压密注浆工艺在重金属污染场地修复中的应用研究

范 宇

(上海地矿工程勘察有限公司/大都市区国土空间生态修复工程技术创新中心，上海 200072)

1 引言

近年来，重金属污染事件频繁发生，已严重影响到我国的土壤环境质量和粮食安全。重金属污染土壤具有成因复杂、污染范围广、治理成本高等特点[1]。尤其是上海地处长江三角洲，地下潜水位高、地表水系发达，浅部存在各类填土(杂填土、素填土、冲填土)及暗浜，且不同区域潜水含水层的地层组合存在显著差异，水文地质条件十分复杂，加之工业历史悠久，土壤不可避免地面临着严重的污染问题。因此，在上海地区关于重金属污染土壤修复技术的研究也备受关注。

在原位修复施工中，修复药剂在污染土壤中的分散程度是保证修复效果的关键，由于上海地区低渗透性，高黏性土质的污染场地较多，修复药剂很难与污染土壤中的污染物接触反应，因此可以通过传统的岩土施工设备将修复药剂注入到污染土壤中，实现药剂与污染土壤的有效均匀混合，从而提升污染场地的修复效果。如高骏采用高压旋喷注浆法和深层搅拌法对南京市某老工业区有机物污染土壤进行了修复[2]，王锦淮等利用高压旋喷桩和搅拌桩注浆法对上海市某开发区的有机物土壤进行了修复[3]，修复效果较为理想，但上述技术在应用工程中也存在一系列问题未能有效克服，如修复药剂腐蚀岩土设备、修复后土体的地基承载力不能满足后期开发需求等。

针对上述问题，本文设计了一套压密注浆-原位固化修复工艺，采用传统的压密注浆技术，通过钻孔的方式，将高浓度的修复药剂(或特定的浆液)在一定的预加压力下注入污染土体，利用水泥浆液本身的物理固化作用，使污染土体形成低渗透系数的固化体，将污染物较长期的封存在一定范围内，进而降低污染物迁移性和溶解度的技术[4]。并成功应用于上海城区某重金属污染场地修复施工中，既保证了土壤的修复效果，方案切实有效，也保障了场内历史保留建筑物不受影响，同时降低了工程造价，取得了良好的社会效益和经济效益。

2 压密注浆-原位固化工艺设计

2.1 原位固化药剂筛选

目前常用的土壤重金属修复技术主要包括挖掘、稳定化/固化、化学淋洗、气提、热处理、生物修复等。其中固化/稳定化技术是一种比较成熟的废物处置技术，现已应用于土壤重金属修复的工程领域。土壤重金属固化/稳定化修复技术指运用物理或化学的方法将土壤中的有毒重金属固定起来，或者将重金属转化成化学性质不活泼的形态，阻止其在环境中迁移、扩散等过程，从而降低重金属的毒害程度的修复技术。与其他技术相比，该技术具有处理时间短、适用范围较广等优势。

常用的固化剂可以分为以下4 类：①无机粘结物质，如水泥[5]、石灰等；②有机粘结剂，如沥青等热塑性材料；③热硬化有机聚合物，如尿素、酚醛塑料和环氧化物等；④玻璃质物质。由于技术和费用等方面的原因，水泥和石灰等无机材料为基料的固化/稳定化应用最为广泛。其中，水泥作为固化剂时，固化体的组织比较紧实，耐压性好；材料易得、成本低；技术成熟，操作处理比较简单；可以处理多种污染物，处理过程所需时间较短。因此本文采用水泥作为重金属污染土壤的固化修复药剂。

2.2 原位注入方式筛选

压密注浆是利用较高的压力灌入浓度较大的水泥浆或化学浆液，注浆开始时浆液总是先充填较大的空隙，然后在较大的压力下渗入土体孔隙。随着土层孔隙水压力升高挤压土体，直至出现剪切裂缝，产生劈裂，浆液随之充填裂缝，形成浆脉，从而将土体挤密，构成了新的浆脉复合地基，改善了土体的强度和防渗性能，同时也改变了土体物理力学性质，提高了软土地基的承载力。

传统压密注浆技术应用于原位固化修复中，与其他修复技术(如异位开挖修复、原位注药修复、化学淋洗等)相比，该技术具有成本低、施工方便、处理后的土强度高、稳定性强的独特优点，尤其适用于修复上海地区地层差异显著的重金属污染场地[6,7]。

本文以上海城区某重金属污染场地修复施工为例，因原场地内污染区域内有遗留的历史保留建筑物，无法进行基坑开挖，采用压密注浆-原位固化修复取代了传统的基坑开挖异位修复技术。通过该项目的成功实施，从原位钻孔、到压密注浆，再到现场采样进行效果评估，压密注浆-原位固化工艺既保证了土壤的修复效果，方案切实有效，也保障了场内历史保留建筑物不受影响，项目顺利通过了竣工验收。其工艺流程图如图1所示。

图1 压密注浆-原位固化修复工艺流程

结合压密注浆的基本原理及以往工程施工经验，本文设计的的压密注浆-原位固化工艺适用条件如下。

(1)场地周边环境复杂，工期紧张，施工条件、资金有限的场地。

(2)场地覆有较深的杂填土，且污染土体以渗透性较差的粉质黏土为主。

(3)污染深度不宜太大，6.0 m以浅为宜，超过此深度的需通过工程实际试验结果进行参数调整。

3 项目概况

3.1 项目信息

该项目场地位于上海市区，占地面积约46448 m2，历史上为工业用地，场地现状主要为建筑拆除后的空地，局部存在历史保留建筑物。规划作为商业服务用地、文化用地及办公用地，属于第二类用地类型。场地四周敏感目标有学校、养老院、居民区等。不宜采用对周围环境影响较大的工艺进行修复。

3.2 场地地质

根据前期场地调查的最大钻探深度为12.0 m，根据钻孔资料可知，12.0 m以浅范围内的土层主要由填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土组成，钻探点的稳定水位埋深在0.92～2.87 m之间。

3.3 污染状况

根据前期场地调查可知，场地内重金属铅污染区域周长116.4 m，面积535 m2，污染深度为5.5 m；重金属砷污染区域周长101.7 m，面积700 m2，污染深度为2.0 m。两部分区域都涉及历史保留建筑物。其污染物的最高检出浓度及修复目标值见表1。

表1 场地污染特征及修复目标值

根据项目现场情况及污染特征，若采用传统的基坑开挖异位固化稳定化修复技术，在施工中将遇到以下4个难点。

(1)部分污染区域位于历史保留建筑物内部，现场地坪破碎、基坑开挖等，必然会对该建筑物的稳定性造成一定影响。

(2)现场涉及大于5.0m的深基坑开挖，需编制专项方案并组织专家评审，周期较长且安全性有待考虑。

(3)基坑开挖、围护及支撑、污染土短驳等都需要耗费大量的人力、物力、财力，项目管理也较为复杂。

(4)场地位于上海市区，现场大量的地坪破碎、开挖、药剂投加、搅拌、污染土短驳等工作，对周边敏感目标影响较大。

鉴于以上因素，考虑到污染区域内历史保留建筑物的稳定性，以及污染较为严重的深度范围主要为粉质黏土层，结合以往的工程施工经验，采用压密注浆-原位固化修复的方式对本项目开展修复施工。

4 现场实施

4.1 现场施工工艺参数确定

在小试及现场中试的基础上，最终确定了本场地压密注浆-原位固化修复施工工艺参数。

(1)注浆孔位设置：现场注浆孔按三角形布置，线距为2 m，纵距为1 m，注浆孔深度根据污染区域深度分别设置为2.0 m和5.5 m。

(2)注浆顺序：先外排帷幕，再内排，最后中间排；先下部，后上部；为防止相邻两孔窜浆，采用隔空跳打注浆。为保证注浆的质量和效果，间隔跳打注浆分为两次，中间间隔时间为3 h，即待第一次注入浆液初凝后，再进行第二次跳打注浆。

(3)注浆压力、流量及注浆率：外部帷幕为0.2～0.3 MPa，中间部分为0.3～0.4 MPa。注浆流量为5～10 L/min，注浆率为16%～20%。

(4)注浆材料：采用普通42.5型硅酸盐水泥，注浆的浆液水灰比为0.5～0.6。

(5)注浆方式：每套设备由一台注浆泵、注浆管、流量计、压力表及拌药桶组成。首先将水泥按照设计配比在药剂桶中配置完成，注浆时先将打孔注浆管压入预定标高(镐头机和小型手动震动器配合)，然后通过流量计进行注浆量的控制。现场深度2.0 m的注浆孔，因土层主要为杂填土层及少许的粉质黏土层，杂填土中土壤孔隙较大，一次连续注入即可达到设计量；深度5.5 m的注浆孔，因土层主要为粉质黏土层及少许的淤泥质粉质黏土层，相较于杂填土，土壤孔隙率较小，渗透性较低，通过一段时间的注入后，若浆液从孔中或其它地方冒出，此时需暂停注浆，并进行注浆管的提升(每次提升高度不超过5 cm，累计提升不超过30 cm)，3 h后再继续注浆，以此反复，确保注入量达到设计量。

(6)鉴于注浆孔周边存在建筑物基础、土层孔隙率差异较大的特征，施工过程中需根据实际情况(注浆速率、冒浆、串浆等)对上述参数进行微调修正，特别是水灰比和注浆压力，以确保土壤孔隙填充的均匀性和密实度[8]。同时为了保证场地原有建筑物的基础，修复施工过程中需加强对周边保护建筑物的监测，如若出现异常情况立即停止施工，并调整工艺参数等，确保修复工作安全可靠。

4.2 施工流程

根据前文确定的工艺参数，现场在区域Ⅰ布设注浆孔395个，深度为2.0 m，最终累计注入水泥浆液53 t；在区域Ⅱ布设注浆孔222个，深度为5.5 m，最终累计注入浆液93 t。所有孔位的布设均避开建筑物基础30 cm以上。项目现场压密注浆原位固化修复流程图如图2所示。

图2 现场压密注浆流程

4.3 效果评估

4.3.1 评估方式

本项目重金属污染区域经压密注浆-原位固化修复施工后，进行养护，养结束进行现场的效果评估，其中包括修复效果评估和工程性能评估。

(1)原位修复效果评估：严格按照《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则(试行)》(HJ 25.5-2018)的相关要求进行修复后区域的效果评估点位布设。

区域Ⅰ：污染区域内布设4个点位，采集1.8～2.0 m深度范围内的土壤样品，区域边界布设6个点位，分别采集0～0.2 m、1.8～2.0 m土壤样品。

区域Ⅱ：污染区域内布设5个点位，采集5.3～5.5 m深度范围的土壤样品，区域边界布设6个点位，分别采集0～0.2 m、2.8～3.0 m、5.3～5.5 m深度范围的土壤样品。

(2)工程性能评估：在原位修复区域进行采样，于每个区域内任意2个注药孔中间位置布设一个点位，同时在该修复区域外布设一个点位采集相同深度的土壤样品作为工程性能评估的对照样品。

4.3.2 评估结果

对压密注浆-原位固化修复区域目标污染物进行浸出毒性评估结果显示，所有样品检测值均小于验收标准值，修复达标，详见表2。土体工程性能指标检测结果显示，区域内土体的抗压强度均大于周边土体的抗压强度，渗透系数均小于周边土体的渗透系数或≤10～6 cm/s，满足评估要求,详见图3和图4。

表2 目标污染物检测结果

图3 不同深度土体修复后抗压强度对比

图4 不同深度土体修复后渗透系数对比

从图3、4中可以看出，本项目经压密注浆-原位固化修复后，2.0～5.5 m的土壤抗压强度的增长量明显小于2.0 m以浅土壤；2.0～5.5 m土壤渗透性的改善情况也明显弱于2.0 m以浅土壤。原位固化修复方法在2.0 m以浅土壤的修复效果非常明显，自2.0 m开始，随着深度增加，修复效果开始逐渐减弱。但5.5 m以浅的土壤修复效果均可以满足现行的验收标准要求。

5 结论与建议

(1)压密注浆-原位固化修复技术在本项目中的成功应用，取得了较好的工程效果。但在施工过程中，要时刻注意施工反馈信息，并据此对应用参数进行适当调整，可以更加有效的提高修复的质量[9]。

(2)压密注浆-原位固化修复技术适用于污染土体渗透性能较小的粉质黏土的场地，工程实施时应根据现场具体情况调整相关工艺参数，避免造成浪费和二次污染[10]。

(3)压密注浆-原位固化修复技术相比于异位开挖修复技术具有工期短，效率高，费用低的优点，同时克服了其他岩土施工设备在应用中存在的问题，在上海地区重金属污染场地修复中具有较大的应用前景。