盾構(gòu)隧道廢棄渣土回收利用關(guān)鍵技術(shù)研究

劉志峰

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，巖土工程施工規(guī)模日益增大。巖土工程尤其是盾構(gòu)隧道施工通常會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄渣土。大量的廢棄渣土不經(jīng)處理直接丟棄不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，還會(huì)影響渣土外運(yùn)的效率，進(jìn)而影響到施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。因此，必須對(duì)廢棄渣土進(jìn)行篩分處理，將廢棄渣土中的泥渣分離出來(lái)后再回收利用。

在地鐵隧道施工過(guò)程中，需要建大量的渣土池來(lái)存儲(chǔ)廢棄渣土，再逐步處理。通常，地鐵施工現(xiàn)場(chǎng)多位于市區(qū)，有的甚至在繁華的商業(yè)及交通地帶，渣土池的存放不僅占用了寶貴的施工場(chǎng)地，而且影響了施工進(jìn)度和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。此外，外運(yùn)未經(jīng)處理的廢棄渣土?xí)斐墒┕?chǎng)地及運(yùn)輸?shù)缆返奈廴镜纫幌盗协h(huán)境問(wèn)題。盡管市場(chǎng)上已存在大量的廢棄渣土分離設(shè)備，但其使用功能有限，工作效率較低，無(wú)法滿足盾構(gòu)隧道工程施工需求。因此，尋找一種高效率、低成本而且環(huán)保的廢棄渣土處理措施和工藝是非常迫切的。

結(jié)合深圳地鐵10號(hào)線雪象站~甘坑站區(qū)間隧道施工項(xiàng)目，對(duì)盾構(gòu)隧道廢棄渣土回收關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)開(kāi)發(fā)一種新型渣土篩分設(shè)備，提高渣土篩分的工作效率，降低處理成本。渣土采用篩分設(shè)備處理，減少了渣土對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)及外運(yùn)時(shí)對(duì)城市道路的環(huán)境污染。渣土經(jīng)過(guò)篩分處理后得到，碎石、細(xì)砂、泥餅和水，碎石、細(xì)砂、泥餅經(jīng)過(guò)處理后可用于車站頂板覆土的回填，水可作為車站混凝土養(yǎng)護(hù)用水及場(chǎng)地內(nèi)清潔用水。通過(guò)廢棄渣土回收利用，達(dá)到了保護(hù)施工環(huán)境、提高施工生產(chǎn)效率、降低施工成本的目的。

1 工程概況及重難點(diǎn)分析

1.1 工程概況

深圳市軌道交通10號(hào)線1012-1B標(biāo)包括兩站一區(qū)間，雪象站（原雪象北站）、雪-甘區(qū)間以及甘坑站。雪-甘區(qū)間長(zhǎng)達(dá)2.4 km，其中有1 km為盾構(gòu)法隧道，1.4 km為礦山法隧道。沿線場(chǎng)地內(nèi)建構(gòu)筑物主要為坂瀾大道、依云山莊、托坑水庫(kù)、平南鐵路、華南警犬基地、清平高速以及區(qū)間終點(diǎn)附近的秀峰工業(yè)園。區(qū)間附屬包括中間風(fēng)井1座，聯(lián)絡(luò)通道4處，分別為1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道、2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道兼中間風(fēng)井、3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道、4號(hào)聯(lián)絡(luò)通道。其中2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置于中間風(fēng)井中，距離雪象站約1160m，既作為盾構(gòu)吊出井，又作為礦山法區(qū)間隧道渣土外運(yùn)井。區(qū)間線路最小曲線半徑為500m，最大縱坡為14.453‰，隧道覆土埋深約為5 m~87 m。盾構(gòu)法隧道段采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)管片寬1.5m，厚0.3m，內(nèi)徑5.4m，外徑6m，每環(huán)隧道襯砌由3塊標(biāo)準(zhǔn)管片、2塊鄰接管片和1塊封頂塊管片組成，管片采用通用管片錯(cuò)縫拼裝。雪甘區(qū)間沿線通過(guò)地區(qū)的原始地貌主要為丘陵地貌。地形起伏大，高程100～250m，溝谷發(fā)育，坡面段樹(shù)木成林，雜草叢生，植被覆蓋好，總地勢(shì)東高西低。地層分別為：1）第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）：按填土填料成分不同分為①1、①5 2個(gè)亞層，①1素填土：紅褐、褐黃色、灰黑色、灰色，堅(jiān)硬～硬塑，主要成分為黏性土。①5雜填土：灰褐色、雜色，松散～稍密，稍濕，主要成分，主要成分為碎磚塊、碎石塊等建筑垃圾。2）第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl），按照顆粒級(jí)配或塑性指數(shù)可分為7個(gè)亞層。④1淤泥，④4黏土，④5粉質(zhì)黏土，④7粉砂，④10粗砂，④11礫砂，④12圓礫土。3）第四系上更新統(tǒng)坡積層（Q3dl），按照顆粒級(jí)配或塑性指數(shù)可分為2個(gè)亞層。⑥1黏土，⑥2粉質(zhì)黏土。4）殘積層（Qel）。由花崗巖風(fēng)化殘積形成，按照其大于2mm顆粒含量（%）可分為⑦1礫質(zhì)黏性土1個(gè)亞層。⑦1礫質(zhì)黏性土。5）燕山期花崗巖（γ53）。本區(qū)間下伏基巖為燕山期花崗巖，褐黃、肉紅、黃褐色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長(zhǎng)石及暗色礦物。鉆探揭露按風(fēng)化程度可分為⑧1全風(fēng)化花崗巖、⑧2強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑧3中等風(fēng)化花崗巖和⑧4微風(fēng)化花崗巖4個(gè)亞層。6）根據(jù)其賦存介質(zhì)的類型，沿線地下水主要有兩種類型：1）第四系地層中的孔隙潛水，主要賦存于沖洪積中砂、礫砂層和殘積礫（砂）質(zhì)黏性土層中；2）基巖裂隙（構(gòu)造裂隙）水，主要賦存于塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化帶及斷裂構(gòu)造裂隙中，略具承壓性。

1.2 重難點(diǎn)分析

土巖復(fù)合地層中采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，容易產(chǎn)生大量的廢棄渣土，及時(shí)外運(yùn)渣土是重點(diǎn)；未廢棄渣土對(duì)施工場(chǎng)地及運(yùn)輸?shù)缆吩斐森h(huán)境污染，有效處理廢棄渣土避免環(huán)境污染是難點(diǎn)；傳統(tǒng)渣土處理設(shè)備工作效率低、處理成本高，提高處理效率、降低成本是難點(diǎn)。

2 廢棄渣土回收利用技術(shù)

2.1 工藝原理

盾構(gòu)隧道廢棄渣土回收利用施工工法的核心原理是廢棄渣土中各組份的粒徑不同，利用不同孔徑的過(guò)濾網(wǎng)對(duì)廢棄渣土進(jìn)行篩分后可以分離得到粗顆粒、細(xì)顆粒及泥漿，泥漿經(jīng)泥漿脫水設(shè)備分離出水和泥餅。

圖1~圖3分別是廢棄渣土篩分設(shè)備的俯視圖、正視圖和左視圖。該設(shè)備主要構(gòu)件包括泥漿過(guò)濾裝置，泥漿收集池，細(xì)顆粒收集池，粗顆粒收集池，縱向滾輪，橫向滾輪，滑板，橫向皮帶輪，縱向皮帶輪，粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)。

圖1 廢棄渣土篩分設(shè)備俯視圖

圖3 廢棄渣土篩分設(shè)備左視圖

其中，泥漿過(guò)濾裝置用于分離廢棄泥漿中的泥渣和泥漿；泥漿收集池設(shè)置于泥漿過(guò)濾裝置的下方，用于收集通過(guò)泥漿過(guò)濾裝置濾網(wǎng)的泥漿和水；縱向滾輪設(shè)置于泥漿過(guò)濾裝置的一側(cè)，縱向滾輪將分離的泥渣轉(zhuǎn)移至第一滑板上；第一滑板一端設(shè)置于縱向滾輪一側(cè)，另一端設(shè)置橫向皮帶輪的上方，分離的泥渣通過(guò)第一滑板下滑至橫向皮帶輪上；橫向皮帶輪的一端設(shè)置于縱向滾輪一側(cè)，另一端設(shè)置于粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)的上方，分離的泥渣通過(guò)橫向皮帶輪傳送至粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)上，粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)用于分離泥渣中的粗顆粒、細(xì)顆粒；橫向滾輪設(shè)置于粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)下方，橫向滾輪將分離的細(xì)顆粒轉(zhuǎn)移至第二滑板上，再通過(guò)第二滑板下滑至細(xì)顆粒收集池中；縱向皮帶輪一端設(shè)置粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)的底部，另一端在粗顆粒收集池上，粗顆粒依靠下滑力滑落至縱向皮帶輪上，通過(guò)縱向皮帶輪傳送至粗顆粒收集池。

泥漿過(guò)濾裝置是由4塊等腰梯形鋼板組成的漏斗形裝置，梯形鋼板的斜邊依次焊接圍成一圈。沿四塊梯形鋼板上方的底邊布設(shè)直徑200 mm的第一水管，第一水管遠(yuǎn)離梯形鋼板的一側(cè)均勻開(kāi)孔，在傾倒廢棄泥漿的同時(shí)不斷噴水，有助于泥漿的過(guò)濾，同時(shí)有助于泥渣順利下滑至縱向滾輪。在梯形鋼板下方底邊圍成的底面安裝一張傾斜的第一過(guò)濾網(wǎng)，傾角為45°，泥漿和水能透過(guò)第一過(guò)濾網(wǎng)下沉至泥漿收集池，而泥渣依靠下滑力滑至縱向滾輪中。

圖2 廢棄渣土篩分設(shè)備正視圖

通過(guò)調(diào)節(jié)泥漿過(guò)濾裝置內(nèi)1號(hào)水管水流流速和龍門(mén)吊機(jī)鋼絲纜繩下放速度v來(lái)調(diào)節(jié)廢棄泥漿的初始體積含水量，使調(diào)節(jié)后的廢棄渣土的體積含水量≤0.15，這樣既能使廢棄渣土順利過(guò)濾，也能節(jié)約水資源。以及分離后的泥渣通過(guò)縱向滾輪轉(zhuǎn)移至橫向皮帶輪上，隨后橫向皮帶輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)將泥渣傳送至粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)，通過(guò)控制粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)上方2號(hào)水管水流流速和橫向皮帶輪的速度v來(lái)調(diào)節(jié)單位體積泥渣配水量，這樣既能使泥渣中的細(xì)顆粒和粗顆粒順利分離，也能節(jié)約水資源。過(guò)濾后的細(xì)顆粒通過(guò)橫向滾輪轉(zhuǎn)移至細(xì)顆粒收集池中，過(guò)濾后的粗顆粒通過(guò)縱向皮帶輪轉(zhuǎn)移至粗顆粒收集池。經(jīng)陽(yáng)光曬干后的粗顆粒和細(xì)顆?？梢宰鳛檐囌卷敯濉⒙坊靥盍系榷问褂?。

2.2 施工工藝流程及施工步驟

盾構(gòu)隧道廢棄渣土回收利用施工工法的工藝流程如圖4所示。廢棄渣土經(jīng)泥漿過(guò)濾池過(guò)濾后分成泥渣和泥漿，泥渣經(jīng)粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后分成粗顆粒和細(xì)顆粒，泥漿經(jīng)泥漿脫水設(shè)備分離出水和泥餅，泥餅經(jīng)簡(jiǎn)單處理后可用于綠化場(chǎng)地的種植土，水可用于車站主體結(jié)構(gòu)混凝土養(yǎng)護(hù)、施工場(chǎng)地清洗以及灑水降塵等。

圖4 工藝流程圖

廢棄渣土分離主要有以下5個(gè)施工步驟。第一步，測(cè)定廢棄渣土臺(tái)車內(nèi)廢棄渣土的初始體積含水量。

式中：為廢棄渣土的體積，即存放廢棄渣土臺(tái)車的容積；V為廢棄渣土中水的體積。廢棄渣土臺(tái)車是帶有兩個(gè)吊環(huán)的開(kāi)口矩形水箱，兩個(gè)吊環(huán)可供龍門(mén)吊機(jī)吊裝使用。

第二步，將廢棄渣土倒入泥漿過(guò)濾裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)1號(hào)水管流量和龍門(mén)吊機(jī)鋼絲纜繩下放速度v來(lái)調(diào)節(jié)廢棄渣土的初始體積含水量，使調(diào)節(jié)后的廢棄渣土體積含水量不小于0.15。1號(hào)水管流量如公式（2）所示。

式中：為1號(hào)水管中水流流速，可由閥門(mén)控制；為1號(hào)水管截面大小。

龍門(mén)吊機(jī)鋼絲纜繩下放速度v如公式（3）所示。

式中：為將裝置內(nèi)的廢棄渣土倒入泥漿過(guò)濾裝置所需時(shí)間；為將裝置內(nèi)的廢棄渣土全部倒入泥漿過(guò)濾裝置后鋼絲纜繩下放的長(zhǎng)度。調(diào)節(jié)后的廢棄渣土體積含水量如公式（4）所示。

當(dāng)遇到以下2種情況時(shí)，需要調(diào)整和v，使調(diào)節(jié)后的廢棄渣土體積含水量≥0.15。1）當(dāng)＜0.15時(shí)，廢棄渣土的體積含水量太小，控制1號(hào)水管的閥門(mén)來(lái)增大水流流速。2）當(dāng)＜0.15時(shí)，廢棄渣土的體積含水量太大，關(guān)閉1號(hào)水管的閥門(mén)。

第三步，利用縱向滾輪將過(guò)濾后的泥渣轉(zhuǎn)移至橫向皮帶輪，并調(diào)節(jié)橫向皮帶輪的運(yùn)送速度，確定單位時(shí)間內(nèi)橫向皮帶輪運(yùn)送泥渣的體積。單位時(shí)間內(nèi)橫向皮帶輪運(yùn)送泥渣的體積如公式（5）所示。

式中：為位于皮帶上的粗細(xì)顆粒的橫截面面積；v為橫向皮帶輪的運(yùn)送速度。

第四步，利用粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)對(duì)泥渣進(jìn)行過(guò)濾，并通過(guò)調(diào)節(jié)2號(hào)水管流量和橫向皮帶輪的運(yùn)送速度v來(lái)調(diào)節(jié)單位體積泥渣配水量，使調(diào)節(jié)后的單位泥渣配水量處于0.15~0.40。2號(hào)水管流量如公式（6）所示下。

式中：表示2號(hào)水管中水流流速，可由閥門(mén)控制；表示2號(hào)水管截面大小。

單位體積粗細(xì)顆粒配水量如公式（7）所示。

第五步，細(xì)顆粒和粗顆粒回收利用。細(xì)顆?；厥绽檬侵竿ㄟ^(guò)橫向滾輪將過(guò)濾后的細(xì)顆粒從過(guò)渡池轉(zhuǎn)移至細(xì)顆粒收集池，然后利用反鏟挖掘機(jī)將細(xì)顆粒從細(xì)顆粒收集池中轉(zhuǎn)移至地面，經(jīng)陽(yáng)光曬干后的細(xì)顆粒可以作為混凝土細(xì)骨料使用。粗顆粒回收利用是指通過(guò)縱向皮帶輪將過(guò)濾后的粗顆粒運(yùn)送至粗顆粒收集池中，經(jīng)陽(yáng)光曬干后的粗顆粒可以作為混凝土粗骨料使用。

泥漿經(jīng)泥漿脫水設(shè)備分離出清水和泥餅，泥餅經(jīng)簡(jiǎn)單處理后可用于綠化場(chǎng)地的種植土，水可用于車站主體結(jié)構(gòu)混凝土養(yǎng)護(hù)、施工場(chǎng)地清洗以及灑水降塵等。

3 施工效果

在深圳軌道交通10號(hào)線1012-1B標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間隧道工程中，用該設(shè)備及施工方法處理廢棄渣土約56000 m，分離得到粗顆粒約11000 m，細(xì)顆粒約17000 m，泥餅8000 m，水13000 m。

4 結(jié)論

盾構(gòu)隧道廢棄渣土回收利用是通過(guò)廢棄渣土篩分設(shè)備及其施工方法，提供一種適用于廢棄渣土回收利用的篩分設(shè)備。設(shè)備的主要特征為，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的廢棄渣土經(jīng)過(guò)泥漿過(guò)濾裝置的過(guò)濾后，變成泥漿和泥渣2個(gè)部分。泥漿沉淀在泥漿收集池，泥渣通過(guò)縱向滾輪轉(zhuǎn)移至橫向皮帶輪上，隨后橫向皮帶輪通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)將泥渣傳送至粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)，經(jīng)粗顆粒過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后的泥渣變成粗顆粒和細(xì)顆粒兩部分。細(xì)顆粒通過(guò)橫向滾輪轉(zhuǎn)移至細(xì)顆粒收集池中，粗顆粒通過(guò)縱向皮帶輪的傳送轉(zhuǎn)移至粗顆粒收集池。泥漿再經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)的泥漿分離設(shè)備，分離出泥餅和水。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該設(shè)備及其施工方法簡(jiǎn)單可靠，使用成本低，工作效率高。對(duì)盾構(gòu)施工產(chǎn)生的廢棄渣土進(jìn)行篩分處理后，可實(shí)現(xiàn)粗顆粒、細(xì)顆粒、泥餅和水的二次利用，同時(shí)減少環(huán)境污染，加快施工進(jìn)度，提升施工質(zhì)量，對(duì)巖土工程施工有重要的意義。