盾構(gòu)渣土余泥處理與應(yīng)用技術(shù)

林珊 夏星宇 羅旭 程從密

（1 廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院）

盾構(gòu)法作為一種全機(jī)械化的施工方法，因其施工安全性高、施工效率高、對地面交通和河道通航影響小、環(huán)境危害小、受氣候變化影響小等特點，在城市地下空間開發(fā)、公路隧道建設(shè)、地鐵隧道施工等領(lǐng)域已被廣泛運用。

但不容忽視的是，大量的盾構(gòu)渣土余泥會在盾構(gòu)法施工的過程中產(chǎn)生。日本將細(xì)顆粒成分高及含水率高的泥狀土和泥漿界定為建設(shè)污泥，這一類污泥有明確的界定標(biāo)準(zhǔn)，即無法被擊實或擊實后的錐度儀貫入指數(shù)qc小于200kPa，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu也要小于50kPa。建設(shè)污泥必須要按照標(biāo)準(zhǔn)的流程進(jìn)行無害化處理后，才能進(jìn)行資源化利用[1]。當(dāng)然，除了建設(shè)污泥，盾構(gòu)法施工的過程中還會產(chǎn)生砂、礫、砂礫土、硬黏土等低含水率的渣土。通常意義上來說，我國定義的渣土與日本并無二致，本文側(cè)重于討論盾構(gòu)余泥部分。

2022年1月住建部發(fā)布的《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，要積極推進(jìn)建筑垃圾的減量化以及建筑廢棄物的高效處理與再利用，建立研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、施工、資源回收再利用等一體化協(xié)同的綠色建造產(chǎn)業(yè)鏈[2]。盾構(gòu)渣土余泥作為一種典型的建筑垃圾，其無害化的處理、資源化的發(fā)展和綜合性的應(yīng)用具有至關(guān)重要的環(huán)保價值和社會意義。因此，必須要廣泛調(diào)研國內(nèi)外盾構(gòu)渣土余泥綜合性應(yīng)用的主要產(chǎn)品及推廣情況，總結(jié)出適合盾構(gòu)渣土余泥資源化處理和綜合性應(yīng)用的指導(dǎo)方針、理論技術(shù)、操作方案和參考案例，開發(fā)出更多例如人造板材、燒結(jié)磚、免燒磚、陶粒和陶瓷等有價值的盾構(gòu)渣土余泥資源化產(chǎn)品。

1 盾構(gòu)渣土余泥的理化性能

盾構(gòu)渣土余泥的物理性質(zhì)主要有顆粒級配和含水率兩大方面。當(dāng)黏土顆粒的粒徑小于5μm 時，因為其表面電性而生成的結(jié)合水較難直接受重力影響而排出。倘若此類黏土顆粒含量超過20%，盾構(gòu)渣土基本呈軟泥狀，如果沒有恰當(dāng)?shù)募庸ぬ幚?，則無法將其進(jìn)行資源化利用。而如果渣土的濕基含水率大于50%，則其基本也呈現(xiàn)為泥狀，通常也需要一定的改性方可進(jìn)行資源化利用[3]。

而分析盾構(gòu)渣土余泥的化學(xué)組成，不同來源渣土余泥的化學(xué)成分具有相似性，主要成分都是氧化硅、氧化鋁和氧化鐵?！吨榻侵匏Y源配置工程盾構(gòu)隧洞開挖渣土資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究年度總結(jié)報告》中指出，分析泥餅的化學(xué)成分及礦物成分，氧化硅的占比高達(dá)60%～85%，氧化鋁的占比達(dá)到5%～18%，氧化鐵的占比達(dá)到3%～5%。除此之外還有氧化鈦、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉等成分。泥餅在經(jīng)過800℃高溫處理后，氧化鋁的占比提高到27.12%。

明確了盾構(gòu)渣土余泥的物理性質(zhì)和化學(xué)組成，還應(yīng)對其中可能存在的化學(xué)污染物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。除非在經(jīng)受污染的地層比如化工廠、農(nóng)藥廠等附近進(jìn)行盾構(gòu)施工外，通常天然地層中是不含有污染物質(zhì)的，因此只須針對盾構(gòu)渣土中的泡沫劑、絮凝劑、分散劑等添加劑進(jìn)行監(jiān)測即可。這些添加劑對于環(huán)境的影響均不容小覷，值得警惕[3]。

2 盾構(gòu)渣土余泥的形成與預(yù)處理

盾構(gòu)渣土余泥既包括細(xì)顆粒成分高、含水率高的泥狀土和泥漿，也包括砂、礫、砂礫土、硬黏土等低含水率的渣土，本文側(cè)重于探討盾構(gòu)余泥的部分。針對盾構(gòu)渣土余泥進(jìn)行恰當(dāng)高效的預(yù)處理，是實現(xiàn)盾構(gòu)渣土余泥資源化利用的關(guān)鍵一步。本文詳細(xì)介紹了盾構(gòu)渣土余泥的形成，也對盾構(gòu)渣土余泥的預(yù)處理技術(shù)及工藝進(jìn)行了相應(yīng)的整理，主要包括脫水技術(shù)和除鐵技術(shù)等。

2.1 盾構(gòu)渣土余泥的形成

盾構(gòu)法施工的過程中，會形成大量的泥狀土和泥漿。土壓平衡盾構(gòu)往往會形成大量的泥狀土，而泥水加壓盾構(gòu)則會形成大量的泥漿。在基坑開挖中遇到淤泥軟黏土的時候，渣土尤其會呈現(xiàn)出泥狀[4]。

劉志峰[5]在深圳地鐵10 號線的施工項目中研發(fā)出了一種新型的渣土篩分機(jī)器。其中，泥漿過濾裝置可以用來分離泥渣與泥漿，泥漿收集池可以用來收集經(jīng)過過濾的泥漿和水，而泥漿脫水設(shè)備可以再將泥漿分離為清水和泥餅。至此，經(jīng)過精細(xì)篩分的盾構(gòu)渣土余泥將可以變廢為寶，投入不同領(lǐng)域的資源化利用，例如將泥餅經(jīng)過簡單的加工處理，投入綠化土的使用等。

2.2 脫水技術(shù)

脫水技術(shù)包括天然晾曬這種最為簡單基本的脫水方法，也包括土工管袋脫水技術(shù)、離心脫水技術(shù)和板框壓濾技術(shù)等較為復(fù)雜的脫水技術(shù)，超聲波脫水技術(shù)作為一種新興的脫水技術(shù)也正受到廣泛關(guān)注。

張春雷等[6]指出，土工管袋脫水法利用土工袋幫助淤泥脫水，排出水的土可以用做圍堤、填方、筑埝。該方法施工效率高、造價成本低，當(dāng)淤泥的含沙量較大時非常適用。譚建國[7]指出，離心脫水技術(shù)和板框壓濾技術(shù)本質(zhì)上都是機(jī)械脫水技術(shù)。離心脫水機(jī)通過螺旋和轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，促進(jìn)泥漿中的固態(tài)物質(zhì)運動，從而使得泥漿完成脫水；板框壓濾機(jī)利用濾框和濾板擠壓泥漿，使其強(qiáng)行發(fā)生固結(jié)排水。同時，譚建國[7]通過分析惠州金山湖清淤工程，提煉出了生產(chǎn)低含水率、高強(qiáng)度泥餅的脫水固化工藝，其可以高效實現(xiàn)渣土余泥的資源化處理。

而近年來逐漸受到關(guān)注的超聲波脫水技術(shù)，主要是利用超聲波的聲化學(xué)性能、海綿效應(yīng)和混凝作用，使得渣土余泥完成脫水[8]。超聲波處理污泥受到超聲波頻率、聲能密度、超聲時間、環(huán)境pH 值、耦合方法等眾多因素影響[9]。韓青青等[10]研究發(fā)現(xiàn)，對余泥進(jìn)行超聲波處理可以有效降低其離心后含水率，再加上絮凝劑的耦合作用，其脫水性能將會進(jìn)一步提高，且此時絮凝劑的用量得以降低，脫水成本得以減少。Li 等[11]使用嬗變功率函數(shù)模型來描述超聲波崩解污泥的過程，發(fā)現(xiàn)在相同的能量輸入下，低密度、長持續(xù)時間的超聲波處理比高密度、短持續(xù)時間的超聲波處理更有效地分解了污泥。

2.3 除鐵技術(shù)

盾構(gòu)渣土余泥的除鐵技術(shù)也尤為關(guān)鍵，特別是在利用盾構(gòu)渣土余泥制備陶瓷的資源化利用中，除鐵技術(shù)更是重中之重。除鐵技術(shù)有浮選法、磁選法這一類物理方法，也有氧化還原法、無機(jī)酸反應(yīng)法、有機(jī)酸反應(yīng)法這一類化學(xué)方法。近年來，微生物除鐵法也在悄然興起。

浮選法是利用礦物表面的理化性質(zhì)差異，使礦物從礦漿中浮出的方法。磁選法是根據(jù)礦物的磁性差異，利用不均勻的磁場實現(xiàn)礦物分離的方法。酸反應(yīng)法除鐵是用無機(jī)酸或有機(jī)酸與渣土余泥反應(yīng)，將其中的鐵單質(zhì)和氧化鐵轉(zhuǎn)化成可溶性的鐵鹽，然后再將其從礦物中分離出來的方法。

喬國龍等[12]進(jìn)行了有關(guān)盾構(gòu)渣土余泥的除鐵技術(shù)研究，研究發(fā)現(xiàn)利用磁選法除鐵時，前15 分鐘除鐵效果良好，鐵含量急速下降，但時間越久效果越差，至45 分鐘左右時除鐵率達(dá)到26.64%，而后鐵含量幾乎不再下降，因此這類方法適合去除盾構(gòu)渣土中的鐵單質(zhì)，不適合用作鐵的化合物的清除。而利用濃度為0.5mol/L 的草酸進(jìn)行盾構(gòu)渣土余泥的除鐵時，在4 小時左右除鐵率為77.37%，渣土余泥中的鐵含量降到最小值。Das, P等[13]研究利用丙烯腈加合物去除亞鐵離子，除鐵率高達(dá)95.31%。李冬等[14]研究了低溫生物除鐵工藝，通過實驗表明800mm 厚的成熟生物濾層在7m/h 左右的濾速下可以實現(xiàn)深度除鐵。

3 盾構(gòu)渣土余泥的綜合利用

近年來，國家出臺了一系列文件強(qiáng)調(diào)要積極推進(jìn)建筑廢棄物的高效處理與再利用，建立研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)、施工、資源回收再利用等一體化協(xié)同的綠色建造產(chǎn)業(yè)鏈。這些要求都是基于習(xí)近平總書記在黨的十八屆五中全會上提出的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念而制定的。盾構(gòu)渣土余泥可以進(jìn)行資源化的發(fā)展和綜合性的應(yīng)用，特別是利用其潛在水硬性制備免燒陶粒、免燒磚、水泥礦粉等，或是制作陶瓷、陶粒等燒結(jié)類的產(chǎn)品，具有很高的市場前景[15]。

3.1 盾構(gòu)施工輔助材料

在盾構(gòu)法施工的過程中，盾構(gòu)壁后注漿是極為重要的一步。由于盾構(gòu)管片拼裝完畢后，管片與土體之間還會存在一定空隙，此時就需要通過壁后注漿填充空隙，使管片盡快支撐地層，防止管片和土體的沉降，以免因地面變形過大而造成不可估量的危害。在其中，注漿材料的選用尤為關(guān)鍵。李雪等[16]的研究指出，在細(xì)砂層中使用盾構(gòu)掘進(jìn)泥漿制備的漿體能夠?qū)崿F(xiàn)同步注漿材料的基本性能。王濤等[17]開展了利用廢棄泥漿生成同步注漿材料的相應(yīng)研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)泥漿的固水比增大時，砂漿的強(qiáng)度也會隨之提升，但其流動性將會降低。與新配制的膨潤土泥漿相比，廢棄泥漿制備出來的砂漿流動性更好，但其泌水率較高，強(qiáng)度也較低。因此可考慮將部分量的新配制膨潤土泥漿用廢棄泥漿來代替。

同時，盾構(gòu)渣土余泥還可作為掘進(jìn)泥漿循環(huán)利用，掘進(jìn)泥漿用以維持挖掘面的穩(wěn)定，提高土體的強(qiáng)度。姜騰等[18]研究發(fā)現(xiàn)密度為1.12g/cm3、黏度為20s 的淤泥黏土與增黏劑的混合泥漿可在粉細(xì)砂地層中生成泥皮型泥膜，這使得地層滲透系數(shù)降低，泥漿濾失量減少。王建華[19]也指出，壓濾處理后的泥漿會產(chǎn)生大量無色、無味的透明尾水，這些尾水配置的黏土泥漿和增黏劑、膨潤土漿混合后可得到泥膜質(zhì)量較高的掘進(jìn)泥漿，它可以高效阻止泥漿中的水滲入地層，保證開挖面在施工過程中處于長期穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2 利用其潛在水硬性

由于盾構(gòu)渣土余泥的潛在水硬性，其通?？捎糜谥苽涿鉄u和免燒陶粒。與需要大量能源消耗的燒結(jié)類產(chǎn)品不同，免燒磚和免燒陶粒等產(chǎn)品具有高度的實用性、低碳性和環(huán)保性。

免燒磚在生活中應(yīng)用廣泛，可以用作墻體磚、路面磚、護(hù)坡磚等等方面。Chen 等[20]以盾構(gòu)渣土余泥為基礎(chǔ)材料，摻加石灰、水泥、粉煤灰和聚乙烯醇等制備出免燒磚，并研究了不同成分不同摻量對其基本性能的影響。研究得出結(jié)論，當(dāng)石灰摻量為10%，水泥摻量為5%時，免燒磚的整體抗壓強(qiáng)度會隨著粉煤灰摻量的增加而顯著提高，最大可達(dá)到13.69 MPa。而微量聚乙烯醇的摻入雖然一定程度上損害了抗壓強(qiáng)度，但15 次凍融循環(huán)后的強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率也明顯降低了。刁智琴等[21]結(jié)合長沙地鐵3號線施工項目開展研究，發(fā)現(xiàn)相較于摻入粉煤灰的細(xì)粒盾構(gòu)渣土免燒磚，摻入?；郀t礦渣的免燒磚抗壓強(qiáng)度更高，25 次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失也更小。

段凱強(qiáng)等[22]以赤泥和粉煤灰為主要材料，制備出可吸附磷和氟離子的免燒陶粒，并通過響應(yīng)曲面確定了該陶粒的最佳解體率是4%。李大山等[23]以渣土余泥為原料制作了高強(qiáng)度的免燒陶粒，研究發(fā)現(xiàn)砂土和黏土混合形成的渣土最有利于高強(qiáng)度陶粒的制備，硬化劑的摻量和養(yǎng)護(hù)溫度也對陶粒的基本性能產(chǎn)生影響，渣土余泥的顆粒能夠有效結(jié)成致密整體的主要原因是硬化劑水化產(chǎn)物的黏結(jié)和間隙填充作用。李杰等[24]以具有火山灰反應(yīng)膠結(jié)硬化機(jī)制的硬化劑為膠結(jié)料，以盾構(gòu)渣土余泥為原料，采用對輥擠壓成型方法制備免燒陶粒樣品，研究發(fā)現(xiàn)免燒陶粒各個齡期的筒壓強(qiáng)度隨著膠土比的增大而增大。

3.3 燒結(jié)類

盾構(gòu)挖掘時產(chǎn)生的渣土余泥也可以用于制備燒結(jié)磚、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等需要燒結(jié)的產(chǎn)品。這種資源化利用不僅可以積極保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且此類產(chǎn)品的市場前景廣闊。

由于盾構(gòu)渣土余泥中富含鋁硅酸鹽成分，因此利用其制作燒結(jié)磚是切實可行的。盧紅霞等[25]以高石英含量的建筑渣土為基礎(chǔ)，混合建筑廢玻璃和高爐礦渣，制備出了高性能的燒結(jié)磚，當(dāng)建筑渣土的占比80%時，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到89.37MPa。

陶粒也是常見的盾構(gòu)渣土余泥資源化產(chǎn)品，有著較好的隔熱、保溫、耐火、抗凍、耐久、抗?jié)B性能，利用渣土余泥制備不同密度等級和粒徑的陶粒也在近些年得到了廣泛的研究。萬文豪等[26]研究了不同的助熔成分對工程渣土燒制輕質(zhì)陶粒性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)MgO、CaO及Na2CO3均可明顯改善陶粒的燒脹效果，不同的助熔成分對晶相組成和液相性質(zhì)的影響不同，從而改善陶粒的燒脹效果也不同。羅樹瓊等[27]利用微波燒結(jié)技術(shù)制備拜耳法赤泥渣土陶粒，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)赤泥摻量為20%，燒結(jié)溫度為1100℃時，陶粒的各項性能較好。

盾構(gòu)渣土余泥還可以用來制備多孔陶瓷和仿古陶瓷。Adylov, G.T.等[28]的研究結(jié)果表明，采用礦物成分接近標(biāo)準(zhǔn)細(xì)陶瓷漿料成分的非傳統(tǒng)礦物原料，可以獲得具有良好化學(xué)性能和熱機(jī)械性能的陶瓷材料。Zhang等[29]利用由煤矸石煅燒而成的高嶺土和污泥成功制備了多孔陶瓷磚，當(dāng)污泥含量為30%時，陶瓷磚具有最高的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和較高氣孔率。喬國龍等[12]研究發(fā)現(xiàn)物理磁選除鐵技術(shù)和化學(xué)反應(yīng)除鐵技術(shù)均對降低盾構(gòu)渣土中的鐵元素含量，提升陶瓷的白度有一定積極作用。特別是使用草酸浸泡的化學(xué)反應(yīng)除鐵技術(shù)，可使陶瓷的白度達(dá)至31.43%。有一些仿古陶瓷產(chǎn)品無須除鐵亦可燒制，由于原料中的鐵元素含量較高，燒制出來的陶瓷為黑褐色。

4 結(jié)語

本文著重介紹了盾構(gòu)渣土余泥的理化性能，包括其顆粒級配、含水率、化學(xué)組成及其可能存在的化學(xué)污染物質(zhì)。明確了盾構(gòu)渣土余泥的理化性能，就必須針對盾構(gòu)渣土余泥進(jìn)行無害、高效的預(yù)處理，這些預(yù)處理技術(shù)包括土工管袋脫水技術(shù)、離心脫水技術(shù)、板框壓濾技術(shù)和超聲波脫水技術(shù)等脫水技術(shù)，也包括浮選法、磁選法、氧化還原法、無機(jī)酸反應(yīng)法、有機(jī)酸反應(yīng)法和微生物除鐵法等除鐵技術(shù)。

正因盾構(gòu)渣土余泥的資源化發(fā)展和綜合性應(yīng)用具有至關(guān)重要的環(huán)保價值和社會意義，所以學(xué)界一直致力于研究渣土余泥有發(fā)展前景的資源化利用途徑。其中包括將渣土余泥用作壁后注漿材料、掘進(jìn)泥漿等盾構(gòu)施工的輔助材料，也包括利用其潛在水硬性制造免燒磚、免燒陶粒等產(chǎn)品。燒結(jié)磚、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等燒結(jié)類的產(chǎn)品也是盾構(gòu)渣土余泥常見的資源化利用方向。

盾構(gòu)渣土余泥的高效處理與再利用是建立一體化協(xié)同的綠色建造產(chǎn)業(yè)鏈的具體領(lǐng)域。無論從市場前景的角度考慮，還是從環(huán)保事業(yè)的視角思考，我國都必須高度重視盾構(gòu)渣土余泥等建筑廢棄物的資源化發(fā)展和綜合性應(yīng)用。