風化花崗巖地層盾構渣土現(xiàn)場環(huán)保減量處理工程實踐

馮 波 羅 章 石鴻韜

(1.中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司 上海 200082； 2.綠地大基建集團有限公司 上海 200010；3.中鐵工程服務有限公司 成都 610504)

土壓平衡盾構渣土俗稱“果凍土”，其處置方式一般為直接外運堆填。該類渣土通常具有孔隙率大、含水量高、滲透系數不均勻等特點[1]，直接填埋會帶來極大的安全與環(huán)境風險[2]。截止2020年底，國內已有45個城市進入地鐵時代[3]，盾構渣土已成為部分城市主要建筑垃圾，給城市環(huán)境帶來了極大挑戰(zhàn)[4]，其減量化、資源化、無害化處置方面的研究也隨之逐步開展[5-8]，但我國目前盾構渣土實際資源化利用率不到1%，具有十分顯著的發(fā)展?jié)摿9-10]，尤其是風化巖石地層產生的盾構渣土，其砂石含量較高，具有較大的經濟價值。本研究依托深圳地鐵6號線支線翠-新-中區(qū)間項目，開展土壓平衡盾構渣土的施工現(xiàn)場處理技術研究，以解決盾構渣土的出運及資源化利用難題。

1 工程概況

深圳6號線支線線路位于深圳北面光明新區(qū)內，線路長度約6.13 km，其中翠-新-中區(qū)間盾構穿越地層主要以風化花崗巖風化層為主，不同風化程度的地層占比見圖1，顆粒粒徑統(tǒng)計見表1。由統(tǒng)計結果可知，本區(qū)間黏粒含量最高的殘積土層粒徑大于0.075 mm的顆粒占比平均超過了50%，盾構推進過程中產生的渣土具有極高的再利用價值。

圖1 盾構區(qū)間地層統(tǒng)計圖

表1 盾構區(qū)間地層顆粒粒徑統(tǒng)計表

2 盾構渣土施工現(xiàn)場處理工藝

施工現(xiàn)場產生的渣土含水率較高，直接外運堆存難以成型，需要占用大量土地資源，且運輸過程中容易滴漏污染環(huán)境。

為解決高含水率渣土的施工現(xiàn)場處置難題，根據盾構推進區(qū)間的地層物理力學特性，有針對性地研發(fā)了工藝技術，工藝路線圖見圖2，具體流程如下。

1) 石塊、黏土球分離。盾構渣土通過孔徑5 mm的滾筒篩，分離大石塊和黏土球，分離漿液進入螺旋提升機。

2) 粗砂分離。螺旋提升機將粗砂提升出來，進入脫水篩脫水，通過皮帶機輸送至砂堆場，剩余漿液和脫水篩篩下漿液均流入預處理池。

3) 泥砂分離。預處理池中的漿液泵入旋流器(切割點0.074 mm)，旋流出的泥漿溢流進入儲泥池。細砂進入細砂脫水篩，經高壓沖水洗砂并振動脫水，后經皮帶機輸送至砂堆場，篩下漿液泥漿回流入預處理池。

圖2 盾構渣土處理工藝流程

4) 泥漿調理。儲泥池泥漿采用攪拌器充分混合，根據泥漿性質加入特制藥劑進行調理。

5) 泥漿壓濾。泥漿從儲泥池底部泵送至高壓隔膜式板框壓濾設備，形成泥餅，經皮帶機上輸送至堆場。

6) 尾水處理與收集。板框壓濾濾液進入濾液收集池，經沉淀及尾水處理后，上清液溢流進入清水池，用于振動篩上高壓沖水洗砂，多余尾水用于防塵、洗車、清洗路面等。

為提高生產效率，自主研發(fā)了土壓平衡盾構渣土處理智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對設備的遠程控制，并實時監(jiān)測流量、濃度、液位等數值。系統(tǒng)設置了報警功能，幫助操作人員及時調整設備的運行狀態(tài)，有效應對故障等突發(fā)情況。另外，該系統(tǒng)能夠及時地記錄設備的啟動時間、進料時間、壓榨時間等生產信息和運行情況，有效地提高了盾構渣土處理的生產效率和自動化水平。

安裝調試后的盾構渣土施工現(xiàn)場處理系統(tǒng)見圖3。系統(tǒng)采用了集約式設計理念，下層平臺為預處理池與泥漿池，中層平臺為攪拌器與電氣控制臺，上層平臺為旋流器、脫水篩、板框壓濾機等設備，總占地面積僅400 m2，滿足城市狹窄場地使用場景?，F(xiàn)場分離出的碎石、砂及干化泥餅見圖4，可見砂石分離效果較好，泥餅干化后相對于原渣土含水率明顯降低，呈塊狀，減量效果顯著，并解決了濕土外運難度大且易滴漏的難題。

圖3 盾構渣土施工現(xiàn)場處理系統(tǒng)

3 處理效果分析

3.1 砂含泥量

采集現(xiàn)場生產的砂樣進行顆粒級配分析，在實驗室烘干后，利用土壤分析篩對砂樣進行顆粒級配分析，其中粒徑低于0.075 mm的部分占砂樣的比例即為含泥量，檢測結果見圖5。由圖5可見，分離出的砂樣含泥量均低于4%，平均值為2.9%，基本滿足細骨料使用要求。

圖5 砂含泥量檢測結果

3.2 泥餅含砂量

采集現(xiàn)場生產的泥餅，取適量泥樣，加水稀釋泥漿，攪拌均勻后放入激光粒度儀中進行顆粒級配分析，其中粒徑高于0.075 mm的部分占泥樣的比例即為含砂量，檢測結果見圖6?？梢娞幚砗蟮哪囡灥暮傲康陀?%，平均值為2.9%，可見分離泥砂分離效率較高，僅有少量砂進入泥餅。

圖6 泥餅含砂量檢測結果

3.3 泥餅含水率

采集現(xiàn)場生產的泥餅，利用土壤水分測定儀對泥餅的含水率進行測定，檢測結果見圖7。處理后的泥餅的含水率低于32%，平均值為25%，減量效果明顯。

圖7 泥餅含水率檢測結果

3.4 尾水水質

采集現(xiàn)場生產中清水池中的尾水，采用GB/T 11901-1989中的重量法進行SS(suspended solid)檢測，結果見圖8，尾水的SS值在20 mg/L左右，平均值為17.9 mg/L，基本符合污水處理廠一級B出水標準。

圖8 尾水SS值檢測結果

4 處理效率及產出物分析

4.1 處理效率分析

設備調試完畢投入運營后，平均日處理盾構渣土自然方600 m3以上，滿足盾構推進的高峰期出渣要求。板框壓濾機產出的脫水泥餅厚度約為3 cm，可以依靠重力自行脫落。設備持續(xù)運行了一段時間后，預處理池和泥漿池出現(xiàn)了一定程度的泡沫泛濫問題，影響生產效率。鑒于泡沫劑通過循環(huán)水在系統(tǒng)總不斷累積的現(xiàn)象，針對盾構推進過程中采用的發(fā)泡劑的化學成分，研發(fā)了相應的消泡劑，最終有效消減了泡沫對施工效率的影響。

4.2 產出物分析

不同地層下盾構渣土處理的產出物所占的體積比例見圖9。

圖9 不同地層下盾構渣土處理產出物占比

由圖9可見，3種地層的產出物中砂含量均在40%左右。其中中等風化花崗巖地層的渣石占比高達24%，遠高于另外2個地層，且泥餅占比也是最低。全風化混合花崗巖和強風化混合花崗巖在產出物的比例上相差不大，泥餅占比在50%左右，渣石占比低于10%，中等風化混合花崗巖的產物可利用價值最高。

與表1各地層小于0.075 mm的顆粒含量對比分析可知，全風化地層的泥餅含量略小于顆分結果，強風化地層的泥餅含量遠大于顆分結果，其原因可能在于全風化地層的風化程度較高，盾構刀盤對砂石的破碎或磨損程度較低，而強風化地層的風化程度介于全、中風化之間，巖塊易被刀盤破碎或磨損成為顆粒細小的石粉，中風化地層由于風化程度相對較低，巖塊難以被刀盤磨損為石粉，所以泥餅含量也相對較低。

5 泥餅資源化利用探索

盾構渣土處理后產出的石料可作為粗骨料直接利用，砂可直接用于盾構同步注漿，或作為細骨料利用，此處僅探討脫水泥餅作為回填土或綠化種植土利用的可行性。

1) 用于回填土的可行性分析。檢測結果顯示，脫水泥餅的最大干密度為1.39 g/m3，最優(yōu)含水率為9.8%，CBR(california bearing ratio)值為2.3%，液限為44%，塑限為30%，塑性指數為14%。根據JTG D30-2015 《公路路基設計規(guī)范》，干化泥餅滿足路基填土的使用要求。

2) 用于綠化種植土的可行性分析。泥餅的理化指標檢測結果見表2，根據CJ/T 340-2016 《綠化種植土》的相關要求，泥餅的營養(yǎng)元素氮磷鉀含量均未達標，表明泥餅肥力增加后才可滿足綠化種植土使用要求。

表2 土壤理化指標檢測結果

3) 盆栽種植試驗。為進一步驗證泥餅用于綠化種植土的可行性，采集新鮮脫水泥餅開展了盆栽試驗。泥餅與改良物料搗碎分散后裝入容器，改良后的種植土見圖10。采用5種植物的種子用于種植試驗，分別為高羊茅草種、狗牙根草種、黑麥草種、薄荷種和玉米種。種植27 d后的生長情況見圖11。由圖11可見，狗牙根、黑麥草、玉米生長狀況良好，高羊茅和薄荷可能因為不耐高溫的緣故，發(fā)芽率較低且生長較慢?？梢姞I養(yǎng)改良后的泥餅可作為綠化種植土使用，但需要針對不同植物類型，通過盆栽試驗驗證供試植物的適宜性。

圖10 泥餅改良后的種植土 圖11 種植27 d后植物生長狀況

6 結語

1) 針對花崗巖風化地層研發(fā)土壓平衡盾構渣土處理系統(tǒng)，對該類地層的適應性良好，日處理能力約為600 m3/d，滿足現(xiàn)場2臺盾構出土需求。由于采用了多層集約式設計理念，設備占地面積僅約400 m2，對城市狹小空間施工場地適應性良好。自主研發(fā)的智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了設備的遠程控制與智能操控，有效提升了系統(tǒng)的工作效率。渣土處理系統(tǒng)有效實現(xiàn)了渣土的減量化、資源化目標，減少了渣土堆填對土地的占用，同時避免了濕土外運滴漏對環(huán)境的污染，具有顯著的社會、環(huán)境和經濟效益。

2) 渣土經逐級分選后，全、強、中風化花崗巖地層的石子產出量分別為8%、9%、24%，砂產出量分別為42%、43%、40%，泥餅產出量分別為50%、49%、36%，砂、石可直接資源化利用，從而有效減少了廢棄渣土的出運量。砂的含泥量平均為3%，滿足細骨料使用要求。由于采用了高壓隔膜式壓濾機，泥餅含水率平均僅為25%，有效減少了出運體積，且可實現(xiàn)干渣運輸，大大降低了運輸過程中的環(huán)境污染，且便于后續(xù)回填等資源化利用。尾水SS值平均為17.9 mg/L，可滿足排放要求。

3) 室內測試試驗結果表明，脫水泥餅的物理力學指標符合路基回填土的使用要求，可作為回填土直接資源化利用。脫水泥餅的氮磷鉀含量較低，作為綠化種植土使用時需改善其營養(yǎng)狀況。盆栽試驗結果表明，大部分供試植物在改良后的泥餅中生長良好，泥餅作為綠化種植土使用時應通過盆栽試驗驗證植物的適宜性。脫水泥餅作為路基填土與綠化種植土資源化利用，還有待進一步開展現(xiàn)場試驗，驗證大規(guī)模使用的可行性。