盾构渣土的含水率特征及脱水技术研究

张书经，阳 栋，谭立新，李水生，丁燕怀，罗正东，许 福

(1.湘潭大学，湖南 湘潭 411105；2.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

近年来，随着城镇化进程的加速，我国各大城市迎来地铁建设高峰期。地铁建设促进了城市经济的发展，缓解了人口、车辆剧增带来的交通拥堵，改善了人们的日常出行条件，但是也带来了一系列环境和安全问题，其中如何有效处理盾构机掘进产生的巨量渣土是地铁建设过程中面临的最突出的问题。

盾构渣土由盾构机切削原始岩土层形成，其多为细小颗粒，含水率较高，按性状差异可分为土压平衡盾构渣土和泥水平衡盾构渣土，两者的区别表现在含水状态的不同。土压平衡盾构渣土的固含率介于70%～90%，具有弱流动性并呈膏状，而泥水平衡盾构渣土的固含率为20%～40%，呈泥浆状态，两种盾构渣土的实物照见图1。

(a)土压平衡盾构渣土 (b) 泥水平衡盾构渣土

图1 典型盾构渣土的实物照

盾构渣土的传统处理方式通常为运输至指定的渣土受纳场露天堆放或者在项目回填区填埋，由此易引发一系列环境和安全问题。首先，在运输过程中容易撒漏，导致环境污染；其次，堆填渣土占用大量土地，且随着地铁建设的快速发展，堆填场地日趋紧张[1]；最后，盾构渣土流动性、稳定性差，直接堆填存在安全隐患。2015年12月20日，位于深圳市光明新区的红坳渣土受纳场发生滑坡事故(图2)，造成73人死亡，4人下落不明，17人受伤，33栋建筑物被损毁、掩埋，直接经济损失8.81亿元[2]，其直接原因为受纳场没有建设有效的导排水系统，积水未能导出、排泄，致使堆填的渣土含水过饱和，形成底部软弱滑动带，再加上严重超量超高，下滑推力逐渐增大，稳定性降低，导致渣土失稳滑出。

图2 红坳渣土受纳场滑坡事故现场

值得注意的是，若处理得当，则盾构渣土将有望成为一种重要资源，其中的碎石和砂可作为集料应用，黏土可以用作填料或用于制作陶粒、砖等。随着经济发展和社会环保意识的提高，砂石开采的环境成本和用工成本不断增加，建筑材料价格逐年上涨，若能将盾构渣土中的碎石、砂和黏土进行充分处理与资源化利用，一方面可以为施工企业省去巨额渣土处理费用，另一方面也会因为减小对外采购建材的需求而节约成本。因此，开展盾构渣土的无害化处理和资源化利用，具有重要的生态效益、社会效益和经济效益。作为盾构渣土减量化和无害化处理及资源化利用的关键环节，脱水过程决定了盾构渣土处置的效率与成本，研究高效的盾构渣土脱水技术具有重要的现实意义。

1 盾构渣土特性及其水分赋存机制

盾构渣土是由砂、石、土和水等组成的混合物，原始地层岩性的差异及施工方法的不同，导致盾构渣土成分差别较大。当含石量小于40%时，粗骨料未形成骨架，悬浮在细料土中，形成密实-悬浮结构，可视为多土类渣土；当含石量介于40%～70%时，粗骨料逐渐增多，在土石混合料中逐渐起骨架作用，显示出混合料的特征，形成密实-骨架结构，可视为中间类渣土；当含石量大于70%时，则由于细骨料不足，粗骨料间的空隙无法被全部填充，粗骨料被架空，形成骨架-空隙结构，可视为多石类渣土[3]。当盾构机在风化程度较弱的岩层掘进时，渣土中碎石含量较高，表现为多石类，而当盾构机在全风化岩层或土层掘进时，渣土细粒含量较大，表现为多土类。

盾构渣土中的水分一方面源于原有岩土层含水，另一方面来自于施工中为了维持掌子面平衡和方便出渣，人为注入的泡沫或泥浆。土压平衡盾构渣土的含水率超过液限，接近饱和，而泥水平衡盾构渣土处于饱和状态。根据土颗粒表面受静电作用的强弱，可将土中水划分为结晶水、结合水和自由水[4-6]。多土类渣土的黏粒含量高，能吸附较多的结合水，同时形成较多微小孔隙，通过毛细管作用赋存大量水分。多石类渣土中粗颗粒碎石较多，具有贯通大孔隙，透水性强，水分容易从大孔隙流失，存水较少。中间类渣土则介于两者之间。

为测定不同地层土压平衡盾构渣土的含水率，从长沙地铁四、五号线不同位置取样开展室内实验，测量渣土含水率等物理指标，结果见表1。由表1可以看出，土压平衡盾构渣土的含水率波动较大(8.53%～40.35%)，且原始地层的风化程度越高，渣土的含水率越高。这是因为岩石风化程度高时，所得渣土中细颗粒多，比表面积更大，其能赋存的结合水和自由水增多。同样风化程度下，含黏土矿物多的岩石，其渣土含水率高于含黏土矿物低的岩石，这是因为黏土吸水率大于石粉的吸水率。

2 现有脱水技术及其在盾构渣土脱水领域的适宜性

2.1 蒸发脱水

土体水分蒸发是指土体中的水分汽化进入大气的过程，受土-气交界面处的气象参数等因素控制，如温度、液体表面积、液体表面上方的空气流动速度、湿度。同时，土壤的自身特性，如矿物成分、孔隙结构、颗粒级配对蒸发速度也具有较大影响。常用的土体水分蒸发方法有自然干化和烘干两种。自然干化是将盾构渣土摊开，利用太阳能和空气流动加速水分蒸发。该方法简便、经济，但干化程度受天气条件影响较大，且占地面积大，效率低，易产生扬尘。转筒烘干机(图3)利用煤、天然气或电能等产生的热量对大宗湿物进行烘干，其处理效率高，可连续操作，污染较小，但热能利用效率较低，后期运营成本高[7]。

表1 土压平衡盾构渣土的物理性质指标

图3 转筒烘干机

2.2 机械脱水

机械脱水是利用机械方法对固液混合物施加外力，迫使水分从中分离的方法，在固体废弃物处置领域应用广泛。常用脱水机械大多基于挤压、离心等进行固液分离，如板框压滤机、带式压滤机、卧螺离心机等。

板框压滤机(图4)是一种间歇性固液分离装置，由滤板和滤框交替叠合组成滤室，在输料泵的压力作用下，把浆料输入滤室中，大部分自由水通过滤布排出，留在滤室内的土颗粒被挤压成含水率较低的泥饼。适合对筛除砂石之后的泥水平衡盾构渣土进行脱水，压滤前一般需要投加絮凝剂，泥饼的含水率在30%～40%。板框压滤机具有分离效果好、适用范围广等优点，但是它属于间歇性操作，处理效率不高，滤布的寿命也不长，更换滤布较麻烦，适用于小型或工期宽裕的工程[8-9]。

带式压滤机(图5)利用上下两条滤带对浆料缓慢加压，浆料受到挤压力和剪切力的双重作用，大部分自由水被滤除，浆料形成含水率较低的泥饼。用带式压滤机对泥水平衡盾构渣土进行脱水，泥饼的含水率在35%～45%。带式压滤机为连续性操作，处理量较大，占地面积较小，效率优于板框压滤机，但是泥饼含水率略高于板框压滤机，能耗较高，维护保养较难，适用于大型工程的泥浆固液分离[10-11]。

(a)结构示意

(b) 实物

(a)结构示意

(b) 实物

卧螺离心机(图6)利用离心沉降原理分离悬浮液中的固体颗粒，在高速旋转产生的离心力作用下，固体颗粒由于容重和离心力较大，被甩贴在转鼓内壁上，形成固体层，通过螺旋推料器推至排渣口排出；液体由于密度和离心力较小，在固体层内侧形成液体层，通过溢流孔流出。阮智伟[12]利用卧螺离心机对河道底泥脱水，泥饼的含固率可达55%以上。任欣等[13]研究表明，污泥的分离因数，机器的差转速和处理量均能影响固液分离效果。卧螺离心机自动化程度高，能够连续运行，处理能力强，不会造成二次污染，但是仅适宜处理砂石粒径小于200 μm的泥浆，否则将对机器造成磨损且有堵塞风险，此外该方法初期投资大，能耗高，泥饼的含水率通常高于带式压滤机。

(a)结构示意

(b)实物

压滤机和离心机适宜处理流动性较大且无粗颗粒的泥浆，而土压平衡盾构渣土的流动性较差，且常含有碎石和砂等粗颗粒，难以直接使用压滤机或离心机脱水。若按泥水平衡盾构渣土的处理工艺，则需要向土压平衡盾构渣土中加入数倍于原始渣土体积的水，经稀释和搅拌均匀后，才能用振动筛分离碎石，旋流器分离细砂，最后用压滤或离心设备分离得到泥饼和水。因此，对于高含泥率的土压平衡盾构渣土，若采用先加水稀释再分离砂石和泥水的处理方法，将导致后期处理的泥浆体积剧增，处理成本高、效率低，因而不具备现实可行性。

2.3 渗流脱水

当土体中存在压力水头时，水分将从势能较高处向势能较低处移动，形成孔隙渗流。常用的渗流脱水方法有土工管袋、电渗法和真空预压法三种。

土工管袋(图7)为利用高强土工织物编织而成的滤袋，具有过滤能力和抗紫外线性能，一般为长条枕袋状，其大小可以根据实际情况调节，脱水周期与滤袋大小成正比[14]。土工管袋脱水的原理是在管袋内部的强大压力作用下排出水分并截留泥浆中的固体颗粒。王松等[15]使用阳离子聚丙烯酰胺预处理淤泥后，用土工管袋充填并放置15天，淤泥的含水率从80%～90%降至40%～50%。该方法操作简单，成本低，容积调节范围大，不会产生噪音，但是占地面积较大，一般需要配合絮凝剂使用，且对于细颗粒含量高的淤泥，脱水所需时间更长[8]。

图7 土工管袋

电渗法(图8)是指在土体两端通入直流电后，吸附极性水分子的阳离子在电场作用下向阴极移动，而阳极逐渐被疏干的一种排水固结方法。具体实施时，在土中插入通直流电的金属电极，在电流作用下产生电渗，土中水由阳极流向阴极并被排出。该方法由俄罗斯学者REUSS提出，CASSAGRANDE首次将其成功应用于实际工程，JONE et al.[16]的研究表明电渗效果与土颗粒的大小、孔隙率关系不大。由于电渗法能同时排出自由水和部分弱结合水，所以对细颗粒含量多、低渗透性和加荷固结速度缓慢的淤泥、黏土的脱水效果尤为显著，在吹填土、湖泊河道底泥、市政污泥和矿山尾矿处理等领域得到了广泛的应用。陈雄峰等[17]采用电渗法对太湖疏浚底泥脱水，含水率从38.72%降至32.85%，但该方法存在电极容易被腐蚀，耗电量大，土体脱水不均匀等缺点。同时，电渗法不宜处理电解质溶液中阴阳离子数量相当的土体，因为阴阳离子数量接近时，水分子的动力很小，此时无法发生电渗[18-19]。

图8 电渗法

真空预压法(图9)由Kjellman提出，通过抽取排水管道中的水和空气，使其与土体内部形成压差，土体中的水分由排水通道排出。具体实施时，在软黏土中设置竖向排水带或砂井，上铺砂层并覆盖封闭薄膜，抽气使膜内排水带、砂层等处于部分真空状态，使土体中的水分向排水通道移动并被排出[20]。真空预压法处理面积大、影响范围深，且施工设备简单、处理费用低、无环境污染等，在港口、公路、机场和工民建等领域得到了广泛的应用。但在真空预压过程中，土体中的黏土细颗粒随孔隙水迁移至滤膜或排水沟槽处，将堵塞滤膜或沟槽，降低排水效率，且对于有下卧透水层的土体，由于无法形成封闭空间，因而不适用此方法。同时软土的含水率一般只能降低至稍大于液限，当土的含水率小于液限且为超固结土时，真空预压法不再适用[21-24]。由于土压平衡盾构渣土的含水率处于液限附近，采用真空预压法脱水效果较差。

图9 真空预压法

采用土工管袋、电渗法和真空预压法对盾构渣土处理的优势是无须预先分离砂石，可以直接对土石混合物脱水，但有共同的缺点，即脱水时间较长。其中土工管袋对处理泥水平衡盾构渣土具有一定的适宜性，电渗法和真空预压法直接用于土压平衡盾构渣土的效果较差。由于电渗法脱水不会改变孔隙结构和降低渗透系数，因而其具有更广阔的应用前景。

2.4 联合方法

不同脱水方法的局限性和适用范围不同，越来越多的研究人员开始尝试对固废物开展分阶段、多种方法联合脱水。常用的联合方法有电动土工合成材料、电渗法联合真空预压法、电渗法联合超声波等。

金属电极易被腐蚀且耗能高，限制了电渗法的发展，但电动土工合成材料(EKG)的兴起，使电渗法的应用进入了新的阶段。EKG是在传统土工合成材料中加入导电性物质，制成的一种能够导电的土工合成材料，结合了电渗法和土工合成材料各自的优点，具有广阔的应用前景[25-27]。采用传统方法固结软土需要半年到一年的时间，而庄艳峰通过不断摸索，使用EKG将这个过程缩短到1～2个月，极大地提高了工程效率[28]。胡俞晨等[29]使用EKG对软弱黏土进行了加固试验，试验表明土体含水率减小，并产生了显著的沉降，电极在电渗过程中没有受到腐蚀。但使用的电极是电阻率较大的导电塑料丝，电能消耗较高，且没有采用电极转换、间歇通电等技术，使土体固结较不均匀，电渗效率较低。KALUMBA et al.[30]的研究表明增大电极表面积、电位梯度，增长处理时间可以改善脱水效果。

为提升电渗效果、降低能耗，曹永华等[31]采用电渗法联合真空预压法加固高塑性软土，在初期和中期采用真空预压法加固，后期采用电渗法加固，在不同阶段发挥出各自的优势，使加固效果进一步提高，证明了联合作用的优越性。

为减少土体中结合水的含量，利用低频超声波能将结合水转化为自由水，这是因为在超声波的作用下，土体内部产生局部高温、高压和强烈的剪切力，破坏了聚合物相互之间的作用力[32-34]。翟君[35]采用电渗法联合超声波作用于剩余污泥，污泥最终含水率比仅采用电渗法的降低了10.97%，证明了该方法的可行性。

3 结 语

对于泥水平衡盾构渣土和砂石含量高的土压平衡盾构渣土，先利用振动筛分离碎石和旋流器除砂，再结合压滤机或离心机对泥浆脱水是比较经济可行的方法，但对于高含泥率的土压平衡盾构渣土，传统脱水方法不再适用。

造成高含泥率土压平衡盾构渣土脱水困难的两个主要原因：一是盾构渣土为土石混合物，碎石被黏粒包裹，缺乏贯通的孔隙，从而难以形成渗流通道；二是黏土中的水主要以弱结合水的形式存在，水分子被吸附在黏土矿物表面或矿物晶格层间，需要给予一定能量才能克服黏土矿物对水分子的引力。因此，对高含泥率土压平衡盾构渣土脱水，需要从保持排水通道畅通和减少结合水含量的角度考虑。保持排水通道畅通就是确保排水过程中盾构渣土体积不发生收缩，其原始孔隙结构和渗透系数不发生改变。减少结合水含量主要从减小黏土颗粒表面的扩散双电层厚度实现。黏土颗粒表面通常带一定量的负电荷，需要吸附阳离子以保持电荷平衡。由于高价阳离子比低价阳离子所带电量多，因而吸附高价阳离子的数量较少，扩散双电层较薄，赋存的结合水较少。故可以引入高价阳离子与黏土颗粒表面的低价阳离子发生置换反应，减小双电层厚度。

此外，还可以通过添加助滤剂，增大泥饼的刚性，防止过滤阻力的增加，进而提升脱水效果。