泥水平衡盾構渣漿處理及循環利用技術發展現狀*

陳濱彬，陽 棟，楊子漢，李水生，楊才千，許 福

(1.湘潭大學，湖南 湘潭 411105； 2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

城市地鐵在緩解交通擁擠、降低大氣污染、補充運載能力等方面優勢明顯。隨著我國城鎮化進程的加快，地鐵建設開始步入高峰期。城市地鐵建設多采用盾構施工方式，但無論是泥水平衡盾構、土壓平衡盾構等，如何處治開挖隧道而產生的廢漿、渣土，一直是工程師、企業和政府部門關注的焦點。

泥水平衡盾構渣漿通常為水、天然黏土、膨潤土、CMC添加劑等組成的分散泥漿體系[1]，固含率20%～40%。相比其他類盾構渣土，其含水率更高、穩定性更差。傳統方式一般通過沉淀、晾曬、外運、堆填等流程消納泥水盾構漿渣。然而，這種堆棄處理方式不但易污染土壤及地下水，而且存在滑坡失穩隱患[2]。譬如，造成73人死亡的深圳光明新區滑坡事故，即為渣土棄場失穩所致。一方面，隨著日益劇增的渣土，消納場已接近達到飽和；另一方面，渣土經過一定的處理可成為建材。且國家高度重視生態文明、環境保護和資源化利用，2019年11月5日，《中共中央關于堅持和完善中國特色社會主義制度，推進國家治理體系和治理能力現代化若干重大問題的決定》指出，堅持和完善生態文明制度體系，促進人與自然和諧共生，實行最嚴格的生態環境保護制度，推進市場導向的綠色技術創新。本文綜述了國內外泥水平衡盾構廢棄渣漿減量化、資源化、無害化處理的新技術、新方法、新理念，以期為今后同類型工程提供參考和借鑒。

1 泥水平衡盾構渣漿處理系統

1.1 渣漿處理系統組成及功能

渣漿循環處理系統由制漿、調漿、泥水輸送和泥水分離4個子系統構成[3]。其主要設施、設備包含：膨化池、調漿池、清水池、回漿池、沉淀池、旋流器、振動篩、壓濾機以及各種閥門、管道和泵等。

渣漿處理系統的核心功能可概括為兩點：①為開挖面密封艙提供掘進施工所需泥漿，且泥漿密度、黏度等技術指標須滿足泥膜形成[4]和開挖面穩定的要求[5]；②把切削形成的混合泥漿輸送至地面進行沉淀、壓濾、分離等處理，并部分回收再利用。

1.2 渣漿處理工藝流程

渣漿處理工藝流程如圖1所示。盾構泥漿經過預篩分器將粒徑在2mm 以上的渣料分離出來，篩余的泥漿由一級處理設備清除大部分 74μm以上的砂質顆粒，二級處理設備可清除泥漿中35μm以上的泥質顆粒[6-7]。經過兩次處理后的泥漿進入調漿池，經調配后由P1泵送回盾構環流系統，而排出來的渣土顆粒可由載運車輛經環保檢測后運送到指定的棄渣場。對于進入調漿池后過剩的泥漿進入三級處理[8]，通過酸堿處理后可達廢漿排放標準。

圖1 泥水處理工藝流程

2 渣漿再利用制備注漿材料技術

盾構掘進過程中，當管片拼裝完成從盾構機尾部脫出時，管片和土層之間會形成1個厚度約10～20cm的環形間隙，即盾尾建筑空隙[9]。為提高結構整體性、減少地層變形，通常采用壁后同步注漿技術充填此空隙，如圖2所示。壁后注漿漿液一般由水泥、粉煤灰、砂、膨潤土、水玻璃及穩定劑組成[10]，盾構渣漿中含有砂、膨潤土成分[11]，且Zhou等[12]證實了利用盾構渣漿替代注漿漿液原材料的可行性。

圖2 盾尾壁后同步注漿示意[13]

當盾構穿越粉細砂層時，排放的渣漿級配較好，經篩分后可作為壁后注漿的砂源，為使所配置漿液能夠滿足同步注漿漿液性能要求，鐘小春等[14]通過保持膨水比0.05，水膠比1.5、粉灰比3.0、膠砂比0.25不變調整漿土砂比可維持漿液性質穩定。李雪等[15]通過室內試驗得出調整膠砂比影響漿液的強度和抗滲性能，調整水膠比則可以改變漿液稠度和流動度。王霆[16]認為可適當添加粉煤灰提高膠砂比從而增大試件的抗壓強度。而其他地層所排出的盾構泥砂顆粒含量有所不同，但均由砂粒、粉粒、黏粒和水組成，因此，盾構泥砂的黏粒含量、含砂率、泥砂塑性指數等也是影響漿液性能的重要因素。王彪[17]利用盾構泥砂配制的注漿材料，其流動度大于190mm，具有較強的穩定性與黏聚性，稠度處于設計范圍9～10.5mm，泌水率<2%凝結時間適宜>8h，28d抗壓強度達到4MPa以上，具有非常好的抗水分散性能，水陸強度比>0.85，應用于武漢市地鐵4號線相應的施工標段。盾構施工遇到盾構始發段、車站等特殊工況時，需要同步注漿材料具有較高的早強強度才能更好滿足施工要求，許可[18]分別研究了碳酸鋰、普通硅酸鹽水泥用量、膨脹劑用量、硫鋁酸鹽水泥對注漿材料早期性能的影響，配制出的早強抗滲同步注漿材料，試件3d的抗壓強度>2MPa，應用于武漢市地鐵4號線6標段填充地層后有效防止了管片上浮，避免地層下陷，保證了管片的長期穩定性。

在利用盾構渣漿替代注漿材料水和膨潤土方面，學者們同樣開展了諸多研究。楊釗等[19]通過試驗得到由相對密度為1.16的盾構渣漿配制的注漿漿液性能較好。吳克雄等[20]分析了不同密度渣漿制備的注漿材料，得出相對密度為1.1的渣漿調制出的砂漿相關性能優于與原配漿，而密度較大的渣漿需要先進行稀釋后進行配制。楊釗等[21]通過福州地鐵過江通道工程開挖的渣漿配制砂漿試驗，得出渣漿相對密度為1.08～1.12、水膠比為0.9～1.1配制的壁后注漿材料可滿足施工要求。而相比泥水平衡盾構，土壓平衡盾構渣漿含水率較低、密度較大，Xu等[22]利用土壓平衡盾構開挖的粉質黏土分別替代粉煤灰、膨潤土配制的漿液，其性能均沒有達到施工要求；而利用粉質黏土作為砂源配制注漿漿液時，可適量增加用水量、改變水泥和粉煤灰的比值使漿液性能達到施工要求。由此可見，土壓平衡盾構開挖的渣漿由于密度較大并不能直接替代水和膨潤土而是更適宜充當砂源制備壁后注漿漿液。雖然利用盾構渣漿替代注漿原材料取得了一定進展，但截至目前，大規模利用渣漿制備壁后注漿漿液的工程實踐尚未見報道，因此，針對盾構渣漿的循環利用，仍需要開展更為深入、系統的研究，并通過大量的現場試驗，結合工程實際情況制定相對應的施工方案。

3 渣漿固液分離技術

泥水平衡盾構渣漿中的黏土顆粒表面帶有負電荷從而會形成電場，在其作用下，一方面顆粒間會產生斥力；另一方面，水中的陽離子被吸引分布在顆粒周圍的同時，與發生定向排列的極性水分子一起形成雙電層結構[23]，導致廢漿中的土顆粒不易重力沉淀，并長時間保持懸濁狀態，因此盾構渣漿通常難以達到深度脫水[24]。目前的處理工藝一般需先對廢漿進行化學脫穩，即絮凝處理，然后再利用機械脫水設備實施泥水分離。

3.1 絮凝脫水技術

絮凝脫水，其原理是利用絮凝劑材料的壓縮雙電層和吸附架橋功能，改變懸浮顆粒的界面特性，使分散的膠體聚合形成大顆粒，以便這些膠體粒子發生脫穩、沉淀，最終實現泥水分離[25]。目前，用于泥水盾構的絮凝劑主要分無機和有機兩類，其中有機絮凝劑由于分子量不同，分為有機高分子絮凝劑和有機低分子絮凝劑。

梁止水等[26]研究了多種無機絮凝劑、有機絮凝劑及復摻絮凝劑的泥水分離性能，指出有機絮凝劑對建筑廢漿泥水分離效果較好，且分離后泥漿含水率<50%，而有機絮凝劑和無機絮凝劑復摻的效果不明顯。王海良等[27-28]以含水率97%，98%，99%的渣土廢漿為對象，研究了無機絮凝劑、有機絮凝劑及有機-無機絮凝劑復摻的脫水效果，得到了單摻和復摻的最佳摻量。常鴿等[29]研究了多種絮凝劑對錢江隧道盾構渣漿的絮凝脫水效果，得出丙烯酰胺(PAM)作為絮凝劑效果更佳。李旭等[30]研究了無機絮凝劑氯化鋁(PAC)、不同分子量的有機絮凝劑丙烯酰胺(PAM)及有機絮凝劑+粉煤灰復摻的泥水分離效果，指出最佳摻量下的有機絮凝劑丙烯酰胺(PAM)分子量越高絮凝效果越好，且有機絮凝劑+粉煤灰復摻絮凝效果更佳。

絮凝處理是實現渣漿固液分離必不可少的一步。因此，需從高效、環保、經濟等方面考慮，選擇適宜的絮凝劑。

3.2 機械脫水技術

盾構廢漿在完成絮凝脫水后，可進入機械脫水工藝。機械脫水，即通過機械設備對泥水混合物施加外力，迫使其固液分離。機械脫水具有脫水效果好、效率高、占地面積小等特點。泥水盾構常用的脫水設備有板框壓濾機、帶式壓濾機及臥螺離心機等。

板框式壓濾機，通過油缸壓緊濾板并形成多個密封濾室，由供料泵將泥漿壓入濾室并在濾布上形成濾渣，濾液則穿過濾布沿溝槽流排出，以此達到固液分離目的[31]。板框式壓濾機結構如圖3所示[32]。板框式壓濾機一般適用于工作量不大的情形，而且屬于間歇性工作模式，需專人值守。

圖3 板框式壓濾機組成示意

帶式壓濾機有3個脫水區域，其結構如圖4所示。首先，廢漿進入重力脫水區，依靠絮凝劑將50%以上的表面水通過自重滲掉；然后，進入由兩條濾帶組成的楔形區，通過濾條擠使得廢漿逐漸變得稠硬，使其流動性降低；最后，廢漿進入壓榨區，通過擠壓力和兩條濾帶上下交替變化產生的剪切力，實現對廢漿的脫水[33]。帶式壓濾機由于具有結構簡單、操作方便、能耗少、噪聲低、處理量大、可以連續作業等優點，因此已被普遍認可，具有廣泛的應用前景。

圖4 帶式壓濾機示意

離心式脫水機通過空心螺旋輸送配合轉載協同工作，當廢漿從空心螺旋輸送器進入壓濾機腔體內部時，螺旋輸送器旋轉產生的巨大離心力將泥漿甩至轉轂壁上。由于泥土脫離時速度較大，黏附到轂壁內形成固體層。而水密度小，離心力小，會在固體層內表面形成液體層。由于水與泥土之間未形成較強的黏附力，因此水會逐漸脫落流出，從而實現脫水[34]。離心式脫水機常用的離心機有臥螺離心機和碟式離心機，如圖5所示[35-36]。蘇清貴等[37]利用離心機適于處理高含砂率、大密度泥漿的特點，將其用于穿越粉質黏土、粉土層的盾構渣漿脫水，處理效果良好。盾構掘進過程中，泥漿的反復循環使用會累積大量小粒徑粒子，可使用碟式離心機進行改善，周翠紅等[38-39]驗證了碟式離心機對泥漿中微細顆粒的去除有較好效果，處理后泥漿可達到盾構施工回收用水的要求。

圖5 兩種離心機示意

目前，對于泥水盾構渣漿，一般都是化學絮凝與機械脫水相結合的盾構泥漿處理工藝，耿朋飛[40]等利用絮凝沉淀原理快速濾除部分清液、中和泥渣中的堿性成分，再采用可連續脫水的帶式壓濾機對固渣進一步脫水，提出了低含水率、無害、高效的廢漿處理工藝。劉四進[41]同樣采取先絮凝再機械的脫水思路，先試驗確定最佳絮凝劑種類及其摻量，再用帶式壓濾機機械脫水，處理后的泥餅含水率40%～50%，pH值為6～9，基本滿足直接外運條件。

可以看出，化學絮凝與機械脫水相結合的盾構泥漿處理工藝取代了單一脫水技術的方法，顯著提高了泥漿循環再利用效率，因而具有廣闊的應用前景。

4 渣漿固化處理技術

固化處理法的原理是渣漿與加入的固化劑發生一系列的物理、化學變化，從而使渣漿失去流動性，且其中的無機鹽、有機物、重金屬等有害成分變成不溶物。渣漿固化技術多用于石油鉆井廢漿領域，且常用水泥作為固化劑。Leonard等[42]用水泥摻粉煤灰作為固化劑，發現其對鉆井廢漿中碳氫化合物和氯化物固化效果良好。唐明杰[43]、劉了[44]、陳晨[45]等同樣研究了采用水泥為主料固化鉆井廢漿。相比鉆井渣漿組成物質[46]，盾構渣漿通常不含重金屬等有害物質，同樣可用水泥固化盾構渣漿。左俊卿等[47]通過試驗證實了水泥對盾構渣漿的固化效果較好，且優于石灰。石振明等[48]配制了水泥為主料的CERSM泥漿固化劑Ⅱ，并得出固化劑Ⅱ對含水率為 100%的盾構渣漿固化效果較好。

盡管水泥固化渣漿技術效果好，但資源與能源消耗大、CO2排放量高，而采用工業廢渣替代水泥則更加符合我國倡導綠色低碳的國策。盾構渣漿經篩分后可得到廢渣顆粒、黏土和泥漿，然后利用工業廢渣固化黏土或者廢渣。朱偉[49]以高爐礦渣、礦渣微粉為主要原料制備出一種新型的土壤固化劑，并研究了固化劑摻量對工程廢漿和渣土的固化效果。章定文等[50]用粉煤灰和高爐礦渣作為固化劑、石灰作為堿激發劑固化黏土，分析了固化劑摻入量、養護齡期等對固化土無側限抗壓強度的影響。盾構渣漿不僅可以固化后覆土還耕，還可以固化制磚。磚按生產工藝可以分為燒結磚和免燒磚。目前，利用鉆井泥漿[51]和淤泥[52-53]生產燒結磚技術已較成熟且固化后重金屬浸出率、強度等都符合國家標準。同樣盾構渣漿也可用于制成燒結磚，但是制磚燃燒過程中，一方面會消耗大量熱能，另一方面可能會釋放能釋放對環境及人體有害的二噁英等物質[54]且原材料中如含有重金屬也容易在燃燒時被釋放出來[55]，這與我國推行節能減排、低碳環保的方針有相違背。而研制免燒磚符合我國“保護農田、節約能源、因地制宜、就地取材”的發展建材總方針。目前，分別以赤泥[56]、素土[57]、工程棄土[58]為原材料制備的堿激發免燒磚，其強度、抗凍性能、放射性等均符合生產要求。王星華[59]將盾構渣漿進行預處理得到泥漿和廢渣顆粒，然后加入由不同比例的CaO，Ca(OH)2，CaCO3，CaCl2，CaSO4和少量水泥配成的固化劑，壓制成建材。其生產使用過程中綠色環保，符合社會可持續發展的要求。但是，堿激發免燒磚由于毛細孔中堿濃度較高，在凝結硬化的過程中，堿隨著水分的蒸發在表面析出，與空氣中的CO2反應，在磚的表面形成一層白色“霜”類物質，稱為“泛霜”現象，從而影響磚的耐久性。因此，如何在反應產物中固定堿金屬離子，防止其隨水蒸氣遷徙，亦是目前需要解決的問題。

將盾構渣漿固化轉化為建筑材料具有廣闊的應用前景，需從技術性和經濟性兩方面考慮，進行更加深入的研究。

5 結語

本文總結了3種針對泥水盾構渣漿的處理方式。概括為應該盡可能多的循環利用，且高效率、低能耗的處理渣漿。

1)利用盾構泥砂配制壁后注漿漿液應用到實際工程中具有可觀的效益，但解決好渣漿再利用問題還需更加深入、系統的探討。

2)泥水盾構廢漿的深度脫水先要選擇合適的絮凝劑種類和最佳摻量進行絮凝處理，然后進行機械脫水，對于選擇壓濾脫水和離心脫水需要根據工程實際情況等因素綜合考慮。

3)借鑒于鉆井廢漿固化技術，利用水泥固化盾構渣漿具有很好的效果，但是水泥的使用會排放大量CO2和增大成本，因此使用工業廢渣替代水泥具有很好的應用前景。此外，盾構渣漿篩分得到黏土顆粒和泥漿，經固化后用于建筑材料，但是應用到實際工程中還需探究。