隧道油砂棄渣處置原則與方法

趙天彪

（四川建筑職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000）

0 引言

油砂一般是指黏度大、密度高，包含瀝青、砂、富礦黏土以及水的混合物，也被稱為瀝青砂或焦油[1]。一般情況下油砂埋深較大，淺表工程施工中不易遇到，因此，從工程的角度對油砂進行的研究較少，相關的研究成果也很少。

連接西安市和成都市的西成客運高速鐵路穿越龍門山斷裂帶前緣地區(qū)時，多座隧道在施工過程中遇到油砂，并且隧道的長度普遍較長，含油砂的地層段占隧道總長的比重大，施工過程中開挖出來的油砂棄渣量很大。油砂中油氣含量差別較大，施工過程中處理方式也不相同。尤其對于油氣含量較大的隧道線路段，油砂棄渣中含有大量的原油、天然氣、瀝青和地下水，處理的難度比較大，處理不當就會給大氣、地下水、地表水和土壤植被等造成嚴重危害[2]。

文章以西成客運專線上穿越油砂地層的黃家梁隧道為例，介紹隧道油砂的基本情況，提出油砂巖棄渣的處置原則，探討油砂巖棄渣的處置方法，以期為類似隧道施工提供參考。

1 隧道油砂概況

黃家梁隧道位于廣元市劍閣縣下寺鎮(zhèn)與金子山鎮(zhèn)之間，隧道的起始里程是DK431+931，終點里程是DK443+313，總長為11382m。隧道不同位置處埋深差異較大，最大埋深處約265m，洞身淺埋處僅約20m。

黃家梁隧道處于龍門山北段推覆體構造帶內，穿越侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組和下統(tǒng)白田壩組的含油砂地層。據野外露頭和鉆孔巖心的實測數據揭示：研究區(qū)內的油砂地層分布差異較大，不同區(qū)域油砂層數不同，總的油砂厚度也不相同，統(tǒng)計出所有勘探鉆孔中油砂的平均總厚度約為18.81m；油砂的巖性以中-粗巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主，粒徑普遍為0.2～0.5mm，分選和磨圓度均為中等；油砂巖石中的物性變化較大，孔隙度平均值約為14.34%，滲透率平均值約為11.85×10-3μm2，為中高孔中滲儲層；油砂中的含油率普遍較低，平均約為2.1%，但不同位置處油砂的含油率差別較大，尤其是DZ-HJL-07和DZ-HJL-08兩個鉆孔中還有稠油流出，而部分鉆孔中僅僅顯示油浸；鉆孔過程中對鉆孔進行有毒有害氣體檢測，不同鉆孔檢測結果差別較大，含有油砂的鉆孔，通常能夠檢測出有毒有害氣體，其中鉆孔DZ-HJL-07和DZ-HJL-08檢測的天然氣最大濃度達到2.525%和2.845%，氣體主要成分為甲烷和硫化氫，遠超高瓦斯隧道判定的界限值。

2 油砂巖棄渣處置原則

2.1 安全至上

無論是油砂巖棄渣還是普通土石方棄渣，安全處置都是最重要，也是施工時首要考慮的原則。考慮到運輸成本和時間限制，個別隧道土石方棄渣甚至可能存在自然傾倒、未按規(guī)定碾壓以及堆放松散等問題，暴雨或地震作用下容易失穩(wěn)，誘發(fā)崩塌、滑坡和泥石流等災害。黃家梁隧道附近地貌類型以低山區(qū)為主，溝壑縱橫，降水充沛，油砂巖棄渣處置場地的選擇尤其要注重安全。此外，黃家梁隧道油砂巖棄渣中含有原油、天然氣、地下水等有害物質，對環(huán)境易造成危害，較普通土石方棄渣更易形成安全隱患。

2.2 節(jié)約用地

西部山區(qū)交通建設的橋隧比非常高，就西成客運專線全線橋隧占比超過90%，穿越秦嶺的隧道群全長134km，超過10km的特長隧道有7座，施工產生的土石方棄渣量非常大。就黃家梁隧道而言，全長超過11km，單座隧道的土石方棄渣量就非常大，需要大量的場地用于處理和堆放棄渣，極易造成大量土地占用。而油砂巖棄渣由于含有大量的有毒有害物質，直接利用的可能性較小，處理后再利用的技術要求高、難度較大。因此，如何在更少占用土地的情況下合理處置油砂巖棄渣就顯得尤為重要。

2.3 經濟高效

油砂巖棄渣處置方式多種多樣，不同的處理方式耗費的時間和投入的資金不同。黃家梁隧道延伸長，油砂巖棄渣量比較大，另外，附近層巒疊嶂，山高坡陡，便道難建，如何經濟高效地處置油砂巖棄渣也是需要重點考慮的問題。

2.4 注重環(huán)保

油砂巖棄渣中含有的原油、天然氣和地下水等，處置不當會給環(huán)境造成嚴重危害。油砂巖孔隙和裂隙中的天然氣會緩慢滲出，容易形成硫化氫氣體的集聚，影響周邊環(huán)境。油砂巖棄渣直接堆放，孔隙和裂縫中的原油和地下水不經處理，容易在降雨情況下滲入地下水或者進入地面徑流，污染地下水的水質，破壞地表水的生態(tài)環(huán)境，影響水中浮游生物的正常生長。原油進入土壤后，容易破壞土壤的結構，降低土壤的透水性和滲水性，造成土壤污染，影響植被的生長，不利于土地的可持續(xù)利用。黃家梁隧道附近植被茂盛，徑流發(fā)育，雨水充沛，油砂巖棄渣的處置，需要重點考慮環(huán)保問題。

2.5 合理分類

根據黃家梁隧道中的油砂含油率測試可知，不同位置處油砂中的含油率差別較大，因此對油砂應進行合理分類，施工時能更好地采取相應的處理措施。根據含油率的大小可將油砂分為飽和油、含油、油浸三種類型。針對飽和油的油砂，應重點處理；對于含油的油砂可根據時間和成本靈活處理；而油浸的油砂可簡單處理。針對不同類型的油砂采用不同的處置方法，有利于減少資金的投入和時間的消耗。

2.6 統(tǒng)籌兼顧

油砂巖棄渣的處置是一項重要且復雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮多方面的因素。根據隧道施工地段油砂中油汽水的含量、周圍施工環(huán)境等因素，制定出相應的處理措施；或許對于某個方面的考慮不能達到最優(yōu)，但是最后的處置措施應能達到整體最優(yōu)。

（1）紙質貨幣的發(fā)行需要成本，數字貨幣的應用將會大大降低貨幣的制造成本及流動成本。如果實現數字貨幣普及，對生態(tài)系統(tǒng)保護也是十分有利。

3 油砂巖棄渣處置方法

3.1 直接掩埋

原油浸染類型的油砂巖，棄渣中含有的原油和瀝青等物質較少，施工過程中可以將棄渣采取直接掩埋的處置方法。直接掩埋的處置方法包含如下步驟：

第一步是選擇掩埋的場地。根據施工時所處的位置和周圍的具體環(huán)境條件，盡量實現就近掩埋，降低運輸成本；同時，掩埋場地要充分考慮周圍地表水和地下水的流動情況，以及暴雨季節(jié)坡面水流和匯聚水流的流向，盡量避開地表水和地下水流匯聚點和暴雨水流易沖刷點，防止水流將油砂巖中的有毒有害物質帶走，進入附近的水環(huán)境；另外，從環(huán)境保護的角度來說，盡量避免占用有茂密植被的山坡和可耕種的土地，最好選擇空曠且少植被的場地。

第二步是掩埋場地的防滲漏處理。確定好具體掩埋位置后，需要重點處理場地的滲漏問題。目前，主要采取防滲膜或者防滲混凝土對堆放場地的底部和四周進行防滲處理。

第三步是棄渣的碾壓。按照規(guī)范要求，必須對棄渣進行嚴格碾壓。通過碾壓，一方面可以將棄渣壓實，預防降雨或者地震等帶來的影響，避免出現滑坡或者泥石流等危險；另一方面，碾壓后的棄渣體積會減小，可以減少占用堆放場地，有利于節(jié)約用地。

第四步是棄渣場表面處理。場地表面處理非常重要，可以采用防滲膜將表面掩蓋，避免雨水侵入，也可以覆蓋松軟耕土，種植植被，恢復地表生態(tài)環(huán)境，結合黃家梁隧道附近的具體環(huán)境情況，主要采用覆土植被的方式。

直接掩埋的程序相對簡單，技術難度小，花費時間少，費用也較少。

3.2 除油后掩埋

對于飽含原油和含油油砂巖棄渣，重點是除去油砂中的有毒有害物質。由于有害氣體相對較少，只要不直接大量堆放，氣體就難以聚集，不易造成直接的氣體危害。因此，重點就是棄渣中原油的處理。目前，對于原油處理的方法可以分為物理法、化學法和生物法。

3.2.1 物理除油法

物理法除油是對油砂中的原油進行萃取，將砂體與原油分離，再進一步處理，具體的處理流程如下：

（1）在隧道附近選擇合適的處理場地，在場地位置建造多個大型混凝土處理池，在比處理池更低的位置處建立大型的匯水池。處理池底部可采用鋼絲網狀鏤空，也可利用滲透性較強的碎石，在處理池底部埋置管道或者開挖溝渠，能夠讓處理池中的流體向下流動，最終流入匯水池。

（2）選擇經濟高效的萃取劑。目前施工中可供選擇的萃取劑種類較多，比如由Petroteq能源公司開發(fā)的低沸點溶劑，該溶劑由疏水、親水和多環(huán)烴組成，能把油砂中99%的烴類溶解。

（3）將油砂巖棄渣運輸到處理場地，并堆放在處理池內，然后將萃取液按照一定比例與水混合后，以沖洗方式對油砂巖棄渣進行淋浴，混合液就會溶解油砂中的絕大部分原油，最后，溶解了原油的混合液流入到匯水池。

（4）將處理了原油后的油砂巖棄渣運走。（5）重復進行以上步驟，處理新開挖出的油砂巖棄渣。進入匯水池的混合液體可進一步采用物理、化學或生物法進行處理。采用物理法除油的原理簡單，但是實際操作難度較大，需將油砂巖棄渣進行多次裝載和運輸，所需時間較長，機械和人力需求量較大，最終處理費用較高。

3.2.2 化學除油法

化學除油法與物理除油法有許多類似的地方，都需要專門的處理池、匯水池等，最大的差別在于物理法添加的是萃取劑，主要作用是溶解油砂中的原油，而化學法主要添加的是化學試劑，主要用來與原油中的烴類物質發(fā)生化學反應。常用的方法是化學氧化法，主要是通過將氧化劑與水混合加入到處理池，讓氧化劑與烴類化合物進行氧化還原反應，將油砂中原油所包含的大分子化合物分解成分子較小的可以被微生物所降解的小分子有機化合物和部分無機化合物，可以減小原油對環(huán)境的危害。待化學反應完成后再將油砂巖棄渣運走。

反應后的化學混合液進入匯水池，可采用物理法、化學法或生物法進一步處理。化學法除油的原理相對復雜，操作難度較大，也需要經過多次運輸，化學試劑消耗量大，化學反應所需時間較長，最終的處理費用很高。

3.2.3 微生物除油法

微生物除油法就是通過改變微生物外部生活環(huán)境和依照微生物的遺傳變異規(guī)律提高原油降解速度和程度，這種方法具有手段多樣化、降解程度高、代謝旺盛且代謝無毒害的特點，被認為是最有生態(tài)保護價值、最有應用前景的原油去除最徹底的方法。

微生物除油法可以在處理池中進行，完成后再將棄渣運走，但是這樣花費的時間較長，過程復雜，費用較高，不利于大量處理油砂巖棄渣，好處是經過處理后的棄渣可以再利用。

微生物除油法還可以先選擇油砂巖棄渣的掩埋場地，場地選擇方法如直接掩埋法中所述，并且也要對場地周圍進行防滲處理；然后選擇微生物，能夠除油的微生物種類很多，但必須考慮處理場地的氣候、溫度、濕度、酸堿性等條件，培育合適的微生物；之后是將油砂巖棄渣堆放到預定掩埋場地，碾壓密實后再投放適量的微生物，微生物通過不斷的降解原油中的物質生存、繁殖，直至將原油降解完；最后再進行堆放場地表面的處理。

經過物理法、化學法和生物法除油的油砂巖棄渣可以進行掩埋處理，掩埋方法同直接掩埋法一致。

3.3 除油后的棄渣再利用

通過物理法和化學法除油后的油砂巖棄渣不便于重新利用，因為都存在除油不徹底的情況，經過生物除油法處理的油砂巖棄渣可以再利用。一是對于混凝土強度要求不高的地區(qū)，可以利用處理后的油砂巖棄渣作為骨料制作混凝土；二是作為工程填料，山區(qū)交通項目受地形影響，本身對土石方原料有著巨大的需求，這些工程填料大多需要外運和采購，經濟成本高，將棄渣中的骨料替代天然骨料用于路基工程已有成熟的經驗，前景廣闊；三是生產環(huán)保型建材，利用棄渣做原料生產環(huán)保型建材的技術和市場正在迅速發(fā)展，產品性能也能滿足相關要求，可以彌補建材工業(yè)大量消耗自然資源的損失。

4 結束語

油砂巖棄渣在處置過程中，要統(tǒng)籌兼顧安全至上、節(jié)約用地、經濟高效、注重環(huán)保和合理分類的原則；油砂巖棄渣處置時可以采用直接掩埋的方法，也可以采用物理除油、化學除油、生物除油后再掩埋的方法，還可以將生物除油法處置后的油砂巖棄渣作為混凝土骨料、工程填料、建材原料進行再利用。