建筑垃圾中盾構渣土無害化及資源化技術應用

劉燁煊

（中鐵環境科技工程有限公司，湖南 長沙 410000）

引言

盾構渣土屬于建筑垃圾中的工程渣土類。隨著我國交通建設的發展，越來越多的鐵路、公路、地鐵等道路及軌道建設如火如荼的開展，因此地下隧道工程的施工勢必會產生大量的盾構渣土。根據中國城市軌道交通協會公布信息，截止2021 年底我國大陸地區已有55 個城市開通了城市軌道交通，其中在建地鐵線路5093.1km，規劃建設地鐵線路4937.3km，全國盾構渣土處理市場巨大。

由于盾構施工工藝的需要及掘進地層的地質特性，導致盾構渣土含水量高[1]、不易運輸、含有表面活性劑等有害污染物[2]的危害。因此，成稀泥樣或泥漿樣的盾構渣土，在堆存過程中易形成滑坡，從而影響堆土場的安全堆放。另外，盾構施工過程中，為保護刀盤、增加土壤流塑性，還會加入表面活性劑（俗稱“泡沫劑”）等有機化合物，由于表面活性劑會吸附于盾構渣土中[3]，然后隨著盾構渣土轉移入滲到土壤、地表水中，并發生一系列物理、化學、生物反應，或為植物根系吸收，或被微生物合成吸收，造成土壤、地表水和地下水污染，從而破壞自然環境、影響居民生活。

由于對盾構渣土的危害及存在問題認識不足，因此我國對盾構渣土的處理處置起步較晚，目前還未形成系統化、規范化、標準化的技術體系和標準文件，也缺少系統的盾構渣土處理實用技術，已有的盾構渣土處理方式主要集中在簡單的篩分、脫水，外運填埋。本文以廣東省深圳市地鐵14 號線某盾構區間產生盾構渣土的處理為例，通過盾構渣土無害化、資源化處理技術工程應用情況的介紹，降低盾構渣土的堆存規模和處理難度，以期能為盾構渣土處理提供參考，為盾構渣土處理技術的推廣應用奠定基礎。

1 項目概況

深圳市地鐵14 號線某盾構區間，區間長度約5876.68m，區間隧道線外徑約6.7m，左右隧道間距為10.08～39.33m，隧道埋深為11.4～67.0m，隧道底板高程為2.477～33.120m，擬采用復合式盾構法施工，盾構量約為每日20 環。隧道施工主要穿過地層大部為第四系海積、沖洪積及殘積土層，下覆基巖以燕山期花崗巖為主，局部產出震旦系變質砂巖及石炭系大理石；垂直分帶較明顯，淤泥與淤泥質砂厚度為17.0～19.6m，中粗砂厚度為5.0～9.6m，下伏殘積土層厚度為20～30m，土質多為砂質粘性土。

2 項目渣土背景值調查

盾構渣土來源于地下工程盾構施工，復雜的地層地質情況和盾構施工過程中添加的化合物，使得盾構渣土的成分復雜。為確定盾構渣土無害化、資源化的處理工藝，以及為盾構渣土處理后的最終消納處置提供方向，因而需對盾構渣土的背景值進行調查。這樣，不僅能有針對性的對盾構渣土進行高效處理工藝設計外，還有利于對盾構渣土進行源頭分類減量，降低盾構渣土處理處置的成本。

調查的主要內容為2 個方面，一是確定各類盾構渣土的檢測指標，分析其組分；二是對盾構渣土可能出現的環境風險進行判定和分析，提出相應的管控手段。盾構渣土背景值的主要調查因子為物理性指標和化學性指標，其中物理性指標主要包括顆粒組成、含水率等，化學性指標主要包括表面活性劑、重金屬（Cd、Cr、Pb、As、Hg）、石油烴等。取不同掘進深度產生的盾構渣土的3 個樣本進行盾構渣土背景值分析，詳見表1。通過檢測可知，項目工程分析的3 個渣土樣本含砂量（粗、中細砂）介于39.07%～56.28%之間，表面活性劑含量介于30.6～45.3mg/kg 之間，重金屬和石油烴均未檢出。

表1 盾構渣土背景值分析表

3 項目產生量及規模

3.1 盾構渣土產生量

本文施工段采用1 臺盾構機單向掘進，盾構直徑6.98m，環長1.5m，掘進工作量8～10環/d。單臺盾構機掘進盾構渣土產生量Qn ，按式（1）計算[4]。

式中Qn—第n條盾構機掘進隧道盾構渣土預測產生量，m3；dn—第n條盾構機掘進隧道直徑，m；In—第n條盾構機掘進隧道掘進距離，m。

通過以上數據測算，本方案隧道截面積38.26 m2，施工斷面方量57.40m3/ 環，單臺盾構機平均每天出土量約在459.2～574m3/d。

3.2 項目規模設計

該區間施工段盾構渣土產生量約在459.2～574m3/d 之間，盾構渣土平均含砂率≥40%。設計采用現場處理方式，盾構渣土處理能力設計為50m3/h，按12h 工作制，最大處理量約為600m3/d。

4 處理要求及目標

4.1 盾構渣土

盾構渣土處理后，泥餅含水率＜40%，渣土中表面活性劑去除率達90%以上，泥餅中相關物質含量滿足資源化利用要求。

4.2 分離水相

盾構渣土處理過程中的分離水相處理后，達到《污水綜合排放標準》（GB 8978-1996）一級標準中的相關指標，且處理過程中的水可以回用，節約處理成本。

4.3 篩分砂礫

盾構渣土分離出的砂含水率＜10%，并且參照《建設用砂》（GB/T 14684-2011）中規定采用亞甲藍值測定方法和亞甲基藍快速試驗方法測定砂石的含泥率≤5%。

5 處理工藝設計

5.1 處理工藝流程

盾構渣土多相分級處理技術由渣土制漿、兩級砂礫篩分、加藥處理、深度脫水、水處理及回用依次串聯組成，如圖1 所示。利用盾構渣土中不同的顆粒級配、泥漿的流動性，通過加入藥劑對盾構渣土中泡沫劑進行無害化處理，通過顆粒分級篩分和擠壓脫水降低盾構渣土的含水率、篩分出盾構渣土中可利用成分，實現盾構渣土的無害化和資源化。

圖1 含表面活性劑盾構渣土處理工藝流程圖

5.1.1 渣土制漿

渣土經過加水稀釋攪拌后（稀釋后泥漿的比重控制在1.3g/cm3左右），將粘性大、且含砂石骨料的盾構渣土加水制成泥漿。

5.1.2 砂礫篩分

5.1.2.1 一級篩分成流朔狀態的渣土，通過振動篩分離出4.75mm 以上的粗大礫石等。

5.1.2.2 二級篩分

經過一級篩分后的篩下物，≤4.75mm的砂石泥漿，經泵送入二級篩分設備，通過滾筒篩和旋流分離等設備，篩分出砂石粒徑（0.075～2mm）的中細砂骨料。中細砂骨料經過洗砂、脫水流程后，經過皮帶運輸機進入到堆砂區。

5.1.3 加藥無害化處理

篩分分離后的粒徑小于0.075mm 的泥漿，由泵送入加藥攪拌罐中，加入表面活性劑無害化藥劑。根據小試試驗確定化學藥劑的藥劑配方、添加量和攪拌反應時間，對盾構渣土進行無害化處理。

5.1.4 深度脫水

將通過無害化處理后的泥漿中加入絮凝劑進行濃縮分離后，由泵送入板框壓濾機進行深度脫水處理，排出的泥餅含水率＜40%，泥餅直接落入板框壓濾機下方泥餅區。

5.1.5 水處理及回用

分離后的水相進入水處理池，通過加入絮凝劑、表面活性劑處理藥劑等，進一步深度去除轉移入水相中的表面活性劑等有害化合物，并將水相中的懸浮物固體與水相分離；處理后的澄清水相回用于盾構渣土制漿單元或施工現場清洗用水；分離后的固相底泥，通過脫水干化裝置處理后，填埋或者隨盾構泥餅用于制備深加工產品。

5.1.6 干化泥餅最終處置

經深度脫水后的壓濾泥餅，可用于制作磚、燒結制品、種植土等產品，進行資源化利用[5][6]。

5.2 主要處理技術參數

綜合對深圳市地鐵14 號線某盾構區間渣土的背景值分析、盾構渣土產生量和處理規模的設定、盾構渣土處理要求及目標的設定，結合設計的工藝技術路線，項目主要處理工藝技術參數見表2。

表2 主要工藝技術參數表

5.3 主要處理設施設備

該項目含1 條盾構渣土無害化、資源化處理線。處理線由1 個制漿池、1 個螺旋上料機、1 個振動篩、1 個滾筒篩、1 個多功能洗砂一體機、1 個加藥處理罐、2 個絮凝濃縮罐、2套板框壓濾機、1 套水處理設施及4 條傳輸帶組成。處理系統總設備功率約為510kWh，處理系統設備總占地面積約為360 m2，項目設備平面布置如圖2 所示。

圖2 項目設備平面布置圖

6 處理效果分析

系統連續穩定運行后，定期對進料盾構渣土中泡沫劑、含水率、產泥量等指標進行抽檢，進料盾構渣土性質較為穩定，詳見表3。

表3 盾構渣土處理前進料檢測值

6.1 盾構渣土無害化效果

通過盾構渣土多相分級處理系統連續4個月正常運行條件下，根據盾構渣土處理效果的抽檢結果可知，盾構渣土經過處理后的干化泥餅含水率均低于40%，滿足渣土外運的含水率要求，詳見圖3；干化泥餅中泡沫劑殘留量均低于5mg/kg，泡沫劑的去除率達到90%以上，詳見圖4。此外，經分離后進入水處理系統的水相，處理后泡沫劑含量均小于5mg/L，滿足GB 8978-1996 一級標準要求，可回用于渣土制漿、現場清洗用水或外排等。

圖3 盾構渣土中水分去除情況

圖4 盾構渣土中泡沫劑去除情況

6.2 盾構渣土資源化效果

盾構渣土經處理后，篩分出的砂石含水率＜10%，含泥量≤5%，達到GB/T 14684-2011 中規定的Ⅲ類標準要求，可用作砂石骨料；渣土經處理后形成的干化泥餅的含水率小于40%、泡沫劑去除率達到90%以上，可用于制磚、燒結制備、種植土等。項目盾構渣土分離后砂石骨料及干化泥餅如圖5 所示。

圖5 盾構渣土處理后資源化產品圖

7 能源消耗分析

7.1 能耗種類及數量分析

項目盾構渣土無害化、資源化處理線運行時的能源消耗主要是電和水，其中水主要用于補充砂石骨料分離所帶走的水份。項目水、電消耗情況如表4 所示。

表4 水、電消耗表

7.2 能耗指標及分析

7.2.1 項目能耗及計算根據項目的水、電消耗情況，對項目的能耗指標進行計算分析，結果如表5 所示。

7.2.2 本項目能耗指標

根據表5 和產品方案，經分析計算得出項目的年綜合能耗為27.51tce、年電力消耗量為214.2 MWh（折合26.33tce）、年自來水消耗量為4.6kt（折合1.18tce)。

7.2.3 項目能耗分析

雖然項目所處理的含表面活性劑盾構渣土，目前還沒有其行業規定的能耗指標，但在項目的設計中卻貫徹了節約與合理利用能源的指導思想，采取了一系列行之有效的節能措施，因此項目能實現環保節能的目的，并符合節能設計規范。

結語

結合深圳市地鐵14 號線某區間盾構施工產生渣土的實際情況，通過對盾構渣土的背景值分析，設計制定了盾構渣土的處理規模及處理技術路徑。經處理后，盾構渣土中泥餅含水率能夠降低至40%以下，盾構渣土中表面活性劑（俗稱“泡沫劑”）的去除率能達到90%以上，處理后出水滿足GB 8978-1996 一級標準要求，分離出的砂石骨料滿足GB/T 14684-2011 的相關等級標準要求，實現了對盾構渣土的無害化、資源化。

表5 主要能源和含能工質的品種及年消耗量