的特点，并且天然存在的材料在耐久性方面具有先天的优势。天然固体材料中密度合适的石材只有浮石。浮石是一种多孔、轻质的玻璃质酸性火山喷出岩，其成分相当于流纹岩。其气孔体积占岩石体积的50%以上，机械强度可达几个兆帕，可以抵御海水压力。浮石表面粗糙，颗粒容重为450kg/m3，松散容重为250kg/m3左右，天然浮石孔隙率为71.8%~81%，吸水率为50%-60%，吸水后可沉于水下。它的特点是质量轻、强度高、耐酸碱、耐腐蚀，且无污染、无放射性等，是天然、绿色、环保的产品。因浮石用途十分广泛，市场价格在400~500元/吨。1.2.2工业废渣工业废渣具有易于大量获得的特点，调研了利用率较低的磷矿渣和锰矿渣，这类矿渣在水泥掺合料、微晶玻璃技术有一定的应用，但是数量仅占了一小部分，我国磷矿尾矿的综合利用率目前仅7%左右。在贵州省大量的矿渣仍无人问津，出运费即可大量获得。3但比重不稳定，高炉水淬矿渣密度可达到2.7g/cm3左右，如果这类矿渣较多会导致回填失效。且大部分为球型颗粒，不便于抛填。可能对海域造成污染，回此以上材料不予考虑。1.2.3废旧轮胎近年来随着我国汽车工业的迅猛发展、废旧轮胎数量急剧增加，我国在利用废旧轮胎作为土建材料方面也正在发展。但是废旧轮胎仍可以回收重新加工，故价格也不偏低，平均每吨约1200元，并且本工程用量很大，成本非常高。利用废旧轮胎（比重1.1~1.6g/cm3）回填，轮胎内腔填充轻质材料（塑料泡沫或轻质土），或整体回填完成后覆盖土工材料封闭，以避免海泥淤积。轮胎材料柔韧性好、防撞击，耐久稳定，能够对沉管结构提供额外保护。图2废旧轮胎回填1.2.4陶粒陶粒一种人造轻质粗集料，外壳表面粗糙而坚硬，内部多孔，一般由页岩、黏土岩、粉煤灰等经粉碎、筛分、再高温下烧结而成。陶粒具备很多优异的性能：密度小、质轻；保温、隔热性好；耐火性好，陶粒具有优异的耐火性；吸水率低，抗冻性能和耐久性能好；优异的抗渗性；优异的抗碱集料反应能力；适应性强。主要用于配制轻集料混凝土、轻质砂浆，也可做耐酸、耐热混凝土集料。陶粒的堆积密度有从低于300kg/m34到高于1000kg/m3的各型产品，广东省有大量生产陶粒的厂家，市场上出售的陶粒价格在200~300元/吨。陶粒堆积空隙率一般在40%左右，这部分空间有可能在长期水流作用下淤塞为海泥。因此，采用陶粒等回填，必须考虑空隙率的因素。并且对陶粒的耐久性有所质疑（当前陶粒粉煤灰为主要原材料，粘土做粘结剂）。1.2.5泡沫混凝土砌块泡沫混凝土是通过化学或物理的方式根据应用需要将气体引入混凝土浆体中，经过合理养护成型，而形成的含有大量细小的封闭气孔，并具有相当强度的混凝土预制砌块。其特点是密度可调（330~1030kg/m3，吸水率20%~25%，吸水后可下沉），强度高（0.5~7.5MPa各型产品），耐腐蚀性能好。泡沫混凝土砌块制作工艺主要几个步骤：1）配料制浆，将水泥和掺合料以及各种外加剂，通过上料设备加入搅拌机，制成水泥浆；2）使用发泡设备，将发泡剂水溶液制成1mm左右微细均匀泡沫，并将泡沫与水泥浆混合均匀，制成环保轻质混凝土料浆；3）将环保轻质混凝土料浆用浇注泵注入模，利用不同的模具，就可以成型不同的制品；4）养护脱模，通过静养、蒸养的方式使结构水化获得强度脱模。养护脱膜有蒸压和非蒸压的两种，蒸压设备成本较高，但从投料到成品12小时完成，场地和模板需求少，而且高压蒸汽为物料中的硅钙反应提供昀为有利的生成条件，从而大量减少水泥的用量，可以广泛选用价格低廉的含硅钙工业尾废料作为生产原料，具有经济价值同时还具备环保意义。非蒸压设备投入少，对生产条件要求不高，只需场地和简易工棚，从简易生产线、少量模具入手，小成本投入，逐步扩张。如需扩大规模、增加产量，添置生产线既可。见效快。设备安装后几天就可出产品。作为回填材料，可以制成片状或管状砌块直接抛填，也可以设计与一种架空砌块，回填时可在顶布覆盖土工布防止淤泥进入空腔。如空腔率提高，可大大减小工程量。空心砌块壁体可采用密实度较高的泡沫混凝土，在耐久性方面更优良，同时由于内部充满海水，内外压力平衡，对结构的力学性能要求不高，可以采用素混凝土浇筑，避免钢筋锈蚀问题。5图4空心砌块使用1.2.6现浇水泥基泡沫材料现浇水泥基泡沫材料的施工是通过整套专用的设备现场完成，整套设备配有上料、搅拌、主机、泵送等系统，施工时进行现场上料、搅拌、发泡并通过自带的泵送系统经高压输送管直接送至施工基面。泡沫混凝土的密度较小，密度等级一般为300~1800kg/m3，混凝土采用泵送，施工简单，强度有保障，成本较高，且现场浇筑不能制成镂空结构，工程量大。1.2.7轻量土所谓轻量土，实在原状土的基础上，添加轻质材料和固化剂与原状土复合，达成轻量化目的的工法。轻量土工法有粉煤灰轻量土、EPS、SLS、SGM多种类型，国内清华大学、中国地质大学（武汉）有相关研究，国外日本在这一方面工程应用实例丰富，与本工程需求相适应的介绍一下SGM轻量土工法。SGM轻量土工法是针对港湾、海洋环境的轻量土工法，是在疏浚土中添加水和水泥等固化材料让其流动化，之后添加气泡、发泡粒等达到轻量化的土，图3-6。堆积密度为1.0~1.2吨/方，固化后单轴压缩强度为0.2~0.4MPa（约为2~4个大气压力），详见附件3。可以水下作业，水中打入时根据水流等可能会发生材料分离、已打入的处理土流动分散，因此原则上是在静水中进行打入作业。可能存在的问题包括以下三个方面：1）平均水下20m作业，海水压力下（增加0.2MPa），采用气泡轻量化的土未固化时可能会被压缩，根据压差平衡原理（P1V1=P2V2），气泡体积缩小为原6来的1/3，轻量土密度会增大，超过自然回淤密度，失去轻量化的意义；2）水体流动可能影响轻量土现浇作业，造成流动和分散；3）浇筑总方量巨大，对海上工程机械的数量和作业强度提出考验。气泡轻量土泡沫颗粒轻量土图5固化后的轻量土1.2.8回填材料综合对比分析上述调研的回填材料的经济性、技术指标、施工可行性、环保型和社会资源量的对比分析见表1。表1轻质回填材料综合对比分析材料经济性技术指标施工可行性环保社会资源量天然材料400-500元/吨，成本较高堆积密度在450kg/m3，质轻，强度高，耐腐蚀直接采用抛填的方式填充，可行无影响广州本地有大量生产浮石的厂家，通过水运较快捷工业废渣0元/吨，只需考虑运费，很便宜比重不稳定，可高达2.7g/cm3，球型颗粒，不便于抛填直接采用抛填的方式填充，不可行有污染贵州省存在大量废弃的磷矿渣和锰矿渣废旧轮胎1200元左右一吨，成本高比重在1.1-1.6g/cm3之间，在轮胎内部填充泡沫可减小比重直接采用抛填的方式填充，可行无影响广州本地有一些，因用量大，可能资源量不足陶粒200-300元/吨，成本较高陶粒的堆积密度300-1000kg/m3，吸水下沉，质轻强度高，耐腐蚀直接采用抛填的方式填充，可行，抛填量大无影响广州本地有厂家生产，基本可以供给工程使用泡沫混凝土砌块100元左右/吨，需要建设预制场，性价比高砌块堆积密度在330~1030kg/m3，内部填充泡沫更小，设计可吸水后可下在预制场预制密实度大的泡沫混凝土砌块填充泡沫或者密度小的实心泡沫混凝土，采用抛填的方式填无影响建造预制场自行生产7沉，强度高充现浇泡沫混凝土150元左右/吨，性价比高密度等级一般为300-1800kg/m3，强度较高在搅拌船上拌合好泡沫混凝土，采用泵送的方式，泵送至海底填充无影响混凝土原材料、发泡剂等材料在搅拌船上自行施工轻量土100元左右/吨，性价比高堆积密度为1000~1200kg/m3，强度低在搅拌船上拌合好轻量土，采用泵送的方式，泵送至海底填充，可行，抛填大无影响在搅拌船上装置设备自行施工综合分析认为，适宜于本工程的轻质回填材料包括预制泡沫混凝土砌块、现浇泡沫混凝土和轻量土，材料的密度均可以满足设计要求。1.3适用的轻质回填材料1.3.1轻量土针对港湾、海洋环境的轻量土工法较少，目前轻量土在海工环境下使用最苛刻的条件是静水水下15m作业。在日本采用的SGM轻量土工法基础上进行改进。大概设计流程与SGM轻量土工法大体相同，如图所示。取料：在搅吸船上进行搅吸作业采集附近海床里的淤泥为原料土。制泥：将其倒入水池中采用搅拌混合除去砾石、异物的原料土和海水。通过密度计测量原料土泥浆的密度，如果密度大时要加水调节浆体。调泥：在原料土浆体中加入水泥等其他的增粘固化材料让其流动化，之后添加起泡剂产生的气泡溶液使之达到轻量化的土。采用专用投料管等打入材料，压力泵送至沉管上部区域进行回填，应时刻关注轻量土在水流作用下是否发生材料分离或打入的处理土流出等情况。通过调节发泡粒及发气剂来设定堆积密度在1000~1200kg/m3的范围。材料用量多少可采用电磁流量计来进行测定。图6人工轻量土施工工艺81.3.2预制泡沫混凝土砌块预制泡沫混凝土砌块技术目前较为成熟，对于本工程减载拟采用的预制泡沫混凝土砌块：1）主要原材料：①胶凝材料：主要使用42.5级普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣微粉等；②发泡剂；③集料：可选用河沙、石粉、人造空心微珠、高炉水渣、尾矿砂、加气碎渣等；④添加剂：根据情况添加料浆稳定剂、水泥促凝剂等添加剂。2）模具的选择：环保轻质混凝土砌块成型采用多腔小型组合模具，可采用钢板、木板、塑料板自制。3）生产工艺：配料制浆。将水泥和掺合料以及各种外加剂，通过上料设备加入搅拌机，制成水泥浆；使用环保轻质混凝土生产设备，将发泡剂水溶液制成1mm左右微细均匀泡沫，并将泡沫与水泥浆混合均匀，制成环保轻质混凝土料浆；浇注成型。将环保轻质混凝土料浆用浇注泵注入模，利用不同的模具，就可以成型不同的制品；或者制作自密实度大的空心泡沫混凝土砌块。脱模时间：夏季4~6小时，冬季2~3天，脱模后自然养护7~20天即可出厂。想提高强度等一系列性能也可以采用浇筑后，静置2~3