泥水盾構廢棄砂土和尾水資源化綜合利用技術

王建華

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，南京 211899）

近年來，我國交通需求大幅增長，高速鐵路的興起給隧道及地下工程的建設帶來了機遇與挑戰［1-2］，催生了多條泥水平衡盾構法施工的大直徑隧道，如廣深港客運專線獅子洋隧道和京張高速鐵路清華園隧道［3］。由于城市土地資源緊張，且利用要求高，對隧道建設中泥水平衡盾構法施工提出了更高的環保和經濟性要求。

大直徑盾構隧道施工過程中開挖土料與泥水混合形成高密度泥漿，泥漿攜帶著開挖面上切削下來的砂土輸送至地面泥水處理設備，處理后會產生大量廢棄泥漿和渣土［4-5］。相關領域研究人員一直在尋求一種高效、低能耗的泥漿處理方式。孔玉清、郝彤、張亞洲等［6-8］通過對廢棄黏土泥漿、粉細砂等進行再利用試驗，得到其資源化的多種途徑。霍翼［9］采用絮凝-帶式壓濾泥漿處理工藝產生的大量尾水配置了多種密度泥漿，并采用密度1.13 g/cm3、漏斗黏度20 s的泥漿在粉細砂地層中開展泥漿滲透成膜試驗，成膜效果良好。

我國建設中的大直徑盾構隧道仍需要大量優質的工程用土、用水來配制泥漿、壁后注漿等，有效地利用廢棄泥漿和渣土不僅可以節約資源，而且可以保護環境［10］。本文以北京—沈陽客運專線望京隧道工程為背景，對盾構在粉細砂地層中掘進時產生的廢棄砂、對絮凝-帶式壓濾處理出的黏土泥餅和尾水進行再利用可行性分析，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

京沈客運專線望京隧道位于北京市東五環與東六環之間，盾構區間長3180 m，采用2臺直徑10.87 m的泥水平衡盾構由沈陽向北京方向并行掘進。盾構穿越的地層以粉質黏土層、粉細砂層為主。各地層所占比例如圖1所示。

圖1 盾構區間各地層所占比例

當盾構在粉細砂地層中掘進時會產生大量廢棄砂，單線隧道平均每環出渣180 ～200 m3，每天推進7 ～8 環，雙線日出渣量累計約3000 m3。在粉質黏土地層中掘進時，每環需2200 m3泥漿完成攜帶出渣，按80%回收20%排放，則每環需排放廢漿440 m3。經絮凝-帶式壓濾處理后每天產生約54 m3的泥餅及大量pH值呈中性且無色無味的尾水。

2 廢棄砂、泥餅和尾水再利用可行性分析

2.1 廢棄砂再利用可行性分析

泥水分離設備分離后的粉細砂級配曲線如圖2中實線所示。其中虛線為除去粒徑大于1 mm 顆粒后的粉細砂級配曲線。

由圖2可見：有80%的粉細砂顆粒粒徑小于1 mm，且開挖出的渣土中黏土含量較低。若將其直接棄置勢必會造成資源浪費，因此考慮是否可用廢棄的粉細砂配制隧道壁后注漿漿液。

目前該隧道所使用的隧道壁后注漿漿液配合比見表1。

表1 該隧道現用注漿漿液配合比

由表1 可知，注漿漿液中除了水，砂的含量最多，其為混合漿液各組分的重要骨架，也是保證漿液強度的因素。管片背后同步注漿每環需要漿液28.5 m3，每立方米漿液需優質粉細砂0.95 t，每天同步注漿需粉細砂433.2 t（333 m3）。通過篩分將廢渣中的粉細砂用于同步注漿可以每天消耗約10%廢渣，因此將廢棄粉細砂用作隧道壁后注漿漿液的原材料是可行的。

免燒磚通常采用砂、水泥、粉煤灰、石子等材料制備，而砂在免燒磚原材料中占比很大。國內姜軍等［11］采用廣州地鐵18號、22號線隧道工程廢棄土進行燒磚試驗，驗證了盾構渣土制作燒結磚的可行性。可將本工程中廢棄砂作為主要原料，添加水泥、石子和水在攪拌機中進行均勻混料，經自動化壓磚系統壓制出免燒磚。

2.2 廢棄泥餅再利用可行性分析

泥水盾構施工中產生的泥漿由泥漿泵泵入預調理單元，將配置好的藥劑加入廢棄泥漿進行預調理，而后自流至濃縮區域進行濃縮，濃縮后的泥漿排至調理槽，再次進行藥劑調理后輸送至預脫水單元，經預脫水濃縮后由壓濾單元壓濾形成大量泥餅。現場共引進2臺帶式壓濾機，1臺帶式壓濾機每小時可以處理10 ～20 m3的泥漿，2 臺帶式壓濾機一天可以處理800 m3的泥漿，處理后會產生約54 m3的泥餅。大量的泥餅若外運棄置會對環境造成極大影響。

本工程采用的泥漿絮凝劑為環境友好型無害藥劑，經調理濃縮處理后的泥餅滿足各種環境指標，可用于道路填方、城市綠化等。

2.3 尾水再利用可行性分析

經現場絮凝-帶式壓濾處理后的泥漿會產生大量尾水，其為無色、無味的透明液體。依據JGJ 63—2006《混凝土用水標準》、TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》，在相對濕度42%、溫度22 ℃條件下利用酸度計、火焰光度計、上皿式電子天平對尾水進行水質簡易分析，結果見表2。

表2 帶式壓濾處理泥漿所產生尾水的水質簡易分析結果

由表2 可知，送檢樣品各項檢查結果均符合TB 10424—2018中混凝土拌和用水的技術要求。

絮凝-帶式壓濾處理所產生尾水的pH 值為中性，且現場盾構掘進時每環開挖土體185.5 m3，需2200 m3泥漿完成攜帶出渣，需要大量水配制掘進用泥漿，因此經絮凝-帶式壓濾處理產生的尾水可用于配制掘進用泥漿。

3 廢棄砂土、尾水資源化再利用技術

3.1 廢棄粉細砂用作壁后注漿材料

參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，對利用廢棄粉細砂替代原先細砂配制的壁后注漿漿液的密度、稠度、收縮率、固結強度、初凝時間等工程性能指標進行試驗，結果見表3。可見，利用廢棄粉細砂替代細砂配制的壁后注漿漿液密度在1.76～1.95 g·cm-3，滿足盾構填充要求。漿液初凝時間均在10 h 以上，可使漿液填充更加均勻，能夠滿足不同地層壁后注漿的施工要求。

表3 利用廢棄粉細砂替代細砂配制的壁后注漿漿液工程性能指標

3.2 廢棄粉細砂用于制作免燒磚技術

以粉細砂為主料，添加少量分離出的黏土、少量壓制磚專用增強劑、少量細骨料，調整合適的粒徑、級配和含水率，采用JF-QT5-904 型免燒磚機制磚。配合比為黏土∶石子∶粉細砂∶水泥= 50∶100∶250∶50。在攪拌機中均勻混料，待混料陳化后在100 kN 壓力下壓制成型，然后覆蓋薄膜養護1 d 后集中碼放，采用尾水灑水養護7 d，保持磚塊表面濕潤。制備出的免燒磚見圖3。

圖3 采用廢棄粉細砂制備出的免燒磚

免燒磚中粉細砂的質量摻量可達40%～65%，免燒磚強度可達15～30 MPa。免燒磚有路面磚、墻體磚、護坡磚等多種類型。所制備的免燒磚相關指標均滿足JC/T 422—2007《非燒結垃圾尾礦磚》要求。

3.3 廢棄泥餅用作綠化用土技術

帶式壓濾機分離出的泥餅以黏土為主，將其碾碎，添加少量泥水分離系統分離出的砂、專用改良劑、調理劑等，通過專用的均混攪拌裝置可制備出滿足不同要求的種植土。

綠化用土中黏土泥餅的質量摻量可達80%～98%。制備出的可用于種草的一般植生土見圖4（a）。其最佳質量配合比為黏土∶粉砂∶細砂=10∶10∶80。制備出的可用于植樹的標準種植土見圖4（b）。其最佳質量配合比為黏土∶粉砂∶細砂=15∶15∶70，并增施酸性化肥或有機肥料提高其養分含量，達到了CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》相關要求。

圖4 采用廢棄泥餅制備的綠化用土

3.4 廢棄泥餅用作回填土技術

以帶式壓濾機分離出的泥餅為主料，碾碎后添加專用固化劑等，通過專用的均混攪拌裝置可制備出滿足不同要求的回填土，見圖5。回填土中黏土泥餅的質量摻量可達85%～98%。回填土分為兩類：一類可滿足建筑或溝槽回填要求；一類可滿足路基回填要求。兩類回填土均滿足GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》和JTG D30—2015《公路路基設計規范》相關要求。

圖5 采用廢棄泥餅制備的回填土

3.5 尾水配制透水混凝土技術

將絮凝-帶式壓濾處理產生的尾水作為拌和水，制作透水混凝土。透水混凝土要求砂率8%，水膠比0.25，設計孔隙率20%。據此設計的混凝土配合比見表4。

表4 透水混凝土配合比 kg·m-3

圖6 采用尾水配制的透水混凝土

對拌和成型的透水混凝土（圖6）采用壓力試驗機進行強度試驗。結果表明：采用尾水配制的透水混凝土的平均軸心抗壓強度為12.03 MPa，平均劈裂抗拉強度為1.66 MPa，可以滿足附屬道路鋪設要求。

3.6 尾水配制泥水盾構掘進用泥漿技術

本工程中盾構需穿越一段以粉細砂為主的地層，該地層滲透系數為5.0×10-3cm/s。根據前期施工經驗，泥漿密度為1.15 g/cm3左右，漏斗黏度在20 s 以上時可滿足泥漿物理穩定性要求并可在開挖面形成良好泥膜。將尾水配置的黏土泥漿、增黏劑和膨潤土漿（膨水比為1∶10）按照不同比例混合，測量混合后泥漿的黏度及密度，從而得到多種密度泥漿的質量配合比，見表5。

表5 多種密度泥漿的質量配合比

采用S1，S2，S4，S5四組泥漿開展泥漿滲透成膜試驗。結果表明，尾水配置的泥漿在地層表面形成的泥膜質量較好，能夠有效阻止泥漿中的水向地層中滲透，從而確保開挖面的穩定。

4 經濟、環保和社會效益分析

4.1 經濟效益

根據工程實際情況，對廢棄粉細砂、廢棄泥餅再利用所節約的費用進行計算。由于綜合考慮所有相關費用較為復雜，只計算了最終所節約的材料成本，見表6。

表6 京沈客運專線望京隧道廢棄砂土再利用成本統計

由表6 可知，各類廢棄砂土回收再利用合計節約材料成本1094.7 萬元，經濟效益顯著。廢棄砂土的再利用不僅提高了資源利用率，而且減少了廢棄砂土外運及處理的成本。

4.2 環保和社會效益

該工程廢棄砂土的綜合再利用為工程廢棄土的減量化和資源化起到很好的示范作用，不僅節約了因廢棄砂土大面積堆放而占用的土地47667 m2，減少了天然砂石的大量開采，而且降低了對生態環境的影響。尾水資源化綜合利用技術使得泥漿處理后產生的尾水得到循環利用，節約了至少954 t水。尾水的再利用有利于維持生態環境的平衡和社會的可持續發展，具有顯著的環保效益與社會效益。

5 結語

對京沈客運專線望京隧道工程中廢棄砂土及尾水回收再利用的可行性進行了分析，并研發出多途徑的再利用技術。主要包括采用廢棄粉細砂制備壁后注漿漿液和免燒磚，采用廢棄泥餅制備綠化用土與回填土，采用尾水配制透水混凝土和盾構掘進用泥漿等技術，有效解決了廢棄砂土存放、廢水污染環境等難題，經濟、環保、社會效益顯著。

不同工程的地質條件和盾構掘進參數存在差異，基于本工程的廢棄砂土及尾水資源化綜合利用技術的適用性還需大量試驗驗證，以便更好地解決其他類似工程中的問題。