泥水盾構(gòu)廢棄砂土和尾水資源化綜合利用技術(shù)

王建華

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211899）

近年來(lái)，我國(guó)交通需求大幅增長(zhǎng)，高速鐵路的興起給隧道及地下工程的建設(shè)帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)［1-2］，催生了多條泥水平衡盾構(gòu)法施工的大直徑隧道，如廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道和京張高速鐵路清華園隧道［3］。由于城市土地資源緊張，且利用要求高，對(duì)隧道建設(shè)中泥水平衡盾構(gòu)法施工提出了更高的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性要求。

大直徑盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中開挖土料與泥水混合形成高密度泥漿，泥漿攜帶著開挖面上切削下來(lái)的砂土輸送至地面泥水處理設(shè)備，處理后會(huì)產(chǎn)生大量廢棄泥漿和渣土［4-5］。相關(guān)領(lǐng)域研究人員一直在尋求一種高效、低能耗的泥漿處理方式。孔玉清、郝彤、張亞洲等［6-8］通過(guò)對(duì)廢棄黏土泥漿、粉細(xì)砂等進(jìn)行再利用試驗(yàn)，得到其資源化的多種途徑?；粢恚?］采用絮凝-帶式壓濾泥漿處理工藝產(chǎn)生的大量尾水配置了多種密度泥漿，并采用密度1.13 g/cm3、漏斗黏度20 s的泥漿在粉細(xì)砂地層中開展泥漿滲透成膜試驗(yàn)，成膜效果良好。

我國(guó)建設(shè)中的大直徑盾構(gòu)隧道仍需要大量?jī)?yōu)質(zhì)的工程用土、用水來(lái)配制泥漿、壁后注漿等，有效地利用廢棄泥漿和渣土不僅可以節(jié)約資源，而且可以保護(hù)環(huán)境［10］。本文以北京—沈陽(yáng)客運(yùn)專線望京隧道工程為背景，對(duì)盾構(gòu)在粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的廢棄砂、對(duì)絮凝-帶式壓濾處理出的黏土泥餅和尾水進(jìn)行再利用可行性分析，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

京沈客運(yùn)專線望京隧道位于北京市東五環(huán)與東六環(huán)之間，盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)3180 m，采用2臺(tái)直徑10.87 m的泥水平衡盾構(gòu)由沈陽(yáng)向北京方向并行掘進(jìn)。盾構(gòu)穿越的地層以粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層為主。各地層所占比例如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間各地層所占比例

當(dāng)盾構(gòu)在粉細(xì)砂地層中掘進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量廢棄砂，單線隧道平均每環(huán)出渣180 ～200 m3，每天推進(jìn)7 ～8 環(huán)，雙線日出渣量累計(jì)約3000 m3。在粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)時(shí)，每環(huán)需2200 m3泥漿完成攜帶出渣，按80%回收20%排放，則每環(huán)需排放廢漿440 m3。經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理后每天產(chǎn)生約54 m3的泥餅及大量pH值呈中性且無(wú)色無(wú)味的尾水。

2 廢棄砂、泥餅和尾水再利用可行性分析

2.1 廢棄砂再利用可行性分析

泥水分離設(shè)備分離后的粉細(xì)砂級(jí)配曲線如圖2中實(shí)線所示。其中虛線為除去粒徑大于1 mm 顆粒后的粉細(xì)砂級(jí)配曲線。

由圖2可見：有80%的粉細(xì)砂顆粒粒徑小于1 mm，且開挖出的渣土中黏土含量較低。若將其直接棄置勢(shì)必會(huì)造成資源浪費(fèi)，因此考慮是否可用廢棄的粉細(xì)砂配制隧道壁后注漿漿液。

目前該隧道所使用的隧道壁后注漿漿液配合比見表1。

表1 該隧道現(xiàn)用注漿漿液配合比

由表1 可知，注漿漿液中除了水，砂的含量最多，其為混合漿液各組分的重要骨架，也是保證漿液強(qiáng)度的因素。管片背后同步注漿每環(huán)需要漿液28.5 m3，每立方米漿液需優(yōu)質(zhì)粉細(xì)砂0.95 t，每天同步注漿需粉細(xì)砂433.2 t（333 m3）。通過(guò)篩分將廢渣中的粉細(xì)砂用于同步注漿可以每天消耗約10%廢渣，因此將廢棄粉細(xì)砂用作隧道壁后注漿漿液的原材料是可行的。

免燒磚通常采用砂、水泥、粉煤灰、石子等材料制備，而砂在免燒磚原材料中占比很大。國(guó)內(nèi)姜軍等［11］采用廣州地鐵18號(hào)、22號(hào)線隧道工程廢棄土進(jìn)行燒磚試驗(yàn)，驗(yàn)證了盾構(gòu)渣土制作燒結(jié)磚的可行性。可將本工程中廢棄砂作為主要原料，添加水泥、石子和水在攪拌機(jī)中進(jìn)行均勻混料，經(jīng)自動(dòng)化壓磚系統(tǒng)壓制出免燒磚。

2.2 廢棄泥餅再利用可行性分析

泥水盾構(gòu)施工中產(chǎn)生的泥漿由泥漿泵泵入預(yù)調(diào)理單元，將配置好的藥劑加入廢棄泥漿進(jìn)行預(yù)調(diào)理，而后自流至濃縮區(qū)域進(jìn)行濃縮，濃縮后的泥漿排至調(diào)理槽，再次進(jìn)行藥劑調(diào)理后輸送至預(yù)脫水單元，經(jīng)預(yù)脫水濃縮后由壓濾單元壓濾形成大量泥餅?，F(xiàn)場(chǎng)共引進(jìn)2臺(tái)帶式壓濾機(jī)，1臺(tái)帶式壓濾機(jī)每小時(shí)可以處理10 ～20 m3的泥漿，2 臺(tái)帶式壓濾機(jī)一天可以處理800 m3的泥漿，處理后會(huì)產(chǎn)生約54 m3的泥餅。大量的泥餅若外運(yùn)棄置會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大影響。

本工程采用的泥漿絮凝劑為環(huán)境友好型無(wú)害藥劑，經(jīng)調(diào)理濃縮處理后的泥餅滿足各種環(huán)境指標(biāo)，可用于道路填方、城市綠化等。

2.3 尾水再利用可行性分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)絮凝-帶式壓濾處理后的泥漿會(huì)產(chǎn)生大量尾水，其為無(wú)色、無(wú)味的透明液體。依據(jù)JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》、TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》，在相對(duì)濕度42%、溫度22 ℃條件下利用酸度計(jì)、火焰光度計(jì)、上皿式電子天平對(duì)尾水進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)易分析，結(jié)果見表2。

表2 帶式壓濾處理泥漿所產(chǎn)生尾水的水質(zhì)簡(jiǎn)易分析結(jié)果

由表2 可知，送檢樣品各項(xiàng)檢查結(jié)果均符合TB 10424—2018中混凝土拌和用水的技術(shù)要求。

絮凝-帶式壓濾處理所產(chǎn)生尾水的pH 值為中性，且現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)每環(huán)開挖土體185.5 m3，需2200 m3泥漿完成攜帶出渣，需要大量水配制掘進(jìn)用泥漿，因此經(jīng)絮凝-帶式壓濾處理產(chǎn)生的尾水可用于配制掘進(jìn)用泥漿。

3 廢棄砂土、尾水資源化再利用技術(shù)

3.1 廢棄粉細(xì)砂用作壁后注漿材料

參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)利用廢棄粉細(xì)砂替代原先細(xì)砂配制的壁后注漿漿液的密度、稠度、收縮率、固結(jié)強(qiáng)度、初凝時(shí)間等工程性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3。可見，利用廢棄粉細(xì)砂替代細(xì)砂配制的壁后注漿漿液密度在1.76～1.95 g·cm-3，滿足盾構(gòu)填充要求。漿液初凝時(shí)間均在10 h 以上，可使?jié){液填充更加均勻，能夠滿足不同地層壁后注漿的施工要求。

表3 利用廢棄粉細(xì)砂替代細(xì)砂配制的壁后注漿漿液工程性能指標(biāo)

3.2 廢棄粉細(xì)砂用于制作免燒磚技術(shù)

以粉細(xì)砂為主料，添加少量分離出的黏土、少量壓制磚專用增強(qiáng)劑、少量細(xì)骨料，調(diào)整合適的粒徑、級(jí)配和含水率，采用JF-QT5-904 型免燒磚機(jī)制磚。配合比為黏土∶石子∶粉細(xì)砂∶水泥= 50∶100∶250∶50。在攪拌機(jī)中均勻混料，待混料陳化后在100 kN 壓力下壓制成型，然后覆蓋薄膜養(yǎng)護(hù)1 d 后集中碼放，采用尾水灑水養(yǎng)護(hù)7 d，保持磚塊表面濕潤(rùn)。制備出的免燒磚見圖3。

圖3 采用廢棄粉細(xì)砂制備出的免燒磚

免燒磚中粉細(xì)砂的質(zhì)量摻量可達(dá)40%～65%，免燒磚強(qiáng)度可達(dá)15～30 MPa。免燒磚有路面磚、墻體磚、護(hù)坡磚等多種類型。所制備的免燒磚相關(guān)指標(biāo)均滿足JC/T 422—2007《非燒結(jié)垃圾尾礦磚》要求。

3.3 廢棄泥餅用作綠化用土技術(shù)

帶式壓濾機(jī)分離出的泥餅以黏土為主，將其碾碎，添加少量泥水分離系統(tǒng)分離出的砂、專用改良劑、調(diào)理劑等，通過(guò)專用的均混攪拌裝置可制備出滿足不同要求的種植土。

綠化用土中黏土泥餅的質(zhì)量摻量可達(dá)80%～98%。制備出的可用于種草的一般植生土見圖4（a）。其最佳質(zhì)量配合比為黏土∶粉砂∶細(xì)砂=10∶10∶80。制備出的可用于植樹的標(biāo)準(zhǔn)種植土見圖4（b）。其最佳質(zhì)量配合比為黏土∶粉砂∶細(xì)砂=15∶15∶70，并增施酸性化肥或有機(jī)肥料提高其養(yǎng)分含量，達(dá)到了CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》相關(guān)要求。

圖4 采用廢棄泥餅制備的綠化用土

3.4 廢棄泥餅用作回填土技術(shù)

以帶式壓濾機(jī)分離出的泥餅為主料，碾碎后添加專用固化劑等，通過(guò)專用的均混攪拌裝置可制備出滿足不同要求的回填土，見圖5?；靥钔林叙ね聊囡灥馁|(zhì)量摻量可達(dá)85%～98%。回填土分為兩類：一類可滿足建筑或溝槽回填要求；一類可滿足路基回填要求。兩類回填土均滿足GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》和JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求。

圖5 采用廢棄泥餅制備的回填土

3.5 尾水配制透水混凝土技術(shù)

將絮凝-帶式壓濾處理產(chǎn)生的尾水作為拌和水，制作透水混凝土。透水混凝土要求砂率8%，水膠比0.25，設(shè)計(jì)孔隙率20%。據(jù)此設(shè)計(jì)的混凝土配合比見表4。

表4 透水混凝土配合比 kg·m-3

圖6 采用尾水配制的透水混凝土

對(duì)拌和成型的透水混凝土（圖6）采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用尾水配制的透水混凝土的平均軸心抗壓強(qiáng)度為12.03 MPa，平均劈裂抗拉強(qiáng)度為1.66 MPa，可以滿足附屬道路鋪設(shè)要求。

3.6 尾水配制泥水盾構(gòu)掘進(jìn)用泥漿技術(shù)

本工程中盾構(gòu)需穿越一段以粉細(xì)砂為主的地層，該地層滲透系數(shù)為5.0×10-3cm/s。根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，泥漿密度為1.15 g/cm3左右，漏斗黏度在20 s 以上時(shí)可滿足泥漿物理穩(wěn)定性要求并可在開挖面形成良好泥膜。將尾水配置的黏土泥漿、增黏劑和膨潤(rùn)土漿（膨水比為1∶10）按照不同比例混合，測(cè)量混合后泥漿的黏度及密度，從而得到多種密度泥漿的質(zhì)量配合比，見表5。

表5 多種密度泥漿的質(zhì)量配合比

采用S1，S2，S4，S5四組泥漿開展泥漿滲透成膜試驗(yàn)。結(jié)果表明，尾水配置的泥漿在地層表面形成的泥膜質(zhì)量較好，能夠有效阻止泥漿中的水向地層中滲透，從而確保開挖面的穩(wěn)定。

4 經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和社會(huì)效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)廢棄粉細(xì)砂、廢棄泥餅再利用所節(jié)約的費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算。由于綜合考慮所有相關(guān)費(fèi)用較為復(fù)雜，只計(jì)算了最終所節(jié)約的材料成本，見表6。

表6 京沈客運(yùn)專線望京隧道廢棄砂土再利用成本統(tǒng)計(jì)

由表6 可知，各類廢棄砂土回收再利用合計(jì)節(jié)約材料成本1094.7 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。廢棄砂土的再利用不僅提高了資源利用率，而且減少了廢棄砂土外運(yùn)及處理的成本。

4.2 環(huán)保和社會(huì)效益

該工程廢棄砂土的綜合再利用為工程廢棄土的減量化和資源化起到很好的示范作用，不僅節(jié)約了因廢棄砂土大面積堆放而占用的土地47667 m2，減少了天然砂石的大量開采，而且降低了對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。尾水資源化綜合利用技術(shù)使得泥漿處理后產(chǎn)生的尾水得到循環(huán)利用，節(jié)約了至少954 t水。尾水的再利用有利于維持生態(tài)環(huán)境的平衡和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，具有顯著的環(huán)保效益與社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)京沈客運(yùn)專線望京隧道工程中廢棄砂土及尾水回收再利用的可行性進(jìn)行了分析，并研發(fā)出多途徑的再利用技術(shù)。主要包括采用廢棄粉細(xì)砂制備壁后注漿漿液和免燒磚，采用廢棄泥餅制備綠化用土與回填土，采用尾水配制透水混凝土和盾構(gòu)掘進(jìn)用泥漿等技術(shù)，有效解決了廢棄砂土存放、廢水污染環(huán)境等難題，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會(huì)效益顯著。

不同工程的地質(zhì)條件和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)存在差異，基于本工程的廢棄砂土及尾水資源化綜合利用技術(shù)的適用性還需大量試驗(yàn)驗(yàn)證，以便更好地解決其他類似工程中的問題。