盾構(gòu)隧道泥渣脫水處理技術(shù)研究綜述

王樹(shù)英, 管少祥, 倪準(zhǔn)林, 楊澤斌

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410075; 2. 中南大學(xué)隧地工程研究中心, 湖南 長(zhǎng)沙 410075;3. 中南大學(xué)軌道交通工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

盾構(gòu)法作為一種機(jī)械化程度高、相對(duì)安全、高效快速的隧道施工方法,已被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通、市政公路、綜合管廊、輸電輸氣管道、排水管網(wǎng)等工程項(xiàng)目建設(shè)中。但在盾構(gòu)施工中,通常會(huì)排出大量的泥渣。僅在2020年,我國(guó)在建的地鐵盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的泥渣總量已超過(guò)2.25億m3,預(yù)計(jì)泥渣處理費(fèi)用將高達(dá)582億元[1]。中國(guó)對(duì)于每年產(chǎn)生的巨量盾構(gòu)泥渣在減量化、無(wú)害化處理與資源化再利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面相對(duì)滯后,許多地方處理方式仍以堆放、填埋為主,由此易引發(fā)如下一系列環(huán)境和安全問(wèn)題。

1)在泥渣運(yùn)輸過(guò)程中容易出現(xiàn)揚(yáng)塵、撒漏現(xiàn)象[2-3]; 2)堆填泥渣會(huì)占用大量土地,堆填場(chǎng)地日趨緊張,以致泥渣管理難以滿(mǎn)足城市環(huán)保管制規(guī)定,從而導(dǎo)致停工整改或處罰[4]; 3)盾構(gòu)泥渣為滿(mǎn)足掘進(jìn)需求通常具有一定流動(dòng)性,且不同地層物源的泥渣外運(yùn)堆積后內(nèi)部不均勻性顯著,使得其堆填體穩(wěn)定性較差,直接堆填存在安全隱患[5-6]; 4)盾構(gòu)泥渣中含有部分改良劑,長(zhǎng)期堆置時(shí)地表水入滲會(huì)將各種添加劑帶入土壤中,污染水土環(huán)境。對(duì)盾構(gòu)渣土的高效無(wú)害化、減量化、資源化處理[7-8]成為當(dāng)前及未來(lái)一段時(shí)間必須解決的難題。

減量化是盾構(gòu)渣土處理及便于后續(xù)資源化利用的重要環(huán)節(jié),對(duì)盾構(gòu)泥渣主要是通過(guò)將其內(nèi)部來(lái)自于掘進(jìn)時(shí)摻入的較多改良劑溶液與地層本身的大量水分脫除以達(dá)到減量的目的,所以脫水技術(shù)決定了盾構(gòu)渣土處置的效率與成本。本文從盾構(gòu)泥渣特性及其賦水機(jī)制出發(fā),歸納常用脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)目前現(xiàn)階段的盾構(gòu)泥渣脫水處理技術(shù)進(jìn)行總結(jié)分析,指出現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題,并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向提出思考與展望。

1 盾構(gòu)泥渣性質(zhì)及其賦水機(jī)制

1.1 盾構(gòu)泥渣組成、分類(lèi)與狀態(tài)

盾構(gòu)泥渣一般是一種含有砂、土、石以及改良劑等的高含水率混合物,其中改良劑可分為水、泡沫劑、分散劑、黏土礦物、絮凝劑等[9]。由于原始地層的差異以及不同施工方法與使用的改良劑差異,導(dǎo)致了不同工程的盾構(gòu)泥渣成分與性質(zhì)差異較大。有學(xué)者根據(jù)顆粒組成、擊實(shí)后錐度儀貫入指數(shù)、含水率、流動(dòng)狀態(tài),將盾構(gòu)泥渣按性質(zhì)分為砂礫類(lèi)、砂礫土類(lèi)、硬黏土類(lèi)、黏土類(lèi)、渣泥類(lèi)以及泥漿類(lèi)6種[10]。按照來(lái)源,盾構(gòu)泥渣一般可分為泥水平衡盾構(gòu)泥漿和土壓平衡盾構(gòu)泥渣,二者的區(qū)別主要在于含水狀態(tài)不同。另外,土壓平衡盾構(gòu)泥渣含有泡沫、絮凝劑、分散劑等改良劑。泥水平衡盾構(gòu)通常會(huì)排出含水率較高、流動(dòng)性較大的泥漿;而土壓平衡盾構(gòu)泥渣的含水率一般在液限附近,其具有一定的流動(dòng)性并呈流塑狀。盾構(gòu)泥渣實(shí)物如圖1所示。

(a) 泥水平衡盾構(gòu)泥漿[11]

(b) 土壓平衡盾構(gòu)泥渣

土壓平衡盾構(gòu)泥渣性質(zhì)除了受原地層影響外,還受注入的改良劑的影響。在黏土地層開(kāi)挖時(shí)會(huì)在直接注水或添加泡沫、分散劑等改良劑后形成軟泥狀的渣土;在以粉砂、砂及砂卵石等為主的粗顆粒地層開(kāi)挖時(shí),一般需要添加泡沫劑、絮凝劑等改良劑增強(qiáng)土的抗?jié)B性與塑流性,其排出的高含水率渣土待泡沫消散后進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾水便可達(dá)到原砂土狀態(tài)進(jìn)行再利用;在一些巖層中開(kāi)挖時(shí),除泥巖地層產(chǎn)生的渣土呈泥狀,其他大部分風(fēng)化巖層都會(huì)產(chǎn)生接近于砂質(zhì)土狀態(tài)的渣土。 此外,在一些特殊情況下,比如盾構(gòu)不滿(mǎn)艙施工時(shí),會(huì)有比較多的地下水進(jìn)入壓力艙,其與掘削土混合后會(huì)形成泥漿排出[12]。泥水平衡盾構(gòu)通常會(huì)產(chǎn)生混有各類(lèi)顆粒含水率較高的泥漿,其一般通過(guò)初步篩分得到包含有粉砂、砂以及砂卵石等的粗顆粒渣土及細(xì)顆粒泥漿這2類(lèi)產(chǎn)物。篩分出的粗顆?？梢灾苯踊厥绽?而剩余的泥漿一般采用壓濾機(jī)、離心機(jī)等機(jī)械設(shè)備脫水形成較為干燥的泥渣排出,少數(shù)工程也會(huì)直接在儲(chǔ)泥場(chǎng)地中放置[13]。

1.2 盾構(gòu)泥渣性質(zhì)

盾構(gòu)泥渣的物理力學(xué)性質(zhì)主要包括顆粒級(jí)配、含水率、塑流性、滲透性、抗剪強(qiáng)度、壓縮性等[9]。

1)顆粒級(jí)配與含水率。顆粒級(jí)配與含水率作為盾構(gòu)泥渣的基本物理性質(zhì),對(duì)泥渣的狀態(tài)具有重要影響。粒徑小于5 μm的黏土顆粒由于其表面電性所結(jié)合的水分很難在重力作用下排出,如果吸附結(jié)合水含量超過(guò)20%,渣土大多會(huì)呈現(xiàn)軟泥狀。含水率大于50%時(shí),黏粒含量較多渣土?xí)尸F(xiàn)泥漿狀。對(duì)于處于這些狀態(tài)的泥渣,一般需要調(diào)理改性并脫水處理后才能進(jìn)行運(yùn)輸、堆放與利用,否則易引發(fā)外運(yùn)過(guò)程中的撒漏以及渣土棄納場(chǎng)中的倒?jié)?、滑坡等安全?wèn)題。

2)塑流性。為確保渣土能夠順利排出,盾構(gòu)泥渣需要具有合適的塑流性,目前評(píng)價(jià)泥渣塑流性的主要方法有坍落度法、流動(dòng)度法和稠度法,對(duì)于黏性泥渣還會(huì)使用黏稠指數(shù)法。由于掘進(jìn)的需要,排出的盾構(gòu)泥渣通常具有一定的流動(dòng)性,這對(duì)于后續(xù)外運(yùn)以及填放都十分不利,特別是在一些泥渣亂倒的現(xiàn)象中,盾構(gòu)泥渣亂流極易造成道路、航道以及水利設(shè)施等的堵塞。

3)滲透性。為防止螺旋輸送機(jī)噴涌、開(kāi)挖面失穩(wěn)等問(wèn)題,盾構(gòu)土艙內(nèi)的泥渣需要具有較好的止水性。黏性地層的泥渣本身具有較低的滲透性,而粗顆粒地層由于泡沫等改良劑的注入,渣土內(nèi)孔隙被有效填充,阻塞了排水通道,減小了渣土滲透性,改良后的盾構(gòu)渣土的滲透系數(shù)一般至少控制在10-5m/s以下[9]。對(duì)于具有低滲透性的盾構(gòu)泥渣,不僅會(huì)降低脫水效果,在堆放時(shí)還會(huì)導(dǎo)致地表的排水與泄洪能力下降,容易引發(fā)雨季的洪澇災(zāi)害。

4)抗剪強(qiáng)度。為減小隧道掘進(jìn)時(shí)土壓平衡盾構(gòu)的轉(zhuǎn)矩,改良后的渣土需要有較小的抗剪強(qiáng)度,其不排水抗剪強(qiáng)度一般為10～25 kPa。這使得盾構(gòu)泥渣顆粒結(jié)構(gòu)松散,顆粒分散的渣土孔隙通道會(huì)更小從而使脫水性能下降。需要一定的固化改性才能使之具有一定強(qiáng)度,進(jìn)而用于基礎(chǔ)加固或用作建筑材料。

5)壓縮性。盾構(gòu)渣土具有一定的壓縮性,以便在螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度變化時(shí)一定程度上抑制土艙壓力的波動(dòng)[14]。壓縮性越好,越有利于盾構(gòu)施工中掌子面的壓力控制,土艙壓力波動(dòng)性就越小。但壓縮性太好時(shí),容易在渣土長(zhǎng)期堆填中造成體積變化與塌縮,存在安全隱患,并且高壓縮性土不利于道路、堤防、地基等填方利用。常通過(guò)壓濾的方式脫水并壓實(shí)渣土,以降低其壓縮性。

1.3 盾構(gòu)泥渣賦水機(jī)制

盾構(gòu)隧道泥渣中的水分除了來(lái)源于原地層中土體本身含有的水分外,其余水分一定程度上來(lái)源于泥水盾構(gòu)注進(jìn)泥漿或是為了土壓盾構(gòu)渣土改良所注入的改良劑中的水分。根據(jù)土顆粒表面受靜電作用的強(qiáng)弱,泥渣中的水分可劃分為自由水、結(jié)合水與結(jié)晶水[15],由于結(jié)晶水所占比例較小且對(duì)后續(xù)泥渣的再利用影響較小,脫水處理主要針對(duì)的是自由水與結(jié)合水。對(duì)于黏土類(lèi)泥渣,其黏粒含量較高,可吸附許多結(jié)合水,且土中含有較多細(xì)小孔隙,通過(guò)毛細(xì)作用可存有大量水分,脫水性能較差;對(duì)于砂、礫類(lèi)泥渣,其粗顆粒含量較多,本身吸附的結(jié)合水較少,同時(shí)顆粒間孔隙較大,滲透性高,透水性強(qiáng),水分容易從孔隙中流失,可賦存水分較少,脫水性能較好;包含有這2種的混合類(lèi)泥渣,其賦水性能介于二者之間,在脫水時(shí)要通過(guò)多道工序進(jìn)行處理。

盾構(gòu)泥渣除了土顆粒本身的賦水特性外,改良劑也會(huì)對(duì)泥渣的持水特性帶來(lái)一定的影響。泡沫劑通過(guò)發(fā)泡產(chǎn)生的泡沫與渣土混合后會(huì)填充土粒間孔隙,可以顯著提高改良渣土的抗?jié)B性[16]。在用泡沫和膨潤(rùn)土共同改良后,泡沫在土體中占用了滲流通道,膨潤(rùn)土可在土顆粒間膠結(jié)和固結(jié)形成“濾餅”形態(tài)的低滲透性薄膜,二者同時(shí)作用能夠堵塞滲流通道使?jié)B透系數(shù)降低[17]。在盾構(gòu)掘進(jìn)中,提高泥渣的抗?jié)B性能保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定,但對(duì)于工后脫水處理來(lái)說(shuō),殘余的泡沫會(huì)填充孔隙使泥渣的滲透系數(shù)減小,泥渣內(nèi)賦存水分增多,造成脫水效率降低。同樣像黏土礦物等改良劑會(huì)使泥渣黏粒含量增多,降低泥渣滲透系數(shù),脫水性能下降。絮凝劑類(lèi)的改良劑會(huì)使土顆粒之間的連結(jié)聚團(tuán),增大顆粒間的孔隙通道,提升脫水性能,因此絮凝劑常作為泥渣脫水調(diào)理劑。

2 盾構(gòu)泥渣脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

從目前國(guó)內(nèi)外研究來(lái)看,對(duì)于盾構(gòu)泥渣的脫水性能還沒(méi)有較為統(tǒng)一而系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。結(jié)合目前污泥、礦泥等脫水性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及盾構(gòu)泥渣的性質(zhì)來(lái)看,歸納了用于衡量盾構(gòu)泥渣脫水性能的常用指標(biāo),包括有過(guò)濾比阻(specific resistance to filtration,SRF)、毛細(xì)吸水時(shí)間(capillary suction time,CST)、渣土沉降速率、滲透系數(shù)以及經(jīng)過(guò)真空抽濾、板框壓濾和離心脫水等試驗(yàn)后泥渣的含水率。

2.1 過(guò)濾比阻

過(guò)濾比阻(SRF)是指在某恒定壓力下單位質(zhì)量的土在單位過(guò)濾面積上過(guò)濾時(shí)的阻力,表示泥渣過(guò)濾特性的綜合性指標(biāo),可以反映脫水性能的好壞[18]。一般來(lái)說(shuō),泥渣的比阻越大,其過(guò)濾性能越差,脫水性能就越差。比阻通常采用如圖2所示比阻測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定?；诳ㄩT(mén)過(guò)濾基本方程式,推導(dǎo)出的比阻值計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中:r為比阻值,s2/g;p為過(guò)濾壓強(qiáng),g/cm2;A為過(guò)濾面積,cm2;b為t/V值與V值呈直線(xiàn)關(guān)系的斜率,s/cm6(其中,V為濾液體積,cm3;t為過(guò)濾時(shí)間,s);μ為濾液黏度,g/(cm·s);ω為所得固體物質(zhì)質(zhì)量與抽濾液體積之比,g/cm3。

圖2 比阻測(cè)定儀[19]

2.2 毛細(xì)吸水時(shí)間

毛細(xì)吸水時(shí)間(CST)是指泥渣中的水在吸水濾紙上滲透一定距離所需要的時(shí)間,用來(lái)表征渣土的脫水性能。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確,實(shí)際常采用臺(tái)式毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定。Dentel等[20]使用CST評(píng)價(jià)污泥脫水性能,一般CST越小,表示泥渣的脫水性能越好。毛細(xì)吸水時(shí)間一般適用于存在較多毛細(xì)孔隙的細(xì)顆粒泥渣,而對(duì)粗顆粒含量高的泥渣脫水性能評(píng)價(jià)效果較差。由于SRF與CST存在較強(qiáng)的正線(xiàn)性相關(guān)性,往往可根據(jù)具體實(shí)際情況取其一對(duì)泥渣的脫水性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。SRF與CST能很好地反映板框壓濾脫水效果,但不能較好地預(yù)測(cè)離心脫水效果[21]。

2.3 沉降速率

對(duì)于泥渣的沉降速率一般用泥渣在量筒中靜置時(shí)固液分界面高度隨時(shí)間變化的快慢來(lái)表示,泥渣的沉降性能可以反映其脫水性能,沉降速率越快,泥渣的脫水性能越好,該指標(biāo)一般適用于含水率較高的泥漿。李春林等[18]通過(guò)沉降速率變化來(lái)分析研究聚丙烯酰胺類(lèi)有機(jī)絮凝劑對(duì)高黏粒含量廢棄盾構(gòu)泥漿脫水性能的影響。吳幼權(quán)等[22]采用復(fù)合絮凝劑CAM-CPAM調(diào)理污泥并以脫水率及沉降速率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo),得出其投加量為30 mg/L時(shí),脫水率為90%以上,沉降速率達(dá)0.155 cm/s,污泥脫水性能得到顯著改善。

2.4 滲透系數(shù)

滲透性作為盾構(gòu)泥渣的基本性質(zhì),也可用來(lái)反映泥渣的脫水性能,具體通過(guò)滲透系數(shù)這一參數(shù)來(lái)表征。一般來(lái)說(shuō),在采用離心、壓濾等機(jī)械法或電滲法脫水時(shí),泥渣滲透系數(shù)越大,滲透性越強(qiáng),泥渣脫水效果也越好。常采用滲透儀測(cè)定滲透系數(shù)。詹良通等[23]采用壓濾設(shè)備對(duì)盾構(gòu)泥漿進(jìn)行脫水,將每段時(shí)間內(nèi)泥漿平均厚度作為滲流路徑長(zhǎng)度,采用常水頭滲透公式計(jì)算每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的等效滲透系數(shù),用以反映泥漿整體的脫水性能,等效滲透系數(shù)

(2)

式中:V1、V2分別為每段時(shí)間間隔初、末的濾失量,mL;H1、H2分別為每段時(shí)間間隔初、末的泥漿液面高度,cm;p0為設(shè)備所用氣壓壓力,MPa;γw為水的重度,kN/m3;A為泥餅斷面面積,cm2;t為時(shí)間間隔長(zhǎng)度,min。

2.5 含水率

經(jīng)壓濾、抽濾、離心等方法脫水后的泥渣含水率最能直觀地反映泥渣的脫水性能,泥渣脫水后的含水率越低,代表其脫水性能越好。孫曉輝等[24]為研究絮凝劑聚丙烯酰胺調(diào)理后盾構(gòu)泥漿的脫水性能,通過(guò)板框壓濾后的泥餅含水率來(lái)判斷脫水效果,結(jié)果表明絮凝劑調(diào)理后泥餅含水率比未調(diào)理時(shí)泥餅含水率由47.38%降至26.03%。

針對(duì)不同狀態(tài)與性質(zhì)的盾構(gòu)泥渣,需要選擇合適的脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。盾構(gòu)泥渣脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo)適用性如表1所示。

表1 盾構(gòu)泥渣脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo)適用性

3 盾構(gòu)泥渣脫水處理技術(shù)

當(dāng)前,盾構(gòu)泥渣脫水處理主要方法為借助振動(dòng)篩、除砂器、除泥器進(jìn)行固液分離和顆粒多級(jí)篩分,利用壓濾機(jī)、離心機(jī)再對(duì)細(xì)顆粒泥漿進(jìn)行脫水。此外,有些地方也會(huì)采用露天堆放晾曬或加熱的方式進(jìn)行脫水。其他還有針對(duì)粗顆粒土的真空預(yù)壓法、針對(duì)低滲透性黏粒土的電滲法等一些具有針對(duì)性的脫水方法。依照各類(lèi)脫水方法的原理可分為機(jī)械脫水、干化脫水以及滲流脫水。

3.1 機(jī)械脫水

機(jī)械脫水的原理是利用各類(lèi)機(jī)械對(duì)泥渣這類(lèi)固液混合物施加外力,從而迫使其中的自由水分離。其在礦業(yè)、化工、污泥等固體廢棄物處理領(lǐng)域廣泛使用,該方法的高效低能耗性使其目前成為盾構(gòu)泥渣的常用脫水方式。泥渣機(jī)械脫水處理流程主要是采用振動(dòng)篩分離較粗的碎石,包含一級(jí)和二級(jí)的2級(jí)旋流洗砂系統(tǒng)分離砂和粉粒,其中,泥漿可直接篩分,而含水率相對(duì)較小的渣土需要加入大量水再進(jìn)行篩分,篩分后剩余泥漿若脫水性能較差還需加入絮凝劑等進(jìn)行改性調(diào)理,最后,采用壓濾機(jī)、離心機(jī)等進(jìn)行泥水分離。

3.1.1 處理工藝

泥渣物料通過(guò)給料機(jī)分料至振動(dòng)篩,經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩分后分離粒徑大于2 mm的粗骨料,細(xì)砂、粉粒、黏粒和水通過(guò)篩下溜槽進(jìn)入洗砂系統(tǒng);經(jīng)過(guò)一級(jí)和二級(jí)葉輪洗砂機(jī)及水力旋流器將粒徑在0.075～2 mm的細(xì)砂洗出,降低砂中含泥量,分離出較為干凈的細(xì)砂; 溢流與篩分下來(lái)的泥漿進(jìn)入調(diào)理系統(tǒng)通過(guò)藥劑進(jìn)行改性調(diào)理,調(diào)理后的高含水率泥漿泵入壓濾系統(tǒng)或離心系統(tǒng),壓濾或離心后形成粒徑小于0.075 mm的低含水率泥渣與清水,清水可在系統(tǒng)中循環(huán)利用。泥渣機(jī)械脫水處理工藝流程如圖3所示。泥渣機(jī)械脫水處理工藝如圖4所示。

圖3 泥渣機(jī)械脫水處理工藝流程圖

圖4 泥渣機(jī)械脫水處理工藝[25](單位: mm)

3.1.2 處理設(shè)備

3.1.2.1 振動(dòng)篩

振動(dòng)篩是盾構(gòu)泥渣脫水處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,由振動(dòng)電機(jī)工作產(chǎn)生周期性的慣性力,迫使篩箱、篩網(wǎng)和彈簧等部件在底座上進(jìn)行間歇振動(dòng),其主要用于將渣土中2 mm以上的粗骨料和2 mm以下的細(xì)骨料及細(xì)顆粒相互分離。

3.1.2.2 旋流器與洗砂機(jī)

旋流器可以將粒徑為0.075～2 mm的固體顆粒分離出來(lái),其通過(guò)利用泥漿中固、液相各顆粒所受的離心力大小不同進(jìn)行分離。旋流器上部呈圓柱形,形成進(jìn)口腔,側(cè)部有1個(gè)切向進(jìn)口管,由旋流渣漿泵輸送來(lái)的泥漿沿切線(xiàn)方向進(jìn)入腔體內(nèi)。頂部中心有渦流導(dǎo)管,處理后的泥漿由此溢出。殼體下部呈圓錐形,底部為排砂口,洗砂從中排出至洗砂機(jī)[2]。洗砂機(jī)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),帶動(dòng)水箱中的葉輪在水中連續(xù)旋轉(zhuǎn),攪拌翻轉(zhuǎn),不斷地沖刷清洗帶泥的砂粒,同時(shí)上部用清水進(jìn)行沖洗。二者共同構(gòu)成的旋流洗砂系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)能得到含泥量較低的細(xì)砂材料。

圖5 旋流洗砂系統(tǒng)[26]

3.1.2.3 壓濾機(jī)

壓濾機(jī)主要是對(duì)顆粒粒徑小于0.075 mm的泥渣進(jìn)行深度脫水,常用的泥渣脫水壓濾機(jī)包括板框壓濾機(jī)和帶式壓濾機(jī)2種。

1)板框壓濾機(jī)是由多塊濾板、濾框交替排列疊合組成的固液分離裝置(見(jiàn)圖6(a)[27]、6(b)[28]),在濾板和濾框間夾有如濾布等過(guò)濾介質(zhì),每2塊濾板與二者間的濾框構(gòu)成1個(gè)濾室。漿料在輸料泵的壓力下被打入濾布間的濾室中,在壓力作用下大部分自由水通過(guò)濾布流出,留下的泥渣顆粒形成含水率較低的泥餅。板框壓濾機(jī)操作壓力一般為0.4～0.6 MPa[29],進(jìn)行深度脫水時(shí)板框壓濾機(jī)的過(guò)濾壓力為1 MPa左右[30]。在板框壓濾的過(guò)程中,泥渣的脫水一般分為2個(gè)階段: 在泥渣進(jìn)料過(guò)程為過(guò)濾脫水階段,在壓榨過(guò)程為壓縮固結(jié)脫水階段[31]。板框壓濾機(jī)的固液分離效果好且適用范圍廣,但其屬于循環(huán)間歇運(yùn)作,整體處理效率一般,且泥渣容易堵塞濾布,粗顆粒容易刺破濾布,使濾布更換頻繁,主要適用于泥渣量小或泥渣處理周期較為寬裕的工程[32]。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖[27]

(b) 實(shí)物示意圖[28]

2)帶式壓濾機(jī)是一種利用上下2條濾帶對(duì)泥渣緩慢加壓脫水的壓濾裝置(見(jiàn)圖7(a)、7(b)[33]),在經(jīng)過(guò)楔形預(yù)壓區(qū)、低壓區(qū)和高壓區(qū)由小到大的擠壓力、剪切力作用下泥渣被逐步擠壓,其大部分自由水會(huì)被濾脫,剩余泥渣會(huì)形成含水率較低的泥餅。帶式壓濾機(jī)因其泥渣處理量較大、工作連續(xù)、操作簡(jiǎn)單且占地面積較小,所以脫水效率好于板框壓濾機(jī)。但是得到的脫水后泥渣的含水率一般會(huì)高于板框壓濾機(jī),脫水效果受泥渣性質(zhì)的影響較大[34],耗能更高且維護(hù)成本也較高,因此其一般用于方量較大的大型工程,泥渣連續(xù)脫水時(shí)效益較好。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 實(shí)物示意圖[33]

3.1.2.4 離心機(jī)

離心機(jī)是泥渣脫水處理的常用機(jī)械,工程中常用的離心機(jī)為臥螺離心機(jī),其是基于固體顆粒與水在離心場(chǎng)中分層的離心沉降原理的一種泥渣脫水設(shè)備(見(jiàn)圖8[35])。泥渣中的固體顆粒由于密度較大,在離心力的作用下緊貼在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成1層固環(huán)層,之后在轉(zhuǎn)鼓與螺旋形成的差轉(zhuǎn)速下由推料器逐漸推至排渣出口排出。由于液體容重較小,其會(huì)在固體層的內(nèi)側(cè)再形成1層液體層后逐漸流向轉(zhuǎn)鼓大端隨溢流孔排出。江君等[36]研究了臥螺離心機(jī)對(duì)城市污泥脫水效果,經(jīng)處理后的污泥泥餅在對(duì)比得到的離心機(jī)最優(yōu)運(yùn)行工況下含水率可降至58%左右。任欣等[37]的研究表明,分離因數(shù)、離心機(jī)的差轉(zhuǎn)速等因素均能影響脫水的效果,其中分離因數(shù)是衡量離心機(jī)分離脫水性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),隨著分離因數(shù)增大,脫水效果就越好。臥螺離心機(jī)具有處理能力強(qiáng)、效率高、占地少、可持續(xù)運(yùn)行作業(yè)、污染較小等諸多優(yōu)點(diǎn),但其不能處理含有較大粒徑顆粒的泥渣,該類(lèi)泥渣易造成機(jī)器磨損與堵塞。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 實(shí)物示意圖

壓濾機(jī)與離心機(jī)這類(lèi)機(jī)械用于處理經(jīng)篩分后流動(dòng)性大且黏粒含量少的泥水盾構(gòu)泥漿會(huì)有較好的脫水效果,而土壓平衡盾構(gòu)泥渣中常混合有較多的細(xì)顆粒與砂礫、碎石等粗顆粒,且渣土流動(dòng)性相對(duì)較低呈現(xiàn)一定的流塑性,里面的粗顆粒無(wú)法直接篩去,需要加入一定的水進(jìn)行稀釋,再使用壓濾機(jī)或離心機(jī)對(duì)篩分后的泥漿進(jìn)行脫水。而對(duì)于黏粒含量較多的盾構(gòu)泥渣,為保證較好的脫水效果,往往需要進(jìn)行一定的改性調(diào)理去改變?cè)恋目紫督Y(jié)構(gòu)與持水特性,再進(jìn)行機(jī)械脫水。

3.1.3 改性調(diào)理劑

為增強(qiáng)盾構(gòu)泥渣的脫水性能,使得一些僅靠機(jī)械作用難以降低含水率的泥渣也能高效脫水,需要通過(guò)添加外加劑改變泥渣的物理力學(xué)特性,促進(jìn)固液分離以達(dá)到增強(qiáng)脫水性能的目的。常用的調(diào)理劑為絮凝劑與表面活性劑。

3.1.3.1 絮凝劑

絮凝劑是改善泥渣脫水性能的一種常用調(diào)理劑,一般分為有機(jī)絮凝劑與無(wú)機(jī)絮凝劑2類(lèi),盾構(gòu)泥渣脫水處理中常用的有聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵等。絮凝劑的分子鏈中含有一定量的極性基團(tuán),可以吸附懸浮在水中的固體顆粒,并在顆粒間架橋形成大塊凝結(jié)物。其有加速懸浮液中顆粒的沉淀,增大泥渣內(nèi)孔隙通道,加快固液分離,促進(jìn)過(guò)濾的效果,能有效將土體顆粒周?chē)拿?xì)水與部分弱吸附水轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x水脫出,并且使用絮凝劑能有效提高泥渣的壓縮性,提高脫水速率[38]。絮凝劑調(diào)理前后泥渣狀態(tài)對(duì)比見(jiàn)圖9[39]。陳斌等[40]對(duì)鋁土礦礦泥絮凝沉降脫水技術(shù)進(jìn)行了概述,得出陰離子型聚丙烯酰胺用于鋁土礦礦泥絮凝沉降有明顯優(yōu)勢(shì)。王海良等[41]研究了有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)摻絮凝劑對(duì)盾構(gòu)廢泥漿脫水效果影響,得出針對(duì)盾構(gòu)泥漿脫水的有機(jī)與無(wú)機(jī)絮凝劑的復(fù)配摻量。任俊等[42]以太湖疏浚底泥為對(duì)象,選擇5類(lèi)復(fù)合絮凝脫水藥劑采用土工管袋進(jìn)行脫水試驗(yàn),最后得出有機(jī)聚合物類(lèi)和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合類(lèi)藥劑脫水效率較好,分別使淤泥含水率降至40.56%和32.16%。絮凝劑對(duì)含水量較高的泥漿或渣土具有較好的脫水效果,但其卻無(wú)法有效分離泥渣中的結(jié)合水。

3.1.3.2 表面活性劑

表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)兼具親油(疏水)基和親水(疏油)基2個(gè)部分,能吸附在兩相界面上,呈單分子排列,使溶液的表面張力降低,這是其能提升泥渣脫水性能的重要因素[43-45]。相對(duì)于一般絮凝劑來(lái)說(shuō),表面活性劑對(duì)界面性質(zhì)的影響更大,表面活性劑加入到泥渣中,會(huì)增大固/液界面接觸角,減小泥渣毛細(xì)壓力,其還會(huì)破壞壓縮土顆粒表面的結(jié)合水化膜,使泥渣內(nèi)的結(jié)合水更容易脫去并擴(kuò)大顆粒周?chē)?xì)管半徑,進(jìn)一步提升脫水速率與減少濾餅含水率。Chen等[46]對(duì)比了兩性離子表面活性劑十二烷基二甲基胺乙內(nèi)酯與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)調(diào)理劑FeCl3、CaO在相同試驗(yàn)條件下對(duì)污泥脫水的改善效果,結(jié)果表明十二烷基二甲基胺乙內(nèi)酯可以明顯提高污泥的脫水性和過(guò)濾性。吳姁等[19]研究了十六烷基三甲基溴化銨和十二烷基苯磺酸鈉對(duì)焦化污泥脫水性能的影響和作用機(jī)制,經(jīng)過(guò)調(diào)理后的污泥的比阻明顯下降,脫水性能增加。采用表面活性劑對(duì)渣泥進(jìn)行調(diào)理,能夠提高固液分離效率[47]。土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中一般都需注入以具有較大起泡性的表面活性劑為主要成分的泡沫劑發(fā)泡制成的泡沫進(jìn)行渣土改良,這些有一定強(qiáng)度和韌性的殘余泡沫會(huì)填充阻塞孔隙使脫水效果降低。為避免在調(diào)理拌合過(guò)程中形成過(guò)多泡沫,一般選用起泡性較低的表面活性劑來(lái)調(diào)理改善泥渣脫水性能。

加入改性調(diào)理劑后,可使經(jīng)過(guò)篩分和旋流洗砂系統(tǒng)后得到的細(xì)顆粒泥渣脫水性能大大增加,絮凝劑由于價(jià)格低廉且污染相對(duì)較小目前應(yīng)用較為廣泛,表面活性劑主要用于結(jié)合水與毛細(xì)水含量較多的黏性泥渣,釋放顆粒周?chē)牟糠纸Y(jié)合水并擴(kuò)大土粒間毛細(xì)管通道以提升泥渣脫水性能。

3.2 干化脫水

干化脫水的原理是將土體中的水分汽化,使其進(jìn)入大氣,其效果主要是受大氣與土體交界面處的環(huán)境參數(shù)控制,包括溫度、濕度、液體表面積以及空氣流速等,同時(shí)也與泥渣的成分、顆粒級(jí)配等泥渣自身性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)熱源形式,目前常用的的泥渣干化脫水方法可分為自然干化與熱干化。

3.2.1 自然干化

自然干化的原理是利用太陽(yáng)能與空氣流動(dòng)來(lái)加速泥渣的水分蒸發(fā)。該方法簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì),是目前盾構(gòu)泥渣處理中最常見(jiàn)的方法,但一般需要占用較大的土地資源,干化程度容易受到泥渣的狀態(tài)、天氣條件與地形的影響,晾曬過(guò)程易產(chǎn)生揚(yáng)塵,同時(shí)效率較低,脫水周期長(zhǎng),可能需要設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)等增加空氣對(duì)流速度來(lái)加快脫水的速度[10]。

3.2.2 熱干化

熱干化的方法是通過(guò)外部熱源加熱來(lái)干燥盾構(gòu)泥渣的方法。實(shí)際常采用轉(zhuǎn)筒烘干機(jī)(見(jiàn)圖10[48])進(jìn)行,其利用煤、天然氣或電能等產(chǎn)生的熱量通過(guò)旋轉(zhuǎn)加熱來(lái)對(duì)大宗泥渣進(jìn)行烘干脫水處理。該方法的優(yōu)點(diǎn)是處理效率較高,單臺(tái)烘干機(jī)泥渣處理量為5～7 t/h,處理后的泥渣含水率一般可降至10%以下,環(huán)境污染程度較小,可連續(xù)作業(yè),且高溫可以去除泥渣中的一些有害有毒物質(zhì),但其也存在熱能利用效率過(guò)低、能源消耗大以致后期實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本較高的缺陷[48]。

圖10 轉(zhuǎn)筒烘干機(jī)[48]

3.3 滲流脫水

滲流脫水的基本原理是當(dāng)土體中存在壓力水頭時(shí),水將從勢(shì)能較高處向勢(shì)能較低處移動(dòng),從而形成孔隙滲流使土體中的水不斷排出。目前常用的泥渣滲流脫水方法有土工管袋法、真空預(yù)壓法以及電滲法3種。

3.3.1 土工管袋法

土工管袋是一種利用拉伸強(qiáng)度較高的土工織物編織而成的長(zhǎng)條枕袋形濾袋(見(jiàn)圖11[49]),大小可以根據(jù)實(shí)際工程情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。土工管袋具有加固、過(guò)濾、隔離、脫水等多種用途。其脫水原理是在袋內(nèi)部巨大壓力作用下使水分排出并留下泥渣中的固體顆粒。同時(shí)管袋具有一定的過(guò)濾與抗紫外線(xiàn)能力,其脫水周期與管袋的大小成正比[50]。土工管袋脫水法具有施工速度快、泥渣處理量大、造價(jià)低、就地取材等優(yōu)點(diǎn),在不具備機(jī)械脫水條件時(shí)會(huì)用來(lái)對(duì)盾構(gòu)泥渣進(jìn)行脫水,但其存在占用場(chǎng)地較大、脫水時(shí)間一般較長(zhǎng)的缺陷。為了縮短脫水時(shí)間,往往要對(duì)泥渣進(jìn)行預(yù)調(diào)理,且該方法一般適用于含粗顆粒較多的泥渣;而對(duì)于細(xì)顆粒含量較高的泥渣,則需要更長(zhǎng)的脫水時(shí)間,且脫水后的土較為軟弱,無(wú)法繼續(xù)作為填方材料回收使用[32]。

圖11 土工管袋[49]

3.3.2 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法[51-52]的原理是將不透氣的薄膜鋪設(shè)在泥渣表面覆蓋的砂墊層上,使用抽真空裝置通過(guò)墊層中的真空濾管與泥渣中的塑料排水板將泥渣中的空氣抽出,土體內(nèi)部會(huì)形成真空,產(chǎn)生的氣壓差將泥渣內(nèi)的水沿孔隙通道排出。真空預(yù)壓示意圖見(jiàn)圖12[51]。真空預(yù)壓法具有處理泥渣面積大、施工工藝簡(jiǎn)單、成本低、基本無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)。其原本常用于各類(lèi)地基的排水加固中,目前由于其以上優(yōu)點(diǎn)在一些盾構(gòu)泥渣的脫水處理中也得到了一定的使用。但當(dāng)使用真空預(yù)壓法處理高黏粒含量的泥渣時(shí),不僅泥渣本身滲透性較差難以排水,而且土體中的黏土細(xì)顆粒會(huì)隨孔隙水遷移至排水板或?yàn)V膜周?chē)纬芍旅艿耐林?從而堵塞排水通道造成淤堵現(xiàn)象,嚴(yán)重降低脫水效率[53]。

圖12 真空預(yù)壓法[51]

3.3.3 電滲法

電滲法是指在電場(chǎng)的作用下,土體中插入電極并通入直流電后,土中水分子因自身極性被正離子吸附牽引而不斷從陽(yáng)極流向陰極,逐漸將水疏干進(jìn)而降低土的含水率的一種脫水方法。由于黏土顆粒表面通常帶負(fù)電,而帶有正電荷的水會(huì)向陰極集中并隨通道排出,所以電滲法不但能排出土體中的自由水,還可以排出部分受靜電場(chǎng)作用的弱結(jié)合水。該方法對(duì)低滲透性的細(xì)顆粒黏土有較好的脫水效果[54];同時(shí)由于電滲法的脫水速率與土顆粒大小、孔隙率無(wú)關(guān),在高效脫水方面有著較好的應(yīng)用前景[55]。目前,電滲法在盾構(gòu)黏性泥渣脫水處理方面有一定應(yīng)用但還是較少。這是由于電滲法存在金屬電極陽(yáng)極腐蝕、土體脫水不均勻、能耗偏大等缺陷[56]。王俊杰等[57]研發(fā)了一種有良好性能、能多層布置的新型導(dǎo)電塑料排水板來(lái)代替金屬電極,在獲得更好的電滲效果的同時(shí)還解決了電滲過(guò)程中電極腐蝕與電滲后期電極與土體脫開(kāi)的問(wèn)題。開(kāi)展解決電滲法各類(lèi)缺陷的研究,是電滲法脫水能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

4 盾構(gòu)泥渣脫水處理的問(wèn)題與思考

4.1 盾構(gòu)泥渣脫水處理存在的問(wèn)題

4.1.1 大量泥渣產(chǎn)生與處理壓力增加

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn),越來(lái)越多的盾構(gòu)隧道工程在建設(shè)中產(chǎn)生大量泥渣。這導(dǎo)致泥渣脫水處理的數(shù)量逐年增加,處理壓力增大。尤其在一些大型城市,隧道工程規(guī)模龐大,泥渣產(chǎn)量更大,對(duì)脫水處理設(shè)備的性能和規(guī)?；幚砟芰μ岢隽烁咭?。

4.1.2 脫水設(shè)備的能耗高與運(yùn)維難

目前常用的泥渣脫水處理設(shè)備,如壓濾機(jī)、離心機(jī)等,通常需要較高的能耗來(lái)完成脫水過(guò)程。能耗的增加不僅會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行成本的上升,還對(duì)環(huán)境造成一定的壓力。同時(shí),這些設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行下,容易出現(xiàn)故障,維護(hù)和修復(fù)也較為復(fù)雜,增加了運(yùn)維成本和工程周期。

4.1.3 水資源浪費(fèi)

傳統(tǒng)的機(jī)械脫水處理方式為了便于對(duì)泥渣中的不同粒徑顆粒進(jìn)行分級(jí)篩分通常需要消耗大量的水進(jìn)行稀釋、沖洗,雖然有部分被回收但也有較多的水資源被損耗浪費(fèi)。同時(shí),脫水本身排出的水中許多因摻有泥渣改良劑或改性調(diào)理劑而被當(dāng)作廢水直接排出。在一些地區(qū),水資源本來(lái)就相對(duì)匱乏,這種方式會(huì)帶來(lái)更大的問(wèn)題。不僅導(dǎo)致水資源的浪費(fèi),還會(huì)產(chǎn)生大量的廢水,對(duì)水資源的保護(hù)和環(huán)境造成負(fù)面影響。如何在脫水過(guò)程中盡量減少水資源的浪費(fèi),提高水資源的利用效率,是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

4.1.4 處理后泥渣再利用困難

目前,我國(guó)對(duì)于盾構(gòu)泥渣脫水過(guò)程中產(chǎn)生的粗顆粒砂、石雖然已可以較好地利用,但剩余的細(xì)顆粒黏土主要還是采用填埋或堆放等方式進(jìn)行處理,沒(méi)有過(guò)多的利用手段與消納場(chǎng)所,從而造成資源的大量浪費(fèi)。實(shí)際上,細(xì)顆粒黏土經(jīng)處理后可以用作注漿材料、免燒磚、植培土等,但目前限于成本、使用范圍、再利用的研究和推廣還相對(duì)滯后等多方面原因,對(duì)其開(kāi)展大規(guī)模利用還存在許多困難。

4.1.5 新技術(shù)的引領(lǐng)性工程探索太少

新的脫水技術(shù)、方法例如電滲-壓濾聯(lián)合脫水[58]、DME(二甲醚,dimethyl ether)深度脫水[59]、超聲波脫水[60]等需不斷在小試、中試、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)證。目前,我國(guó)在盾構(gòu)隧道渣土與泥漿脫水方面的創(chuàng)新性工程實(shí)例非常少,許多研究成果處于試驗(yàn)階段,工程示范的實(shí)例更少。沒(méi)有案例的驗(yàn)證,許多高效低碳的脫水方法便難以進(jìn)行推廣應(yīng)用。積極地進(jìn)行研究和探索,從小規(guī)模試驗(yàn)到大范圍的工程應(yīng)用是脫水技術(shù)進(jìn)步的必然過(guò)程。

4.1.6 缺乏統(tǒng)一的處理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

由于盾構(gòu)泥渣的成分和性質(zhì)各異,目前缺乏統(tǒng)一的脫水處理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。不同城市和地區(qū)在處理泥渣時(shí)可能采取不同的方法和技術(shù),導(dǎo)致脫水效率和處理成本的差異。同時(shí),缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)也導(dǎo)致難以比較不同地區(qū)的脫水處理效果,不利于經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的交流共享。建立統(tǒng)一的盾構(gòu)泥渣脫水處理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,有助于提高整個(gè)行業(yè)的水平和效率。

4.2 盾構(gòu)泥渣脫水處理發(fā)展的思考

針對(duì)目前盾構(gòu)泥渣脫水處理存在的問(wèn)題,未來(lái)可從以下方面進(jìn)行改進(jìn),并達(dá)到產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化的發(fā)展。

4.2.1 脫水設(shè)備的智能化

利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、泥渣含水率、設(shè)備健康狀況等數(shù)據(jù),通過(guò)人工智能算法進(jìn)行分析與判斷,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行參數(shù),提高脫水效率和穩(wěn)定性。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)分析,提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或異常,進(jìn)行預(yù)警和遠(yuǎn)程維護(hù),避免停機(jī)時(shí)間和生產(chǎn)損失,降低維護(hù)成本。還可通過(guò)人工智能算法優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行模式和能耗分配,實(shí)現(xiàn)能耗的最小化,減少能源浪費(fèi),降低運(yùn)行成本。

4.2.2 脫水設(shè)備的模塊化與規(guī)模集成化

將盾構(gòu)泥渣脫水設(shè)備分解為多個(gè)獨(dú)立的功能模塊,每個(gè)模塊負(fù)責(zé)特定的任務(wù),如給料、加藥、固液分離、泥餅收集、水處理等,可以根據(jù)實(shí)際需求自由組合各個(gè)功能模塊,提高設(shè)備的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性,以適用于不同規(guī)模和類(lèi)型的工程項(xiàng)目。各個(gè)功能模塊可以獨(dú)立維護(hù)和更新,降低維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。同時(shí),模塊化設(shè)計(jì)也方便對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí),引入新技術(shù)和功能。

將智能化和模塊化技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行大規(guī)模化的泥渣脫水,通過(guò)集成規(guī)?；O(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)設(shè)備各個(gè)模塊之間的緊密協(xié)同以及高度的自動(dòng)化,可提高設(shè)備整體效率和穩(wěn)定性。

4.2.3 環(huán)保高效的資源化利用

針對(duì)盾構(gòu)泥渣脫水過(guò)程中水資源浪費(fèi)與所得細(xì)顆粒泥餅利用率較低的問(wèn)題,可采取如下措施: 1)在泥渣脫水過(guò)程中,可以采用循環(huán)水系統(tǒng),將脫去的水進(jìn)行收集和凈化處理后再次利用。2)優(yōu)化脫水工藝,盡量減少需要洗滌的次數(shù),減少水資源的消耗?？梢钥紤]采用化學(xué)處理或機(jī)械振動(dòng)等技術(shù)替代洗滌步驟,降低水耗。3)對(duì)排放的含有一定濃度藥劑的泥渣處理水進(jìn)行回收和處理,可以通過(guò)一系列分離技術(shù)凈化水資源,并將其再次利用于脫水過(guò)程。4)深度開(kāi)發(fā)細(xì)顆粒泥餅進(jìn)行資源化利用的范圍與成本,例如絮凝-固化一體化技術(shù)等,盡量減少泥渣成為產(chǎn)品的中間環(huán)節(jié),使其成為廉價(jià)易得的免燒磚[61]之類(lèi)的建筑材料、種植土壤、路基材料等。5)政府可以出臺(tái)相關(guān)政策,鼓勵(lì)企業(yè)對(duì)細(xì)顆粒泥餅進(jìn)行資源化利用,從而推動(dòng)盾構(gòu)泥渣脫水與利用技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

4.2.4 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

建立統(tǒng)一的盾構(gòu)泥渣脫水處理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,包括處理設(shè)備的選型、操作要求、處理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)等,促進(jìn)行業(yè)內(nèi)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),將有助于降低設(shè)備的采購(gòu)和運(yùn)維成本,提高整體處理效率。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

1)盾構(gòu)泥渣本身的性質(zhì)與改良劑很大程度上影響了脫水的難易程度,其中高黏粒含量泥渣由于吸附有較多結(jié)合水且孔隙通道細(xì)小使其脫水困難。采用高效的絮凝劑使顆粒聚團(tuán)或表面活性劑釋放結(jié)合水,是行之有效的脫水方法。

2)目前對(duì)于盾構(gòu)泥渣的脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系缺乏統(tǒng)一的觀點(diǎn),結(jié)合其他領(lǐng)域與盾構(gòu)泥渣特性總結(jié)歸納SRF、CST、沉降速率、滲透系數(shù)以及含水率5項(xiàng)用于評(píng)價(jià)泥渣脫水性能的指標(biāo)。除了脫水性能評(píng)價(jià)指標(biāo)外,脫水后改良劑、調(diào)理劑的殘留以及泥渣pH值等環(huán)境指標(biāo)也需要同步關(guān)注。

3)從現(xiàn)階段各類(lèi)盾構(gòu)泥渣脫水處理技術(shù)來(lái)看,機(jī)械脫水技術(shù)目前在黏粒含量較少的盾構(gòu)泥渣脫水處理方面已較為成熟,且處理過(guò)程中篩分出的粗顆粒與細(xì)砂能直接利用,但依然存在成本較高的問(wèn)題。而對(duì)于黏粒含量較多的盾構(gòu)泥渣需加入高效的調(diào)理劑改性以增強(qiáng)脫水性能,成本的進(jìn)一步增加與藥劑污染的處理也是需要面對(duì)的問(wèn)題。自然晾曬顯然已不能滿(mǎn)足效率與環(huán)保的要求。熱干化脫水雖然適用范圍廣且脫水較為徹底,但其存在能耗大、成本高的缺陷。滲流脫水技術(shù)中的土工管袋法以及真空預(yù)壓法對(duì)滲透性較大的泥渣具有較好的脫水效果,電滲法可適用于低滲透性黏土,但其耗電量大且電極易腐蝕的缺陷目前難以避免。

5.2 展望

目前盾構(gòu)泥渣脫水處理技術(shù)存在的問(wèn)題主要有設(shè)備性能不足、能耗高與運(yùn)維難、水資源與泥渣利用率低、新技術(shù)難以推廣應(yīng)用以及缺乏統(tǒng)一的處理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)。面對(duì)這些問(wèn)題,我國(guó)盾構(gòu)泥渣脫水技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)、方法、設(shè)備、政策與市場(chǎng)運(yùn)行等方面仍然有著廣闊的發(fā)展空間。

1)在脫水性能以及脫水產(chǎn)品利用需求的框架下,應(yīng)充分結(jié)合相關(guān)案例的大數(shù)據(jù)資源,構(gòu)建全地層條件、多種施工方式下待脫水的盾構(gòu)泥渣定量分類(lèi)與相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2)盾構(gòu)泥渣的理想脫水性能目標(biāo)會(huì)隨地層條件改變而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,可以利用深度學(xué)習(xí)等人工智能方法,形成智能化的泥渣脫水時(shí)調(diào)理藥劑摻量、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控與調(diào)整技術(shù)。

3)進(jìn)行脫水機(jī)械裝備與管理模式升級(jí),構(gòu)建智能化、模塊化與集成規(guī)?；灰惑w的脫水產(chǎn)業(yè)化模式。

4)積極推進(jìn)盾構(gòu)泥渣脫水處理中環(huán)境友好型、節(jié)約能耗型、以廢治廢型新技術(shù)的開(kāi)發(fā),減少脫水過(guò)程中的資源浪費(fèi),探索利用綠色材料與方法解決泥渣脫水問(wèn)題的途徑,并積極完善與落實(shí)相關(guān)鼓勵(lì)政策。