盾构渣土资源化处理与多元化应用

2024-05-20夏星宇阮艳妹程从密宋辰峰

广东土木与建筑 2024年3期

林珊，夏星宇，阮艳妹，程从密，宋辰峰

（1、广州地铁设计研究院股份有限公司广州 510010；2、广州大学广州 510006）

1 概述

盾构法是一种全机械化的施工方法，该方法一边让盾构机在地下稳步推进开挖土体，一边通过盾构机的外壳和管片支撑着周围的岩体以防崩塌。为了开发城市的地下空间，盾构法因其效率高、安全系数高、机械化程度高等特点被广泛使用。但不可避免的是，在盾构施工的过程中会产生大量盾构渣土等建筑垃圾。

国家“十四五”建筑业发展规划中明确提出，要推动建筑废弃物的高效处理与再利用。2019年1月21日，国务院办公厅发布了《“无废城市”建设试点工作方案》，全国各地正在加紧落实。结合广州市建设“无废城市”的工作需要，针对广州市的盾构渣土进行资源化处理与多元化应用显得刻不容缓。

为满足社会发展和环境保护需要，必须开展广州市盾构渣土的分类及理化性能研究，建立适用于广州市复合地层的盾构渣土分类准则。同时要研发各种盾构渣土的预处理工艺，完善盾构渣土资源化处理的相关理论，结合广州市的实际情况推动技术创新，为广州市盾构渣土的资源化处理提供理论指导、技术支撑、实施路径和案例参考。

当然，最重要的是广泛调研目前国内外各主要地区盾构渣土多元化应用的主要产品及推广情况，根据广州市盾构渣土的资源化分类及市场需要具体问题具体分析，提出贴合广州市实际情况的盾构渣土资源化产品创新及产业化建议，研究进一步利用盾构渣土制备人造板材、烧结砖、免烧砖、陶粒和陶瓷等新型盾构渣土高值利用产品的方法策略。

2 盾构渣土的理化性能与分类

盾构渣土的理化性能，就是指其在物理性质和化学性质方面的有关指标和参数。《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，根据泥饼的化学成分及矿物成分分析，不同来源渣土的化学成分具有相似性，氧化硅的占比高达60%～85%，氧化铝的占比在5%～18%，氧化铁的占比在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，氧化铝含量提高到27.12%。

目前，我国针对盾构渣土并没有明确的规范或行业上的分类。通常意义上，可根据渣土的来源，将盾构渣土分为土压盾构渣土、泥水盾构渣土、地下连续墙渣土和基坑渣土，城市地铁工程大多使用土压平衡盾构施工。值得注意的是，就算是同一来源的渣土，也可能会因为原地层的土体性质、施工工艺以及扰动程度等的差别，在工程性质、处理工艺、综合利用等方面有着显著的差异，因此理应对其进行进一步的细化分类［1］。

朱伟等人［1］参考了日本的《建設発生土利用技術マニュアFI》［2］，对盾构渣土进行了更为细化的分类，其中包括砂砾（粗颗粒的卵石、砾石、砂）、砂砾土（砂、砂土）、硬黏土（砂土、粉土、部分黏土）、黏土（黏性土，含水率40%～80%）、渣泥（黏土、粉土颗粒，含水率通常大于80%）以及泥浆（呈液体流动状）六类。只有对盾构渣土进行了细致、明确的分类，才能针对性地找到适合不同样态盾构渣土的利用途径，更加有效地对其进行无害化的工程处理和资源化的综合利用，从而物尽其用、化废为宝，建设美丽清洁的城市和资源节约型社会。

3 盾构渣土的预处理技术

考虑到盾构施工技术未来发展的前景，借鉴国内外对于盾构渣土的处理工艺，本文对盾构渣土的预处理技术进行了整理，包括渣土分选技术、土性改良技术、脱水技术和除铁技术等。

3.1 渣土分选技术

通过简单筛分就能作为材料进行直接利用的盾构渣土，通常属于砂砾、砂砾土、硬黏土、黏土这几类渣土。

盾构渣土是否需要经过筛分，当然要视渣土的级配情况而定。若渣土中可利用的组分较多，则进行简单的筛分即可。若渣土中混有黏土、渣泥或是泥浆，则必须利用洗砂设备对其进行清洗。若渣土中可直接利用的颗粒含量很少，则可以直接碾压用作建筑材料和土材料［1］。

刘志峰［3］结合深圳地铁10号线施工项目，研发出了一种新型的渣土筛分机器，该机器的主要特征是利用不同孔径的过滤网对盾构渣土进行筛选分离，从而得到不同级配的粗细颗粒和泥浆。该机器效率高、成本低、简易安全且可靠。

化学絮凝法也具有较高的效率和收益，可以有效地减少泥浆处理的工作量。吕林海等人［4］通过实验研究了化学絮凝法中泥浆分离效果受何种因素影响，最终发现絮凝剂浓度对于分离效果的影响最大，泥浆的pH值次之，搅拌速度影响最小。

3.2 土性改良技术

对于含水率较高的盾构渣土，若要投入资源化利用，土性改良是非常必要的。而土性改良技术一般有改良碾压处理技术、碾压型固化处理技术、浇筑型固化处理技术和轻质型固化处理技术等。

改良碾压处理技术主要针对黏土和渣泥，虽然其含水率较高，但依旧能够进行碾压施工。如果土体性质不能满足工程需要，可以考虑将水泥、石灰或其他改性材料添加到渣土中再碾压，以满足实际工程的需求。而碾压型固化处理技术主要针对渣泥这一类不能直接进行碾压而需要经过固化处理的盾构渣土。固化处理时在渣土中添加具有水硬性的材料，使得渣土中的自由水变成凝胶态，这有助于粘结土颗粒，改善渣泥的性质。浇筑型固化处理技术主要针对渣泥，也适用于砂砾土、硬黏土、黏土这几类盾构渣土，该技术就是用渣土、水泥、水的混合物直接浇筑。浇筑型固化处理技术所需要用到的固化材料相较于碾压型固化处理技术要更多，毕竟浇筑型固化处理时渣土的含水率更高，强度也就更难保证［1］。

当然，近年来也流行第四种土性改良技术，即轻质型固化处理技术。此类技术往往在碾压型固化处理中添加EPS 泡沫塑料颗粒［5］，或是在浇筑型固化处理技术的搅拌中添加特制气泡使土中产生均匀孔隙［6-7］，从而得到轻质高强的填土。

龚振宇等人［8］为了解决盾构施工中刀盘结泥饼的问题，研究了分散型泡沫剂对于盾构渣土的改良效果。研究发现当分散型泡沫剂的浓度增加时，其发泡倍率也随之增加，最佳发泡倍率出现在0.3 MPa 的发泡压力下，分散型泡沫剂能有效解决盾构渣土的饼化问题。黄逢源等人［9］也针对富水砂层的盾构渣土进行了改良实验，研究表明当使用浓度3%的泡沫剂溶液和配合比为1∶8的膨润土泥浆时，土性改良效果较好。

3.3 脱水技术与除铁技术

对于盾构渣土，预处理技术还包括脱水技术和除铁技术两大方面。

脱水技术包含的范畴相当广泛，其中最基本也最简单的方法是天然晾晒。此外，还有土工管袋脱水技术、离心脱水技术和板框压滤技术等更为复杂的脱水方法［1］。

除铁技术在盾构渣土余泥的预处理中也至关重要，物理方法如浮选法和磁选法等可以用于去除铁矿物，而化学方法如氧化还原法、无机酸反应法和有机酸反应法等也是常用的除铁手段。此外，微生物除铁法近年来也正应运而生。在利用盾构渣土余泥制备陶瓷的资源化利用中，除铁技术的重要性则更为凸显［10］。

4 盾构渣土的综合利用

2019年1月21日，国务院办公厅发布了《“无废城市”建设试点工作方案》［11］。习近平总书记在党的十八届五中全会上提出，我国要深入贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，“无废城市”的建设正是以新发展理念为纲领，持续推进固体废物的资源化处理和多元化应用，力求推动城市的绿色发展。盾构渣土的多元化应用，除了填埋土地、填海造陆、山体修复等传统的利用方式外，还可以在加工处理后用作混凝土、人造板材、烧结砖、免烧砖、陶粒、陶瓷等的制作［12-13］。

4.1 直接利用

盾构渣土的体量巨大，难以彻底清除，最常见的资源化利用方向当然是“来源于土，还原于土”，将盾构渣土用作土材料是最为普遍的。回填土利用、充填土利用、堤防利用、路基利用和绿化种植土利用等是较为多见的盾构渣土资源化利用途径［1］。

赵涛等人［14］分析了盾构渣土的特性，通过渣土改良试验，探索出了盾构渣土的绿色应用途径。其中明确指出，由砂卵石地层而来的骨料适用于填充城市道路的路基，而由软弱地层而来的骨料适用于基础工程，用以增加桩端的面积和对软土地基进行加固处理。ZUBAIR 等人［15］经过实验得出结论，在盾构施工中被浪费掉的红土矿适合用于道路地基施工，且掺入石灰进行改性的红土矿性能更好，比掺入水泥的沉积土更适合作为道路基础。郭沁颖等人［16］的研究也表明，盾构渣土经过石灰、脱硫石膏等材料的改良后，其力学性能、水稳性、耐久性均可得到较好的改善，可以用作路基填筑。

尹曾甫等人［17］的研究指出，工程渣土经过泥砂分离工艺残存下来的泥饼经过捣碎、搅拌、养护等程序，可制作成园林绿化土。当然，用作园林绿化土的盾构渣土在pH 值、全盐量、有机质含量和水解性氮含量等方面要严格满足环保要求。ZHANG 等人［18］的实验也表明泥水盾构渣土以及含粉煤灰的泥水盾构渣土十分适合作为黑麦草的土壤基质。

4.2 骨料类

盾构渣土在进行预处理之后，会形成不同级配的骨料，这些骨料常常用于普通混凝土、自密实混凝土、透水混凝土、砂浆和人造板材等的制备，是良好的建筑资源。

魏成娟等人［19］研究了渣土掺量对C30 混凝土性能的影响。研究结果表明，随着渣土掺量的增多，混凝土的初始坍落度和坍落度损失都会下降，混凝土的孔隙会增多。研究也发现，含有渣土的混凝土抗压强度不如基准组，只有当渣土掺量是水泥的10%时，其28 天的抗压强度才与基准组基本接近。王海良等人［20］也在研究中进一步得出了结论，加入渣土可以有效改善C30 混凝土的抗渗性能，特别当渣土掺量是水泥的15%时，其抗渗性能达到最优。但是刘春等人［21］研究渣土掺量对C50 混凝土性能的影响时，得出了与上述研究很不一样的结论。含有渣土的C50 混凝土虽然早期强度不如基准组，但28 d 的抗压强度均高于基准组，尤其当渣土掺量是水泥的7.5%时最高。同时，掺入的渣土越多，C50混凝土的孔隙越少。王海良等人［22］又研究了不同制备工艺下掺入工程渣土的混凝土的性能，发现掺入渣土的混凝土在渣土浆代替法下的强度要高于渣土直接代替法，且在粗细骨料全造壳工艺的制备下，混凝土28 d 的强度能达到41.8 MPa的最高强度。

盾构渣土也可用于制作人造板材。肖家冬等人［23］采用含有干渣土的膨胀聚苯乙烯轻质混凝土制作复合夹芯墙板，该墙板粘结性能较好，其抗压强度和耐火极限等指标均符合国家标准要求。

除此之外，将盾构渣土用作盾构施工的辅助材料，例如用作壁后注浆材料或是配制掘进泥浆，也是较为常见的利用方式。这样的资源化利用可以现场实现，以免盾构渣土在转运过程中带来环境的污染［13］。

4.3 利用其潜在水硬性

盾构渣土由于具有一定的潜在水硬性，往往可以用于免烧砖、免烧陶粒等的制备。免烧砖、免烧陶粒等产品实用性高、低碳环保，不像烧结类的产品需要消耗大量能源。

学校招待所模式虽然能够较好地服务于学校的学术交流，但从风险防范和经营效益等方面来看，该模式存在较大的缺陷，主要表现在：

CHEN 等人［24］以盾构渣土为基质制备了免烧砖，当石灰掺量为10%，水泥掺量为5%时，随着粉煤灰掺量的增加，该免烧砖的整体抗压强度显著提高。王树英等人［25］通过实验探究了盾构渣土免烧空心砖的抗压强度和耐水性能，研究发现掺入固化剂或石灰的免烧砖，其单轴抗压强度都得到了一定的提高，但如果石灰添加过量则会适得其反。除此之外，水玻璃也能提高免烧砖的强度，不过会造成其耐水性能在一定程度上降低。

李大山等人［26］以渣土为原料制作了高强度的免烧陶粒，并详细研究了渣土的组分、养护的温度和硬化剂的掺量对其性能的影响。研究得出结论，以砂土和黏土混合形成的渣土最有利于高强度陶粒的制备，硬化剂的掺量也对陶粒的筒压强度影响颇大，而提高养护温度则可以提高增强陶粒强度的速度。张卓等人［27］以盾构渣土、水泥等为原材料，在室温环境下成功制作出强度较好的免蒸免烧陶粒，并通过重金属离子浸出实验，对比了该陶粒和纯渣土的重金属离子最大浸出量。研究发现陶粒中的重金属离子最大浸出量是纯渣土的一半左右。由此可见，该陶粒能有效固化重金属离子，对于保护城市的水体质量有着切实的好处。

但郭卫社等人［28］指出，我国目前虽已掌握了利用盾构渣土制作高强高密度陶粒的技术，但由于工艺水平的限制和经济成本的制约，该技术尚未达到规模化的发展。

4.4 烧结类

盾构渣土还可以用作制备烧结砖、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等烧结类的产品。这样的资源化利用既对生态环境的保护起着积极的作用，同时也能化废为宝、节约资源。

正因为盾构渣土中富含铝硅酸盐成分，所以利用其制作烧结砖就具有了较高的可行性。马载红等人［29］通过实验分析了废弃土在制作烧结砖方面的优势，利用盾构渣土制作烧结制品是切实可行的。卢红霞等人［30］以建筑渣土、建筑废玻璃和高炉渣为原料制备了高性能的烧结砖，其中建筑渣土的占比为80%时，作为烧结砖的主体骨架最为合适。

近年来，陶粒凭借其密度低、质量轻、孔隙率高的特点和优良的隔热、保温、耐火、抗冻、耐久、抗渗性能，在全世界得到了快速发展和广泛应用。而利用渣土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［31-32］。谢发之等人［33］以地铁盾构渣土、稻草秸秆和氧化镁等为主要原料，利用烧结法制备了一种盾构渣土基碳复合陶粒，并研究了其除磷性能。研究结果表明，最佳烧结温度为700 ℃，且盾构渣土、稻草秸秆粉末和氧化镁的质量比为7∶2∶1 时，制作出来的陶粒除磷性能最佳。

而原料中的铁含量过高会严重影响陶瓷的白度和性能，陶瓷原料中铁元素含量在0.5%左右最为合适。乔国龙等人［10］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，可以使陶瓷的白度达到31.43%。较高铁元素含量的盾构渣土可以用于烧制仿古陶瓷，烧制出来的陶瓷为黑褐色。