馮 波 羅 章 石鴻韜

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

土壓平衡盾構(gòu)渣土俗稱“果凍土”，其處置方式一般為直接外運(yùn)堆填。該類渣土通常具有孔隙率大、含水量高、滲透系數(shù)不均勻等特點(diǎn)[1]，直接填埋會(huì)帶來極大的安全與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[2]。截止2020年底，國(guó)內(nèi)已有45個(gè)城市進(jìn)入地鐵時(shí)代[3]，盾構(gòu)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(guó)目前盾構(gòu)渣土實(shí)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(fēng)化巖石地層產(chǎn)生的盾構(gòu)渣土，其砂石含量較高，具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本研究依托深圳地鐵6號(hào)線支線翠-新-中區(qū)間項(xiàng)目，開展土壓平衡盾構(gòu)渣土的施工現(xiàn)場(chǎng)處理技術(shù)研究，以解決盾構(gòu)渣土的出運(yùn)及資源化利用難題。

1 工程概況

深圳6號(hào)線支線線路位于深圳北面光明新區(qū)內(nèi)，線路長(zhǎng)度約6.13 km，其中翠-新-中區(qū)間盾構(gòu)穿越地層主要以風(fēng)化花崗巖風(fēng)化層為主，不同風(fēng)化程度的地層占比見圖1，顆粒粒徑統(tǒng)計(jì)見表1。由統(tǒng)計(jì)結(jié)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(gòu)推進(jìn)過程中產(chǎn)生的渣土具有極高的再利用價(jià)值。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間地層統(tǒng)計(jì)圖

表1 盾構(gòu)區(qū)間地層顆粒粒徑統(tǒng)計(jì)表

2 盾構(gòu)渣土施工現(xiàn)場(chǎng)處理工藝

施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的渣土含水率較高，直接外運(yùn)堆存難以成型，需要占用大量土地資源，且運(yùn)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(chǎng)處置難題，根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)間的地層物理力學(xué)特性，有針對(duì)性地研發(fā)了工藝技術(shù)，工藝路線圖見圖2，具體流程如下。

1) 石塊、黏土球分離。盾構(gòu)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(jìn)入螺旋提升機(jī)。

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

3) 泥砂分離。預(yù)處理池中的漿液泵入旋流器(切割點(diǎn)0.074 mm)，旋流出的泥漿溢流進(jìn)入儲(chǔ)泥池。細(xì)砂進(jìn)入細(xì)砂脫水篩，經(jīng)高壓沖水洗砂并振動(dòng)脫水，后經(jīng)皮帶機(jī)輸送至砂堆場(chǎng)，篩下漿液泥漿回流入預(yù)處理池。

圖2 盾構(gòu)渣土處理工藝流程

4) 泥漿調(diào)理。儲(chǔ)泥池泥漿采用攪拌器充分混合，根據(jù)泥漿性質(zhì)加入特制藥劑進(jìn)行調(diào)理。

5) 泥漿壓濾。泥漿從儲(chǔ)泥池底部泵送至高壓隔膜式板框壓濾設(shè)備，形成泥餅，經(jīng)皮帶機(jī)上輸送至堆場(chǎng)。

6) 尾水處理與收集。板框壓濾濾液進(jìn)入濾液收集池，經(jīng)沉淀及尾水處理后，上清液溢流進(jìn)入清水池，用于振動(dòng)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(chǎn)效率，自主研發(fā)了土壓平衡盾構(gòu)渣土處理智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量、濃度、液位等數(shù)值。系統(tǒng)設(shè)置了報(bào)警功能，幫助操作人員及時(shí)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有效應(yīng)對(duì)故障等突發(fā)情況。另外，該系統(tǒng)能夠及時(shí)地記錄設(shè)備的啟動(dòng)時(shí)間、進(jìn)料時(shí)間、壓榨時(shí)間等生產(chǎn)信息和運(yùn)行情況，有效地提高了盾構(gòu)渣土處理的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平。

安裝調(diào)試后的盾構(gòu)渣土施工現(xiàn)場(chǎng)處理系統(tǒng)見圖3。系統(tǒng)采用了集約式設(shè)計(jì)理念，下層平臺(tái)為預(yù)處理池與泥漿池，中層平臺(tái)為攪拌器與電氣控制臺(tái)，上層平臺(tái)為旋流器、脫水篩、板框壓濾機(jī)等設(shè)備，總占地面積僅400 m2，滿足城市狹窄場(chǎng)地使用場(chǎng)景。現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(yùn)難度大且易滴漏的難題。

圖3 盾構(gòu)渣土施工現(xiàn)場(chǎng)處理系統(tǒng)

3 處理效果分析

3.1 砂含泥量

采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的砂樣進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，在實(shí)驗(yàn)室烘干后，利用土壤分析篩對(duì)砂樣進(jìn)行顆粒級(jí)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(cè)結(jié)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(xì)骨料使用要求。

圖5 砂含泥量檢測(cè)結(jié)果

3.2 泥餅含砂量

采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)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(jìn)行顆粒級(jí)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(cè)結(jié)果見圖6。可見處理后的泥餅的含砂量低于7%，平均值為2.9%，可見分離泥砂分離效率較高，僅有少量砂進(jìn)入泥餅。

圖6 泥餅含砂量檢測(cè)結(jié)果

3.3 泥餅含水率

采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的泥餅，利用土壤水分測(cè)定儀對(duì)泥餅的含水率進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)結(jié)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(cè)結(jié)果

3.4 尾水水質(zhì)

采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中清水池中的尾水，采用GB/T 11901-1989中的重量法進(jìn)行SS(suspended solid)檢測(cè)，結(jié)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(jí)B出水標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 尾水SS值檢測(cè)結(jié)果

4 處理效率及產(chǎn)出物分析

4.1 處理效率分析

設(shè)備調(diào)試完畢投入運(yùn)營(yíng)后，平均日處理盾構(gòu)渣土自然方600 m3以上，滿足盾構(gòu)推進(jìn)的高峰期出渣要求。板框壓濾機(jī)產(chǎn)出的脫水泥餅厚度約為3 cm，可以依靠重力自行脫落。設(shè)備持續(xù)運(yùn)行了一段時(shí)間后，預(yù)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(chǎn)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(duì)盾構(gòu)推進(jìn)過程中采用的發(fā)泡劑的化學(xué)成分，研發(fā)了相應(yīng)的消泡劑，最終有效消減了泡沫對(duì)施工效率的影響。

4.2 產(chǎn)出物分析

不同地層下盾構(gòu)渣土處理的產(chǎn)出物所占的體積比例見圖9。

圖9 不同地層下盾構(gòu)渣土處理產(chǎn)出物占比

由圖9可見，3種地層的產(chǎn)出物中砂含量均在40%左右。其中中等風(fēng)化花崗巖地層的渣石占比高達(dá)24%，遠(yuǎn)高于另外2個(gè)地層，且泥餅占比也是最低。全風(fēng)化混合花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖在產(chǎn)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(fēng)化混合花崗巖的產(chǎn)物可利用價(jià)值最高。

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

5 泥餅資源化利用探索

盾構(gòu)渣土處理后產(chǎn)出的石料可作為粗骨料直接利用，砂可直接用于盾構(gòu)同步注漿，或作為細(xì)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(cè)結(jié)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(shù)為14%。根據(jù)JTG D30-2015 《公路路基設(shè)計(jì)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(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表2，根據(jù)CJ/T 340-2016 《綠化種植土》的相關(guān)要求，泥餅的營(yíng)養(yǎng)元素氮磷鉀含量均未達(dá)標(biāo)，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(biāo)檢測(cè)結(jié)果

3) 盆栽種植試驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)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(yàn)。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(yàn)，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(zhǎng)情況見圖11。由圖11可見，狗牙根、黑麥草、玉米生長(zhǎng)狀況良好，高羊茅和薄荷可能因?yàn)椴荒透邷氐木壒?，發(fā)芽率較低且生長(zhǎng)較慢?？梢姞I(yíng)養(yǎng)改良后的泥餅可作為綠化種植土使用，但需要針對(duì)不同植物類型，通過盆栽試驗(yàn)驗(yàn)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(zhǎng)狀況

6 結(jié)語(yǔ)

1) 針對(duì)花崗巖風(fēng)化地層研發(fā)土壓平衡盾構(gòu)渣土處理系統(tǒng)，對(duì)該類地層的適應(yīng)性良好，日處理能力約為600 m3/d，滿足現(xiàn)場(chǎng)2臺(tái)盾構(gòu)出土需求。由于采用了多層集約式設(shè)計(jì)理念，設(shè)備占地面積僅約400 m2，對(duì)城市狹小空間施工場(chǎng)地適應(yīng)性良好。自主研發(fā)的智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了渣土的減量化、資源化目標(biāo)，減少了渣土堆填對(duì)土地的占用，同時(shí)避免了濕土外運(yùn)滴漏對(duì)環(huán)境的污染，具有顯著的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

2) 渣土經(jīng)逐級(jí)分選后，全、強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖地層的石子產(chǎn)出量分別為8%、9%、24%，砂產(chǎn)出量分別為42%、43%、40%，泥餅產(chǎn)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(yùn)量。砂的含泥量平均為3%，滿足細(xì)骨料使用要求。由于采用了高壓隔膜式壓濾機(jī)，泥餅含水率平均僅為25%，有效減少了出運(yùn)體積，且可實(shí)現(xiàn)干渣運(yùn)輸，大大降低了運(yùn)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(nèi)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明，脫水泥餅的物理力學(xué)指標(biāo)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(shí)需改善其營(yíng)養(yǎng)狀況。盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，大部分供試植物在改良后的泥餅中生長(zhǎng)良好，泥餅作為綠化種植土使用時(shí)應(yīng)通過盆栽試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)一步開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證大規(guī)模使用的可行性。