盾构渣土余泥处理与应用技术

林珊 夏星宇 罗旭 程从密

（1 广州地铁设计研究院股份有限公司；2 广州大学土木工程学院）

盾构法作为一种全机械化的施工方法，因其施工安全性高、施工效率高、对地面交通和河道通航影响小、环境危害小、受气候变化影响小等特点，在城市地下空间开发、公路隧道建设、地铁隧道施工等领域已被广泛运用。

但不容忽视的是，大量的盾构渣土余泥会在盾构法施工的过程中产生。日本将细颗粒成分高及含水率高的泥状土和泥浆界定为建设污泥，这一类污泥有明确的界定标准，即无法被击实或击实后的锥度仪贯入指数qc小于200kPa，其无侧限抗压强度qu也要小于50kPa。建设污泥必须要按照标准的流程进行无害化处理后，才能进行资源化利用[1]。当然，除了建设污泥，盾构法施工的过程中还会产生砂、砾、砂砾土、硬黏土等低含水率的渣土。通常意义上来说，我国定义的渣土与日本并无二致，本文侧重于讨论盾构余泥部分。

2022年1月住建部发布的《“十四五”建筑业发展规划》指出，要积极推进建筑垃圾的减量化以及建筑废弃物的高效处理与再利用，建立研发、设计、生产、施工、资源回收再利用等一体化协同的绿色建造产业链[2]。盾构渣土余泥作为一种典型的建筑垃圾，其无害化的处理、资源化的发展和综合性的应用具有至关重要的环保价值和社会意义。因此，必须要广泛调研国内外盾构渣土余泥综合性应用的主要产品及推广情况，总结出适合盾构渣土余泥资源化处理和综合性应用的指导方针、理论技术、操作方案和参考案例，开发出更多例如人造板材、烧结砖、免烧砖、陶粒和陶瓷等有价值的盾构渣土余泥资源化产品。

1 盾构渣土余泥的理化性能

盾构渣土余泥的物理性质主要有颗粒级配和含水率两大方面。当黏土颗粒的粒径小于5μm 时，因为其表面电性而生成的结合水较难直接受重力影响而排出。倘若此类黏土颗粒含量超过20%，盾构渣土基本呈软泥状，如果没有恰当的加工处理，则无法将其进行资源化利用。而如果渣土的湿基含水率大于50%，则其基本也呈现为泥状，通常也需要一定的改性方可进行资源化利用[3]。

而分析盾构渣土余泥的化学组成，不同来源渣土余泥的化学成分具有相似性，主要成分都是氧化硅、氧化铝和氧化铁。《珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞开挖渣土资源化利用关键技术研究年度总结报告》中指出，分析泥饼的化学成分及矿物成分，氧化硅的占比高达60%～85%，氧化铝的占比达到5%～18%，氧化铁的占比达到3%～5%。除此之外还有氧化钛、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠等成分。泥饼在经过800℃高温处理后，氧化铝的占比提高到27.12%。

明确了盾构渣土余泥的物理性质和化学组成，还应对其中可能存在的化学污染物质进行监测。除非在经受污染的地层比如化工厂、农药厂等附近进行盾构施工外，通常天然地层中是不含有污染物质的，因此只须针对盾构渣土中的泡沫剂、絮凝剂、分散剂等添加剂进行监测即可。这些添加剂对于环境的影响均不容小觑，值得警惕[3]。

2 盾构渣土余泥的形成与预处理

盾构渣土余泥既包括细颗粒成分高、含水率高的泥状土和泥浆，也包括砂、砾、砂砾土、硬黏土等低含水率的渣土，本文侧重于探讨盾构余泥的部分。针对盾构渣土余泥进行恰当高效的预处理，是实现盾构渣土余泥资源化利用的关键一步。本文详细介绍了盾构渣土余泥的形成，也对盾构渣土余泥的预处理技术及工艺进行了相应的整理，主要包括脱水技术和除铁技术等。

2.1 盾构渣土余泥的形成

盾构法施工的过程中，会形成大量的泥状土和泥浆。土压平衡盾构往往会形成大量的泥状土，而泥水加压盾构则会形成大量的泥浆。在基坑开挖中遇到淤泥软黏土的时候，渣土尤其会呈现出泥状[4]。

刘志峰[5]在深圳地铁10 号线的施工项目中研发出了一种新型的渣土筛分机器。其中，泥浆过滤装置可以用来分离泥渣与泥浆，泥浆收集池可以用来收集经过过滤的泥浆和水，而泥浆脱水设备可以再将泥浆分离为清水和泥饼。至此，经过精细筛分的盾构渣土余泥将可以变废为宝，投入不同领域的资源化利用，例如将泥饼经过简单的加工处理，投入绿化土的使用等。

2.2 脱水技术

脱水技术包括天然晾晒这种最为简单基本的脱水方法，也包括土工管袋脱水技术、离心脱水技术和板框压滤技术等较为复杂的脱水技术，超声波脱水技术作为一种新兴的脱水技术也正受到广泛关注。

张春雷等[6]指出，土工管袋脱水法利用土工袋帮助淤泥脱水，排出水的土可以用做围堤、填方、筑埝。该方法施工效率高、造价成本低，当淤泥的含沙量较大时非常适用。谭建国[7]指出，离心脱水技术和板框压滤技术本质上都是机械脱水技术。离心脱水机通过螺旋和转鼓的高速旋转产生离心力，促进泥浆中的固态物质运动，从而使得泥浆完成脱水；板框压滤机利用滤框和滤板挤压泥浆，使其强行发生固结排水。同时，谭建国[7]通过分析惠州金山湖清淤工程，提炼出了生产低含水率、高强度泥饼的脱水固化工艺，其可以高效实现渣土余泥的资源化处理。

而近年来逐渐受到关注的超声波脱水技术，主要是利用超声波的声化学性能、海绵效应和混凝作用，使得渣土余泥完成脱水[8]。超声波处理污泥受到超声波频率、声能密度、超声时间、环境pH 值、耦合方法等众多因素影响[9]。韩青青等[10]研究发现，对余泥进行超声波处理可以有效降低其离心后含水率，再加上絮凝剂的耦合作用，其脱水性能将会进一步提高，且此时絮凝剂的用量得以降低，脱水成本得以减少。Li 等[11]使用嬗变功率函数模型来描述超声波崩解污泥的过程，发现在相同的能量输入下，低密度、长持续时间的超声波处理比高密度、短持续时间的超声波处理更有效地分解了污泥。

2.3 除铁技术

盾构渣土余泥的除铁技术也尤为关键，特别是在利用盾构渣土余泥制备陶瓷的资源化利用中，除铁技术更是重中之重。除铁技术有浮选法、磁选法这一类物理方法，也有氧化还原法、无机酸反应法、有机酸反应法这一类化学方法。近年来，微生物除铁法也在悄然兴起。

浮选法是利用矿物表面的理化性质差异，使矿物从矿浆中浮出的方法。磁选法是根据矿物的磁性差异，利用不均匀的磁场实现矿物分离的方法。酸反应法除铁是用无机酸或有机酸与渣土余泥反应，将其中的铁单质和氧化铁转化成可溶性的铁盐，然后再将其从矿物中分离出来的方法。

乔国龙等[12]进行了有关盾构渣土余泥的除铁技术研究，研究发现利用磁选法除铁时，前15 分钟除铁效果良好，铁含量急速下降，但时间越久效果越差，至45 分钟左右时除铁率达到26.64%，而后铁含量几乎不再下降，因此这类方法适合去除盾构渣土中的铁单质，不适合用作铁的化合物的清除。而利用浓度为0.5mol/L 的草酸进行盾构渣土余泥的除铁时，在4 小时左右除铁率为77.37%，渣土余泥中的铁含量降到最小值。Das, P等[13]研究利用丙烯腈加合物去除亚铁离子，除铁率高达95.31%。李冬等[14]研究了低温生物除铁工艺，通过实验表明800mm 厚的成熟生物滤层在7m/h 左右的滤速下可以实现深度除铁。

3 盾构渣土余泥的综合利用

近年来，国家出台了一系列文件强调要积极推进建筑废弃物的高效处理与再利用，建立研发、设计、生产、施工、资源回收再利用等一体化协同的绿色建造产业链。这些要求都是基于习近平总书记在党的十八届五中全会上提出的创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念而制定的。盾构渣土余泥可以进行资源化的发展和综合性的应用，特别是利用其潜在水硬性制备免烧陶粒、免烧砖、水泥矿粉等，或是制作陶瓷、陶粒等烧结类的产品，具有很高的市场前景[15]。

3.1 盾构施工辅助材料

在盾构法施工的过程中，盾构壁后注浆是极为重要的一步。由于盾构管片拼装完毕后，管片与土体之间还会存在一定空隙，此时就需要通过壁后注浆填充空隙，使管片尽快支撑地层，防止管片和土体的沉降，以免因地面变形过大而造成不可估量的危害。在其中，注浆材料的选用尤为关键。李雪等[16]的研究指出，在细砂层中使用盾构掘进泥浆制备的浆体能够实现同步注浆材料的基本性能。王涛等[17]开展了利用废弃泥浆生成同步注浆材料的相应研究，研究发现当泥浆的固水比增大时，砂浆的强度也会随之提升，但其流动性将会降低。与新配制的膨润土泥浆相比，废弃泥浆制备出来的砂浆流动性更好，但其泌水率较高，强度也较低。因此可考虑将部分量的新配制膨润土泥浆用废弃泥浆来代替。

同时，盾构渣土余泥还可作为掘进泥浆循环利用，掘进泥浆用以维持挖掘面的稳定，提高土体的强度。姜腾等[18]研究发现密度为1.12g/cm3、黏度为20s 的淤泥黏土与增黏剂的混合泥浆可在粉细砂地层中生成泥皮型泥膜，这使得地层渗透系数降低，泥浆滤失量减少。王建华[19]也指出，压滤处理后的泥浆会产生大量无色、无味的透明尾水，这些尾水配置的黏土泥浆和增黏剂、膨润土浆混合后可得到泥膜质量较高的掘进泥浆，它可以高效阻止泥浆中的水渗入地层，保证开挖面在施工过程中处于长期稳定的状态。

3.2 利用其潜在水硬性

由于盾构渣土余泥的潜在水硬性，其通常可用于制备免烧砖和免烧陶粒。与需要大量能源消耗的烧结类产品不同，免烧砖和免烧陶粒等产品具有高度的实用性、低碳性和环保性。

免烧砖在生活中应用广泛，可以用作墙体砖、路面砖、护坡砖等等方面。Chen 等[20]以盾构渣土余泥为基础材料，掺加石灰、水泥、粉煤灰和聚乙烯醇等制备出免烧砖，并研究了不同成分不同掺量对其基本性能的影响。研究得出结论，当石灰掺量为10%，水泥掺量为5%时，免烧砖的整体抗压强度会随着粉煤灰掺量的增加而显著提高，最大可达到13.69 MPa。而微量聚乙烯醇的掺入虽然一定程度上损害了抗压强度，但15 次冻融循环后的强度损失率和质量损失率也明显降低了。刁智琴等[21]结合长沙地铁3号线施工项目开展研究，发现相较于掺入粉煤灰的细粒盾构渣土免烧砖，掺入粒化高炉矿渣的免烧砖抗压强度更高，25 次冻融循环后的质量损失也更小。

段凯强等[22]以赤泥和粉煤灰为主要材料，制备出可吸附磷和氟离子的免烧陶粒，并通过响应曲面确定了该陶粒的最佳解体率是4%。李大山等[23]以渣土余泥为原料制作了高强度的免烧陶粒，研究发现砂土和黏土混合形成的渣土最有利于高强度陶粒的制备，硬化剂的掺量和养护温度也对陶粒的基本性能产生影响，渣土余泥的颗粒能够有效结成致密整体的主要原因是硬化剂水化产物的黏结和间隙填充作用。李杰等[24]以具有火山灰反应胶结硬化机制的硬化剂为胶结料，以盾构渣土余泥为原料，采用对辊挤压成型方法制备免烧陶粒样品，研究发现免烧陶粒各个龄期的筒压强度随着胶土比的增大而增大。

3.3 烧结类

盾构挖掘时产生的渣土余泥也可以用于制备烧结砖、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等需要烧结的产品。这种资源化利用不仅可以积极保护生态环境，而且此类产品的市场前景广阔。

由于盾构渣土余泥中富含铝硅酸盐成分，因此利用其制作烧结砖是切实可行的。卢红霞等[25]以高石英含量的建筑渣土为基础，混合建筑废玻璃和高炉矿渣，制备出了高性能的烧结砖，当建筑渣土的占比80%时，其抗压强度达到89.37MPa。

陶粒也是常见的盾构渣土余泥资源化产品，有着较好的隔热、保温、耐火、抗冻、耐久、抗渗性能，利用渣土余泥制备不同密度等级和粒径的陶粒也在近些年得到了广泛的研究。万文豪等[26]研究了不同的助熔成分对工程渣土烧制轻质陶粒性能的影响，结果发现MgO、CaO及Na2CO3均可明显改善陶粒的烧胀效果，不同的助熔成分对晶相组成和液相性质的影响不同，从而改善陶粒的烧胀效果也不同。罗树琼等[27]利用微波烧结技术制备拜耳法赤泥渣土陶粒，研究发现当赤泥掺量为20%，烧结温度为1100℃时，陶粒的各项性能较好。

盾构渣土余泥还可以用来制备多孔陶瓷和仿古陶瓷。Adylov, G.T.等[28]的研究结果表明，采用矿物成分接近标准细陶瓷浆料成分的非传统矿物原料，可以获得具有良好化学性能和热机械性能的陶瓷材料。Zhang等[29]利用由煤矸石煅烧而成的高岭土和污泥成功制备了多孔陶瓷砖，当污泥含量为30%时，陶瓷砖具有最高的抗压强度、抗折强度和较高气孔率。乔国龙等[12]研究发现物理磁选除铁技术和化学反应除铁技术均对降低盾构渣土中的铁元素含量，提升陶瓷的白度有一定积极作用。特别是使用草酸浸泡的化学反应除铁技术，可使陶瓷的白度达至31.43%。有一些仿古陶瓷产品无须除铁亦可烧制，由于原料中的铁元素含量较高，烧制出来的陶瓷为黑褐色。

4 结语

本文着重介绍了盾构渣土余泥的理化性能，包括其颗粒级配、含水率、化学组成及其可能存在的化学污染物质。明确了盾构渣土余泥的理化性能，就必须针对盾构渣土余泥进行无害、高效的预处理，这些预处理技术包括土工管袋脱水技术、离心脱水技术、板框压滤技术和超声波脱水技术等脱水技术，也包括浮选法、磁选法、氧化还原法、无机酸反应法、有机酸反应法和微生物除铁法等除铁技术。

正因盾构渣土余泥的资源化发展和综合性应用具有至关重要的环保价值和社会意义，所以学界一直致力于研究渣土余泥有发展前景的资源化利用途径。其中包括将渣土余泥用作壁后注浆材料、掘进泥浆等盾构施工的辅助材料，也包括利用其潜在水硬性制造免烧砖、免烧陶粒等产品。烧结砖、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等烧结类的产品也是盾构渣土余泥常见的资源化利用方向。

盾构渣土余泥的高效处理与再利用是建立一体化协同的绿色建造产业链的具体领域。无论从市场前景的角度考虑，还是从环保事业的视角思考，我国都必须高度重视盾构渣土余泥等建筑废弃物的资源化发展和综合性应用。