林珊 夏星宇 羅旭 程從密

（1 廣州地鐵設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn)，在城市地下空間開(kāi)發(fā)、公路隧道建設(shè)、地鐵隧道施工等領(lǐng)域已被廣泛運(yùn)用。

但不容忽視的是，大量的盾構(gòu)渣土余泥會(huì)在盾構(gòu)法施工的過(guò)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(wú)法被擊實(shí)或擊實(shí)后的錐度儀貫入指數(shù)qc小于200kPa，其無(wú)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(wú)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(guò)程中還會(huì)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(lái)說(shuō)，我國(guó)定義的渣土與日本并無(wú)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(jì)、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(wú)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(jià)值和社會(huì)意義。因此，必須要廣泛調(diào)研國(guó)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(kāi)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(jià)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(jí)配和含水率兩大方面。當(dāng)黏土顆粒的粒徑小于5μm 時(shí)，因?yàn)槠浔砻骐娦远傻慕Y(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(guò)20%，盾構(gòu)渣土基本呈軟泥狀，如果沒(méi)有恰當(dāng)?shù)募庸ぬ幚恚瑒t無(wú)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(lái)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(kāi)挖渣土資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究年度總結(jié)報(bào)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(guò)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(duì)其中可能存在的化學(xué)污染物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(duì)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(cè)即可。這些添加劑對(duì)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(duì)盾構(gòu)渣土余泥進(jìn)行恰當(dāng)高效的預(yù)處理，是實(shí)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(duì)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(guò)程中，會(huì)形成大量的泥狀土和泥漿。土壓平衡盾構(gòu)往往會(huì)形成大量的泥狀土，而泥水加壓盾構(gòu)則會(huì)形成大量的泥漿。在基坑開(kāi)挖中遇到淤泥軟黏土的時(shí)候，渣土尤其會(huì)呈現(xiàn)出泥狀[4]。

劉志峰[5]在深圳地鐵10 號(hào)線的施工項(xiàng)目中研發(fā)出了一種新型的渣土篩分機(jī)器。其中，泥漿過(guò)濾裝置可以用來(lái)分離泥渣與泥漿，泥漿收集池可以用來(lái)收集經(jīng)過(guò)過(guò)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(guò)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(guò)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jià)成本低，當(dāng)淤泥的含沙量較大時(shí)非常適用。譚建國(guó)[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(guò)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(yùn)動(dòng)，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(shí)，譚建國(guó)[7]通過(guò)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(shí)現(xiàn)渣土余泥的資源化處理。

而近年來(lái)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(shí)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(duì)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(huì)進(jìn)一步提高，且此時(shí)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(lái)描述超聲波崩解污泥的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在相同的能量輸入下，低密度、長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的超聲波處理比高密度、短持續(xù)時(shí)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(wú)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(lái)，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(chǎng)實(shí)現(xiàn)礦物分離的方法。酸反應(yīng)法除鐵是用無(wú)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(lái)的方法。

喬國(guó)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(shí)，前15 分鐘除鐵效果良好，鐵含量急速下降，但時(shí)間越久效果越差，至45 分鐘左右時(shí)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(shí)，在4 小時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)表明800mm 厚的成熟生物濾層在7m/h 左右的濾速下可以實(shí)現(xiàn)深度除鐵。

3 盾構(gòu)渣土余泥的綜合利用

近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)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(jì)、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(huì)上提出的創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)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(chǎng)前景[15]。

3.1 盾構(gòu)施工輔助材料

在盾構(gòu)法施工的過(guò)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(huì)存在一定空隙，此時(shí)就需要通過(guò)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(guò)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(kāi)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(shí)，砂漿的強(qiáng)度也會(huì)隨之提升，但其流動(dòng)性將會(huì)降低。與新配制的膨潤(rùn)土泥漿相比，廢棄泥漿制備出來(lái)的砂漿流動(dòng)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(rùn)土泥漿用廢棄泥漿來(lái)代替。

同時(shí)，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(huì)產(chǎn)生大量無(wú)色、無(wú)味的透明尾水，這些尾水配置的黏土泥漿和增黏劑、膨潤(rùn)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(kāi)挖面在施工過(guò)程中處于長(zhǎng)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(shí)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(duì)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(shí)，免燒磚的整體抗壓強(qiáng)度會(huì)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(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線施工項(xiàng)目開(kāi)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(guò)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(duì)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(duì)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(gè)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(shí)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(chǎng)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(shí)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(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到89.37MPa。

陶粒也是常見(jiàn)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(jí)和粒徑的陶粒也在近些年得到了廣泛的研究。萬(wàn)文豪等[26]研究了不同的助熔成分對(duì)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(duì)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(shù)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(shí)，陶粒的各項(xiàng)性能較好。

盾構(gòu)渣土余泥還可以用來(lái)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(shí)，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(guó)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(duì)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(wú)須除鐵亦可燒制，由于原料中的鐵元素含量較高，燒制出來(lái)的陶瓷為黑褐色。

4 結(jié)語(yǔ)

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(jí)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(duì)盾構(gòu)渣土余泥進(jìn)行無(wú)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(wú)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(jià)值和社會(huì)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(jiàn)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(wú)論從市場(chǎng)前景的角度考慮，還是從環(huán)保事業(yè)的視角思考，我國(guó)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。