盾構渣土環保處理泥漿脫水技術研究與應用

楊 琳，段文軍，羅 章，石鴻韜

（1.西南交通大學 希望學院，四川 成都 610400； 2.中鐵高新工業股份有限公司，北京 100071；3.中鐵工程服務有限公司，四川 成都 650500）

隨著國內城市的快速發展，地下空間開發成為城市空間拓展的重要途徑。盾構法具有施工安全高效和機械化程度高的特點，近年來被廣泛應用于軌道交通、市政隧道、地下管廊等建設工程［1］。以軌道交通為例，按照地鐵隧道盾構直徑6 m 進行保守估計，取1.5 的松散系數，每千米地鐵盾構施工產生4.5 萬m3的盾構渣土，在建地下線路產生2.25 億m3的渣土［2-4］。盾構渣土主要由水、膨潤土顆粒、黏性土顆粒、外加劑等組成，具有pH 值較高、孔隙率大、含水量高、滲透系數不均勻等特點［5-6］，其運輸成本高，裝運效率低，占用場地大，運輸過程中產生的泥漿泄露、揚塵、噪聲等問題給城市環境帶來嚴重的影響［7］。

針對盾構渣土的處理問題，采用機械篩分、洗砂旋流、脫水干化等工藝，將盾構渣土中的砂石篩分出并進行資源化利用，泥漿脫水后制成干化泥餅外運或用于制備綠化種植土、燒結產品等，脫出的水可循環利用，是目前較為經濟環保的一種處理方式［8-9］。在盾構渣土處理的過程中，泥漿脫水是減量化的關鍵環節，通常采用絮凝調理結合板框壓濾機的方式［10-11］，但由于盾構地層存在差異，盾構泥漿的顆粒度、孔隙比、滲透系數等均與傳統市政泥漿不同，導致脫水效果不穩定，是制約盾構渣土處理的重要難題［12］。

采集不同盾構區間的渣土樣品，在實驗內模擬渣土處理流程獲得盾構泥漿，再通過添加不同的脫水藥劑改良盾構泥漿的脫水性能，利用模擬壓濾裝置對盾構泥漿進行脫水試驗，研究不同添加方案的絮凝劑對盾構泥漿脫水效果的影響，為現場盾構渣土處理泥漿的脫水工序提供參考。

1 泥漿處理工藝

盾構渣土的環保處理工藝流程如圖1所示。盾構渣土進入處理系統后，通過沖洗化漿、隔粗除雜和泥砂初分形成帶砂泥漿，然后通過泥砂細分脫除中細砂，形成泥漿，最后通過脫水形成泥餅，脫出的水在系統內循環使用，形成環保處理的整個過程。

圖1 盾構渣土環保處理工藝流程Fig.1 Environmental protection treatment process flow of shield tunneling waste soil

泥漿處理的工藝主要涉及絮凝罐、絮凝泵、進料泵、板框壓濾裝置和加藥系統，其工藝流程如圖2 所示。絮凝劑按照一定配比加入清水，在加藥系統中形成絮凝藥液，通過絮凝泵泵送至泥漿管道中與泥漿混合，形成調理泥漿進入絮凝罐中。利用絮凝罐內部的豎流式管道結構，調理泥漿中的泥漿絮體加速沉降至絮凝罐底部，形成濃縮泥漿，再通過進料泵送進入板框壓濾裝置中。覆蓋在板框上的濾布具有不同尺寸的微小孔隙，利用泵送的壓力將泥漿中的水分脫出，同時阻擋泥漿顆粒，使泥漿顆粒在板框中逐漸聚集形成泥餅［13］。

2 泥漿脫水試驗

在實際的施工過程中，進行一次機械脫水所耗費的時間和耗材較多，試驗試錯成本較高。因此，在實驗室內搭建一套泥漿脫水試驗裝置，模擬泥漿脫水過程，通過試驗得出參考的藥劑選型與添加方案，由現場驗證，可經濟、高效地提高泥漿脫水效果［14-15］。

2.1 試驗材料與裝置

試驗所使用的渣土樣品取自深圳地鐵14 號線共建管廊工程坪山段（綜合井1~6）中，該工程采用的施工方法為土壓平衡盾構掘進，渣土基本物理性質見表1，顆粒級配如圖3所示。

表1 盾構渣土樣品基本物理性質Tab.1 Basic physical properties of shield tunneling soil samples

圖3 盾構渣土樣品顆粒級配曲線Fig.3 Particle size distribution curve of shield tunneling slag soil sample

圖4 模擬壓濾裝置Fig.4 Simulated pressure filtration device

模擬盾構渣土環保處理過程，將渣土樣品反復沖洗并人工過篩，取0.075 mm 篩下漿液加水復配得到試驗用泥漿，泥漿密度為1.14 g/cm-3，質量濃度為16%。

試驗所使用的絮凝劑樣品包括陽離子、非離子和陰離子3 種聚丙烯酰胺，按照不同離子度和分子量分類，共選取8種絮凝劑，其性質見表2。

表2 絮凝劑樣品性質Tab.2 Properties of flocculant samples

為有效地模擬板框壓濾機的工作原理，在實驗室中搭建一套模擬壓濾試驗裝置，包括鋼制箱體、泥漿壓濾杯、氣動壓濾裝置和空壓機。濾布鋪在泥漿壓濾杯底部，加入泥漿，設置好參數后，氣動壓濾裝置通過活塞推桿向泥漿施加壓力，濾液透過濾布從泥漿壓濾杯底部排出，壓濾結束后可從泥漿壓濾杯中取出脫水泥餅，模擬板框壓濾過程。其他實驗輔助儀器裝置有烘箱、攪拌器、電子天平、玻璃儀器等。

2.2 試驗方案

試驗以選取最佳絮凝劑添加方案為目的，利用模擬壓濾裝置，試驗不同絮凝劑添加方案對同一泥漿樣品的調理效果，以脫水泥餅的含水率作為評價指標，含水率通過烘干法測定。單次試驗取泥漿200 g，絮凝劑配比為0.1%，模擬壓濾裝置壓力設置為8 MPa，壓濾時間20 min。

試驗分2個階段進行。第1階段試驗絮凝劑選型方案為：取8 種絮凝劑配置成0.1%的絮凝藥液，以0.05%的干物質質量濃度添加至泥漿中調理，設置空白對照組，分別進行模擬壓濾試驗，得到壓濾泥餅，對比其含水率，重復一次后，選取效果最好的3 種絮凝劑型號。第2 階段試驗絮凝劑添加方案為：取第1階段效果最好的3種絮凝劑藥液，分別以0.02%、0.04%、0.06%、0.08%和0.10%的干物質質量濃度添加至泥漿中調理，并分別進行模擬壓濾試驗，對比所得的泥餅含水率，重復一次后，得到最佳絮凝劑添加方案。絮凝劑添加量計算公式如下：

式中：V為絮凝劑添加量，cm3；M為泥漿質量，g；ω1為泥漿質量濃度，無量綱；ω2為絮凝劑配比，無量綱；ρ為絮凝藥液密度，g/ cm3。

3 結果與分析

第1 階段試驗絮凝劑選型，試驗結果如圖5 所示。由試驗結果可知，添加GFY-2、GFY-3 和GFN-3 的試驗組泥餅含水率更低，分別為32.78%、27.32%和30.32%。絮凝劑在泥漿調理的過程中主要起到吸附架橋的作用，即通過氫鍵和共價鍵的作用吸附泥漿中的膠體顆粒，在泥漿顆粒之間產生聯結作用。釋放顆粒間存在的間隙水，達到加速沉降的效果［16-17］，對比同系列絮凝劑的試驗結果，使用分子量較大的絮凝劑最終泥餅的含水率更低。GFY-2 和GFY-3 為陽離子絮凝劑，泥漿顆粒普遍攜帶負電荷，陽離子與負電荷通過電性中和反應相互吸引，加速泥漿顆粒與絮凝劑分子的凝聚形成絮體［18-19］，對比顯示，離子度較高的絮凝劑效果更好。GFN-3 為陰離子絮凝劑，其調理效果比GFF 系列非離子絮凝劑好，可能因為電荷互斥的作用力對吸附架橋的作用力影響較小。另一方面，陰離子絮凝劑的分子在水中的溶解性更好，體現在3 種絮凝藥液的攪拌調配過程中，陰離子絮凝劑所用時間最短，其分子鏈條在水中的伸展程度更高，與泥漿顆粒的接觸概率增加，使得吸附泥漿顆粒的效果更好［20］。

圖5 第1階段試驗絮凝劑選型結果Fig.5 Results of flocculant selection in the first stage of the experiment

第2 階段試驗絮凝劑添加方案，試驗結果如圖6 所示。隨著絮凝劑用量的增加，泥餅含水率呈現下降趨勢，但GFY-3 和GFN-3 2 種絮凝劑在添加量增至0.1%時，泥餅含水率呈回升的趨勢，GFY-2 未出現，且泥餅含水率下降的趨勢減緩，原因可能是絮凝劑添加超過一定量后，泥漿體系的整體黏度上升，透水性下降。重復試驗顯示，添加0.08% GFY-3的試驗組泥餅含水率分別為24.99%和25.80%，脫水效果最好，是最佳的絮凝劑添加方案。模擬壓濾的泥餅如圖7所示。

圖6 第2階段試驗絮凝劑添加方案結果Fig.6 Results of the second stage experimental flocculant addition scheme

圖7 模擬壓濾泥餅Fig.7 Simulated filter cake

4 應用效果

為驗證模擬壓濾的試驗結果， GFY-2、GFY-3和GFN-3 這3 種絮凝劑分別按照0.08%的添加方案，在盾構渣土環保處理現場應用，每種絮凝劑進行3 組板框壓濾試驗，保持壓濾時間相同，現場試驗結果如圖8 所示。結果顯示，添加0.08% GFY-3加藥方案所得的泥餅含水率平均值為29.78%，效果為3 種絮凝劑中最優，與模擬壓濾的試驗結果相符。3 種絮凝劑現場試驗的泥餅含水率比模擬壓濾的試驗結果高3%~5%，主要因為模擬壓濾試驗的壓濾面積較小，通過壓板傳導壓力，壓力傳導較為均勻，壓力損失小，而現場試驗的板框壓濾機濾板規格為1.5 m×1.5 m，壓濾面積較大，且通過進料泵傳導壓力，壓力傳導不夠均勻，壓力損失較大。

圖8 現場試驗結果Fig.8 Field test results

現場試驗過程中，絮凝藥液與泥漿在絮凝罐頂部完成混合，產生絮凝效果形成絮體，如圖9 所示。經板框壓濾機壓濾，形成脫水泥餅，如圖10 所示。泥餅成型較好，不粘在板框上，直接脫落，其含水率較低，在保證泥餅質量的同時，大大提升了施工效率。

圖9 泥漿絮凝效果Fig.9 Mud flocculation effect

圖10 脫水泥餅Fig.10 Decanting cake

5 結論

（1） 通過實驗室模擬現場板框壓濾的泥漿脫水過程，開展不同種類絮凝劑對泥漿脫水的改良效果試驗，經對比得出效果較好的絮凝劑型號，并進一步試驗獲得最佳添加方案。經過現場實際運行，驗證該添加方案所產出的泥餅質量較好，對泥漿脫水環節具有良好的支撐作用。

（2） 模擬壓濾的試驗方法對不同種類的絮凝劑、脫水劑或固化劑均適用，除得到最佳添加方案外，還可對其添加方式、調配參數等進行試驗，深入研究不同藥劑對泥漿脫水效果的影響。

（3） 改造模擬壓濾裝置，使其成為移動式的一體化試驗設備，在盾構渣土環保處理項目現場進行泥漿脫水試驗和藥劑選型、方案對比試驗，起結果更準確，時效性更強。

（4） 盾構掘進的地層復雜，不同地質條件下，泥漿的組成和性質均存在較大的差異，可通過模擬壓濾試驗對不同的板框壓濾參數進行試驗，獲得適配的施工參數。