摘 要：为形成对盾构渣土资源化再利用技术进展、挑战与创新的系统认识,介绍了国内外盾构隧道渣土的分类再利用标准,详细总 结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料与工程填筑材料的再利用技术。 阐明分析了盾构渣土资源化 再利用技术在标准、方法、设备、市场效益等方面仍存在细化、优化、规模化、产业化的挑战,构建了“再利用方式初判—盾构渣土分 级处理—渣土再利用可行性评价—再生产品性能与市场效益评估”的盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程。 重点阐述了盾构 渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术,提出了盾构渣土在壁后注浆材料中的分级再利用标 准、渣土再生产品性能优化的多目标规划技术、盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性试验方法、盾构渣土制备免烧空心砖的 工艺流程与参数优化等新思路。 最后,对我国盾构渣土资源化再利用技术与产业发展趋势进行了展望。

0 引言

随着城市地下空间开发的高速发展,盾构法作为一种具有高效、安全、机械化程度高等优点的施工方法,已被广泛应用于轨道交通、市政公路、城市综合管廊等工程建设中。 与此同时,盾构隧道施工过程中产生的工程渣土也在逐年陡增,仅 2020 年长沙市盾构渣土生产总量便高达 598 万 t,全国在建的地铁盾构隧道产生的渣土总量已突破 2.25 亿 m3,渣土处置费用预计高达 582 亿元,大量未经处理的盾构渣土已成为阻碍城市盾构隧道安全高效建设的一大难题。 自“十三五”规划实施以来,我国积极推进落实建筑垃圾源头减量与资源化利用的相关政策,并逐渐形成了建筑垃圾资源化利用的产业体系及行业标准。 然而,盾构隧道渣土是一种含有黏土矿物、发泡剂、高聚物改性材料的高含水率、低渗透性流塑状土,其成分组成与理化特征上的特殊性使其难以完全沿用传统建筑垃圾的消纳处置与资源化再利用方式。

目前,我国盾构隧道工程渣土的产量巨大,但其资源化再利用的技术标准与产业规模却相对滞后,处理方式仍以堆放、填埋为主,已引发一系列施工问题,乃至环境、安全的次生危害: 1) 我国工程渣土处置管理要求严格,盾构隧道渣土产量高、占地面积大,但施工中可用于临时贮存渣土的场地十分有限,渣土管理难以满足城市环保管制规定,导致停工整改或处罚,严重影响施工效率; 2) 渣土产量超过现场贮存能力后需要外运处置,运输过程中难以避免扬尘、遗撒现象,在堤塘、河道随意倾倒盾构渣土的违规处置现象也时有发生,造成了市容破坏并带来交通安全隐患; 3) 未处理的盾构渣土外运堆积在消纳场地中,不同地层物源的盾构渣土在含水率、渗透性、颗粒组成与易蚀程度上存在较大差异,其堆填体内部不均匀性显著,降雨条件下易形成饱水软弱滑带,导致坡体失稳; 4) 盾构渣土中含有部分改性添加剂,渣土长期处于露天堆置状态,地表水入渗会将各种添加剂成分带入土壤中,污染水土环境。 为此,考虑到盾构渣土对隧道施工、城市环境及居民出行带来的诸多影响,开展盾构隧道工程渣土资源化再利用技术研究具有重要的现实意义与应用价值。

本文总结梳理了盾构渣土资源化再利用技术的发展与创新,详细介绍了国内外盾构渣土的分类再利用标准及其作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料、工程填筑材料的再利用技术进展,分析阐明了目前盾构渣土资源化再利用技术仍面临标准、方法、设备、市场效益等方面的挑战,构建了盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程。 随后,重点介绍了盾构渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术。 结合既有技术在分类再利用标准、再利用可行性分析、工艺与产品性能优化方法等方面的不足,提出了盾构渣土在壁后注浆材料中的分级再利用标准,讨论了渣土再生产品性能优化的多目标规划技术及应用,介绍了盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性试验方法,提出了盾构渣土制备免烧空心砖的工艺流程与参数优化思路。 研究成果对进一步提高中国隧道与地下工程的绿色建造水平,实现“碳达峰”“碳中和”的生态文明建设愿景具有积极的意义。

1 盾构渣土资源化再利用现状

1.1 盾构渣土的分类再利用标准

盾构渣土是盾构隧道掘进产生的工程渣土及工程泥浆的总称。 在土压平衡盾构中,刀盘切削会产生与原地层性质相似的工程渣土,而在富水地层不满舱施工的特殊情况下,掘削土将与渗入土舱的地下水混合成为工程泥浆。 在泥水平衡盾构中,掘削土在泥水舱内形成泥浆并经排泥泵输出至地表泥水分离系统,经筛分、旋流分离、机械脱水等预处理环节,得到不同粒径组成与不同含水状态的各级工程渣土及工程泥浆。 针对工程渣土与工程泥浆,日本学者提出了200 kPa 击实后锥度仪贯入指数与 50 kPa 无侧限抗压强度的界定标准,认为大于该值的渣土与小于该值的泥浆应分别视为“工程副产物”与“建设污泥”进行处置与再利用。 朱伟等[13] 在此基础上根据颗粒组成、击实后锥度仪贯入指数、含水率、流动状态,将工程渣土与工程泥浆细分为 6 个等级,并提出了各自适用的再利用方式。 我国现行的 DBJ 43/T 515—2020《湖南省盾构渣土处理技术标准》指出,工程渣土与工程泥浆可通过集中处理工厂分级处理为砂石集料与干化土,其中砂石集料可作为再生建筑材料或用于回填,干化土可用于制砖或作为道路工程原料,并对再生产品的性能提出了建议指导。

由于不同的初始地层条件与施工方法也会导致盾构渣土性能的差异,如地层条件的差异会导致渣土颗粒在粒径级配、矿物成分、颗粒形态、强度与耐久性等特征上有所区别,而施工方法的区别也会影响各级渣土的理化特性,因此,集中处理后的砂石集料与干化土存在进一步细化分类的空间。 20 世纪 90 年代以来,奥地利、意大利、瑞士等国家的研究人员在工程实践中总结出多种分类再利用体系,其中最具有代表性的是 Oggeri等结合隧道开挖方法与初始地层条件所提出的涉及钻爆法与盾构法施工的隧道渣土分类方法,其中有关盾构隧道渣土的分类标准及建议再利用方式如表 1 所示。

表 1 盾构隧道渣土的分类标准及建议再利用方式

值得关注的是,盾构隧道施工时常用的渣土改良剂往往混合在盾构渣土中,如泡沫剂、分散剂、黏土矿物、絮凝剂等。 其中,泡沫剂主要包含表面活性剂成分,分散剂多为纤维素衍生物、聚羧酸盐等化学添加剂,絮凝剂多为聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素等药剂。 在上述改良剂的作用下,盾构渣土的流塑性、强度、黏附性、压缩性等物理力学性能发生显著改变。 表 2 示出了典型黏性、非黏性渣土在改良剂作用下的典型物理力学性能变化情况。 这些性能变化往往利于盾构施工,但对于盾构渣土的再生利用而言,应根据不同的改性结果,分类考虑合适的再利用方式。 然而,目前国内外尚未形成有关此方面的系统分类指导。

表 2 盾构渣土在改良剂作用下的典型物理力学性能变化

1. 2 盾构渣土的再利用途径与技术进展

1. 2. 1 盾构施工辅助材料

将盾构渣土作为盾构施工辅助材料进行再利用是一种有效的现场资源化利用途径,可以避免渣土转运带来的次生污染,具有经济、高效等优点。目前,常见的盾构施工辅助材料再利用方式包括盾构渣土在壁后注浆材料中的再利用与盾构渣土配制掘进泥浆 2 类。

1. 2. 1. 1 盾构渣土在壁后注浆材料中的再利用

盾构施工中常采用由水泥、粉煤灰、水、膨润土与砂骨料等原材料组成的单液活性浆材作为壁后注浆材料。在盾构渣土中,砂土、黏土是常见组分,其中砂土具有替代壁后注浆材料中砂骨料的可能性,黏土具有替代膨润土的可能性。 近年来,关于盾构渣土在壁后注浆材料中的再利用研究主要围绕具体工程案例开展,表 3 示出代表性案例中的盾构渣土再利用方案及性能指标。

表 3 盾构渣土在壁后注浆材料中的典型再利用方案及性能指标

研究表明,利用工程渣土或工程泥浆的盾构壁后注浆材料各项指标基本可以满足现场应用要求,但注浆材料的强度、流动度等工作性能仍存在优化空间。钟小春等[24]以渣土中粉黏粒与砂粒含量比为影响因素进行试验,指出浆液密度、稠度、凝结时间、强度等均随其变化而改变,并提供了地层不均匀时壁后注浆材料配比的调整思路;郝彤等[25]通过单因素试验得到了注浆材料可泵性、和易性受渣土掺量与水胶比的影响规律;Zhou 等[26]以胶砂比、粉灰比为变量进行了 5 组单因素试验,并得到了性能最优组;杨钊等[27] 采用正交试验对水胶比、粉灰比、砂胶比、泥浆相对体积质量4 个因素进行了单因素影响分析。 一方面,上述研究多停留在单因素影响下的性能变化规律分析上,未考虑多因素的交互作用,难以获取多因素影响下的工作性能最优值;另一方面,如表 2 所示,不同地层条件下盾构弃渣的再利用方案以及注浆材料的理想工作性能有显著差异,而如何根据某类施工方法与地层条件,分类选择合适的再利用方案,确定浆液材料的最优工作性能目标,并结合市场效益目标进行多目标的配比优化,是相关研究仍待深入的方向。

1. 2. 1. 2 盾构渣土配制掘进泥浆

泥水平衡盾构中泥浆的成膜性能是维持开挖面稳定的重要影响因素。 高质量的泥浆通常采用膨润土配制,而泥水平衡盾构渣土中含有大量的黏性成分,可采用合理配比替代膨润土进行掘进泥浆配制。 目前,盾构渣土在掘进泥浆中的再利用研究主要围绕工程实践开展。 如张亚洲等[28] 依托南京纬三路过江通道穿越粉细砂地层段,采用淤泥质粉质黏土弃渣与增黏剂配制了密度为 1. 12 g / cm3、最佳漏斗黏度为 20 s 的掘进泥浆,在施工中可以形成致密的泥皮型泥膜;孔玉清利用南京长江隧道盾构在粉细砂、砾砂地层掘进中产生的黏土弃渣,结合膨化膨润土泥浆与高聚物制浆剂调整黏度,制备出密度为 1. 18 g / cm3、漏斗黏度为 23 s 的掘进泥浆,并成功应用于渗透性较高的砾砂地层;张宁等通过泥浆成膜试验,提出了粉细砂、中粗砂、砾砂、圆砾地层中泥浆成膜的密度、黏度指标及渣土泥浆的配比建议。 然而,掘进泥浆的密度、稠度要求通常随地层特征的改变而变化,利用渣土制备掘进泥浆时如何及时调整渣土掺量是关键问题。 此外,考虑到盾构掘进需要的泥浆规模有限,还可考虑将黏质盾构渣土在地下连续墙成槽泥浆、灌注桩护壁泥浆的再利用方面开展进一步扩展应用。

1. 2. 2 再生建筑材料

1. 2. 2. 1 盾构渣土制备再生骨料

将满足一定性能特征的砂石颗粒回收利用为再生骨料,进一步以再生骨料作为原材料生产混凝土、砂浆、骨料砌块等,是较早开展大规模研究实践的资源化再利用方式。 奥地利、意大利等国家的研究人员针对粗颗粒制备再生骨料的性能要求进行了系统研究。 其中,Bellopede 等介绍了“REMUCK” 项目中盾构渣土制备再生骨料的实践研究工作,提出盾构渣土的针片状含量与耐磨性是影响其再利用为再生骨料的关键因素,集中处理后渣土的各项性能比现场处理更符合混凝土再生骨料标准;Bellopede 等还指出盾构渣土的碱集料反应程度也是影响其在再生骨料中再利用的重要因素;Voit 等以 Brenner Base 隧道为背景,介绍了盾构渣土作为喷射混凝土与结构混凝土骨料的应用实践,系统测试了再生骨料喷射混凝土与结构混凝土的工作性能,发现钙质片岩渣土可直接应用于混凝土骨料生产,但石英千枚岩渣土由于富含云母的矿物成分,不适合再利用为混凝土骨料。 此外,研究人员逐渐开始关注再生骨料产品在复杂环境下的服役性能,并对再生骨料混凝土的高温、冻融、抗蚀及微生物载具性等进行了深入探索。

1. 2. 2. 2 盾构渣土烧制轻质建筑材料

建材烧制是一种传统的废弃物再利用方式。 对于黏土地层产生的工程渣土与工程泥浆,往往富含黏土矿物及有机质,适用于砖、砌块、陶粒等轻质建筑材料的烧制。 典型的应用案例包括 Mezencevova对Savannah 港口疏浚产生的黏质渣土与天然黏土混合,在 1 000 ℃的温度下烧制出抗压强度为 29. 4 MPa 的烧结砖;王智宇等在 800 ℃的烧结温度下利用泥质渣土烧制出 MU20 强度等级的实心砖; Riley 等提出黏土制备陶粒可行性评估的三相图方法,在此基础上,Chen 等评价了淤泥状渣土进行陶粒再利用的可行性,并总结出黏土制备陶粒的系统流程;张磊等成功研发了 700 ~ 900 kg / m3 密度等级的高性能渣土陶粒;荣辉等通过试验研究了焙烧参数对陶粒堆积密度、吸水率等性能的影响规律。 一般而言,土质地层掘进产生的盾构渣土含有大量的黏性土成分,同样具有成为烧制轻质建筑材料原料的潜力,如谢发之等以盾构渣土、稻草秸秆与氧化镁为原材料,研发出一种水体除磷效果优良的新型盾构渣土基碳复合陶粒。 然而,盾构渣土的烧结重制难免会造成能源的次生浪费,且烧制过程中的碳排放量无法满足环保要求,其广泛推广应用明显受限。

1. 2. 2. 3 盾构渣土制备免烧建筑材料

免烧砖生产一般采用挤压成型,在加压状态下,胶结材料颗粒产生滑动位移,较小的颗粒被嵌入大颗粒的骨架空隙中,使坯体达到高密实度并产生较高的强度。 现有技术一般以开采黏性土或城市淤泥作为基材,以水泥熟料、石膏、石灰等作为固结材料,结合一定的外加剂成分,制成的免烧砖材抗压强度可达 10 ~15 MPa,能够满足工程应用要求。 盾构渣土含有较高的黏质成分,是一种理想的免烧砖基材,将盾构渣土制备为免烧砖既符合现有环保政策要求,又解决了大量盾构渣土的处置难题。

1. 2. 3 植被复垦基质

随着土壤科学、农林科学与工程科学之间的学科交叉融合,研究人员开展了工程渣土及工程泥浆在植被复垦基质或种植土中再利用技术的相关研究。 如Whitaker 等评估了废弃泥浆制备农业复垦基质的可行性,测试了废弃泥浆造成土壤中盐分累计及养分淋失的程度,提出当废弃泥浆用量少于 6 720 kg / hm2且充分考虑降雨与作物生长时机时,盐分累计及养分淋失影响可忽略不计;Zha 等提出采用风化煤与磷石膏对废弃泥浆中污染元素进行固化处理的技术方案,并通过高羊茅草的种植培育说明了风化煤与磷石膏可有效减少重金属与可溶盐含量;郭晶晶等基于正交试验方法提出了一种改良后工程渣土种植基质的最优配比,即 0~ 10 mm 粒径工程渣土结合 9 g 羊粪、220 g 秸秆、6 g 木炭粉;邓川等则将工程渣土再利用至坡面绿化喷播基质中,提出了岩质坡面采用该基质材料时的最优黏合剂与保水剂用量。 近年来,研究人员开始逐渐关注盾构渣土作为植被种植基材的可行性。 如杨海君等分析了香樟树枝堆肥产物与盾构渣土共堆肥的效果,提出园林绿化废弃物与盾构渣土的共堆肥可以有效降解渣土中 AES 改良剂成分,具备处置为种植土的可行性。 总体而言,目前有关盾构渣土再利用为植被复垦基质的研究较少,应用技术尚未成熟,且由于盾构渣土产自具有一定埋深的地层之中,其孔隙特性、化学成分及污染物含量可能与地表弃渣存在差异,其作为植被复垦基质的再利用可行性与工艺技术仍待进一步试验探究。

1. 2. 4 工程填筑材料

1. 2. 4. 1 粗颗粒渣土在工程填筑中的再利用

在合适领域内利用盾构隧道工程渣土进行回填是大规模资源化再利用的有效途径。 对于粗颗粒盾构渣土,经过适当的破碎、打磨与级配调整后即可应用为工程填筑材料。 如 Riviera 等]选取了破碎处理前后阿尔卑斯山区的典型粗颗粒盾构弃渣,采用多种试验方法系统测试了渣土的压实性与静、动力学性能,发现许多在岩性、棱角、形状等指标上无法满足混凝土骨料要求的粗颗粒渣土可分级作为面层、基层与垫层进行填筑再利用;Mlinar 等、Tauer 等结合具体案例,介绍了盾构隧道弃渣在路基填筑中的再利用技术与标准流程;Tokgöz等介绍了将伊斯坦布尔地铁盾构渣土再利用为某废弃采石场蓄水池改造中回填与堤坝砌筑材料的具体方案。

1. 2. 4. 2 细颗粒渣土在工程填筑中的再利用

对于黏土地层产生的工程渣土与工程泥浆,细颗粒含量高,含水率高,多呈流塑状,难以直接应用为工程填筑材料,需要进行一定的固化、固结处理。 固化通常是指利用固化材料的化学反应将泥状渣土中的水分形态进行转化,并利用水化产物的胶结、填充作用将流态渣土转化为填土材料。 传统的固化材料包括水泥熟料、石灰结合粉煤灰、高炉矿渣等工业废渣,亦有研究人员对高分子、纳米等新型固化材料进行研发探索。 近年来,盾构渣土固化回填已在实践中得到大规模应用。 如 Yamana 等研究报道的日本阪神高速大和川线通过石灰固化的方法实现了 950 000 m3 盾构渣 土 在 填 海 工 程 中 的 再 利 用; Tsuchida 等、Watabe 等研究探讨了盾构渣土、水泥熟料、EPS 泡沫制备轻质固化土在沿海护岸工程填筑中的应用。 除此之外,固结排水也是实现泥状渣土再利用的技术途径之一。 常见的固结排水技术包括真空预压法、堆载预压法等,但这些方法对黏粒含量较高的泥状渣土难以发挥理想的效果。 这是因为高流态渣土颗粒间有效应力较低,黏粒与间隙水一起流动,容易造成排水板淤堵不畅。 因此,近年来有学者提出多方法分阶段固结的联合固结方法。 如孙召花等、金志伟等开展的试验研究表明真空预压与电渗方法交替固结渣土的固结速度及脱水效果较传统方法具有显著优势。 此外,部分研究人员跳出固化、固结的传统思路,将高含水率的盾构渣土直接用以制备高流态充填材料并应用于台背、管沟浇筑回填,也是对盾构工程渣土快速资源化再利用的一种积极尝试。

1. 3 盾构渣土资源化再利用技术面临的挑战

2021 年 3 月 18 日,国家发改委与多部门联合颁发了《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》,提出了建筑垃圾绿色、高效、高质、高值、规模化利用的发展目标,着重强调了建筑垃圾在分类处理、再利用效率、再生产品应用、产业模式与规模、相关法规政策等方面仍存在发展与完善的空间。 其中,盾构渣土作为我国建筑垃圾的重要类别,尽管目前已形成了一些资源化再利用的成熟技术,并成功应用于生产实践,但仍与规模化、产业化的目标相距较远,部分技术仍存在细化、优化的空间。 总体而言,我国盾构渣土资源化再利用技术仍面临着以下几方面的挑战。

1. 3. 1 分类再利用标准亟待完善

《施工现场建筑垃圾减量化指导手册(试行)》等政策文件指出,鼓励以末端处理为导向对建筑垃圾进一步细化分类,并提倡遵循因地制宜、分类利用的原则指导建筑垃圾的处置利用。 目前,国内已有部分地方规范提出盾构隧道工程渣土与工程泥浆的分类再利用标准。 然而,既有分类方法多聚焦于盾构渣土产生过程所带来的属性差异,往往忽略了再利用可行性或再生产品性能要求的差别。 以盾构渣土再利用为壁后注浆材料为例,粗粒渣土多用于替代注浆材料中的细骨料,粒径与级配特征是其能否直接、间接利用的关键性质;而细粒渣土及工程泥浆多用于替代注浆材料中的黏土泥浆,塑性指数与泥浆黏度是其能否直接、间接利用的关键性质。 有必要根据盾构渣土的主要再利用形式,深入开展分类再利用的可行性研究,形成一系列细化标准。 此外,对于施工外加剂所导致的盾构渣土理化属性改变,既有标准尚未给出明确指导,所以有必要分类讨论施工外加剂在不同再利用形式中的影响。

1. 3. 2 再利用工艺与再生产品性能优化缺乏系统方法

现阶段的盾构渣土资源化再利用技术中,有关原材料掺量配比、制备工艺参数调控、再生产品性能优化的研究视野仍局限在具体工程应用的目标层面,采用的试验方法、优化手段多以穷举、重复试配的经验性方法为主,缺乏系统的理论体系指导,所形成的结论与成果多数情况下仅适用于所依托的具体工程案例,对同类再利用技术带来的指导作用有限,难以具有普适性。尤其是对于涉及盾构渣土改性的再利用方式,再生产品性能往往受到渣土、改性材料、改性环境、改性工艺等多种因素的共同影响,经验性的方法难以获得准确结果,因此,有必要借鉴相关成熟技术,如多目标规划方法等,开展进一步研究。

1. 3. 3 既有设备难以支撑高效生产

与集中的、工厂式的处理设备相比,现场处理与再利用设备具有布置灵活、投资与运输成本低廉等优点,在盾构渣土资源化再利用领域具有较高的推广价值。 部分指导性政策也指出,应推动建筑垃圾“原地再生+异地处理”的复合模式,提高利用效率。但目前,“原地再生”所需要的现场预处理与再利用设备的运行效率难以保障,预处理效果及再生产品质量与工厂式设备的集中处理相比仍存在一定差距;此外,壁后注浆、陶粒、免烧砖材、复垦基质等新兴的再利用形式仍缺乏专业的现场生产设备,现阶段采用的实验室设备生产规模有限,无法实现规模化的处理、生产与应用。

1. 3. 4 政府监管与法治保障仍需强化

部分指导性政策指出,应继续加强建筑垃圾再利用方面的组织协调、法治保障与支持政策等各项保障措施。 目前,我国相关政策中关于盾构渣土资源化再利用的奖惩机制尚不完善。 一方面,企业税收优惠、集中处理场地租金减免、运输与生产成本补助等经济激励政策尚未统一,多数城市的经济发展水平限制了激励政策的落地;另一方面,多数城市盾构渣土填埋处置的成本太低,非法弃置的处罚力度不足,施工单位难以摆脱对于渣土粗放式填埋处理的依赖。 同时,各地政府缺乏对于盾构渣土生产量与处理能力的精准预测,盾构渣土处理过程中的追踪监管不到位,影响了相关政策的设计、规划与落实。 除此之外,地方政府参与盾构渣土管理的各部门间缺乏有效的沟通协商,阻碍了监管效率与效果。

1. 3. 5 经济效益与市场推动力不足

受盾构隧道施工因素、渣土运输成本以及再利用意愿的影响,我国可用于资源化再利用的盾构渣土原料供应不稳定,盾构渣土资源再生产品销售渠道狭窄,产业供应链尚不成熟,且各地缺乏统一的强制性回收利用政策约束,资源化再利用企业与市场难以保持长期运行与盈利。 同时,我国盾构渣土资源化再利用的成本仍处于较高水平,且盾构渣土再生产品的质量标准尚不完善,再生产品缺乏市场竞争优势。 此外,各地盾构渣土资源化再利用的市场主体仍为国有企业和具有特许经营权的私营企业,存在一定程度的垄断现象,市场准入门槛与初始投资较高,难以充分激发市场积极性。 如此背景下,盾构渣土资源化再利用技术应具备低成本、易推广的特点,才能形成良性的循环发展。 但目前我国盾构渣土资源化再利用在植被复垦、轻质建材、改性回填等途径中多依赖高性能添加剂的改性处理手段,成本高昂,相关技术与产品难以推广。 如何通过工艺优化,研发低成本、高性能的再生产品,是扩大市场竞争力、促进技术发展的关键环节。

1. 4 盾构渣土资源化再利用标准化技术流程

针对上述现状与挑战,本文梳理并提出了一种盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程,如图 1 所示。首先,应在盾构隧道开挖前充分考虑掘进地层条件和计划施工方法,以初步估计可能产生的盾构渣土类别,并结合场地布置条件、再生产品性能需求及市场需求、处置与运输成本等多方面因素对再利用方式进行初步决策;之后,对盾构渣土进行分离、脱水预处理,得到各级粗、细颗粒渣土,根据可能适用的再利用方式,对各级渣土进行相关性能测试,继而对再利用可行性进行评价,根据评价结果实施资源化再利用方案;最后,对得到的再生产品进行工作性能检验与性能优化,并根据经济成本预估其潜在的市场效益。

图 1 盾构渣土资源化再利用标准化技术流程

2 盾构渣土在壁后注浆材料中的再利用标准及性能优化研究

2. 1 渣土性能测试与分类再利用标准

为了进一步完善盾构渣土在壁后注浆材料中的再利用标准,对典型的土压平衡盾构和泥水平衡盾构渣土进行再利用可行性评价,最终提出一种土压平衡盾构和泥水平衡盾构渣土替代壁后注浆原材料的分类再利用标准与流程。 以杭州市望江路过江隧道、郑州地铁3 号线金太区间隧道分别作为泥水平衡盾构渣土、土压平衡盾构渣土采样点,选取 3 种典型试样,分别为离心脱水处理后的淤泥质泥水平衡盾构渣土和螺旋输送机直接运出的黏质、砂质土压平衡盾构渣土,如图 2 所示。

图 2 泥水平衡盾构和土压平衡盾构渣土样品

首先,对采样得到的渣土进行清洗、烘干,对干燥试样进行粒径筛分试验。 测试结果表明,砂质土压平衡盾构渣土中的粗粒(d>0. 075 mm)质量分数达到 90. 89%,黏质土压平衡盾构渣土中的细粒(d≤0. 075 mm)质量分数达到 60. 68%,淤泥质泥水平衡盾构渣土中的细粒质量分数接近 100%。 因此,初步认为砂质土压平衡盾构渣土可用于替代砂骨料,淤泥质泥水平衡盾构渣土以及黏质土压平衡盾构渣土中的细粒成分可用于替代膨润土。

之后,对细粒渣土进行液/ 塑限测试与 XRD 矿物成分测试。 结果表明: 淤泥质泥水平衡盾构渣土的塑性指数 Ip 为 35. 42,黏质土压平衡盾构渣土的塑性指数 Ip 为 11. 23,根据 GB / T 50145—2007《土的工程分类标准》规定,均属于黏土;矿物成分测试表明二者中均含有一定含量的蒙脱石、高岭石等黏土矿物,渣土具有较好的造浆效果,因此,具有替代壁后注浆材料中膨润土的可行性。 同时,对砂质土压平衡盾构渣土进行细度模数测试与 XRD 矿物成分测试。 结果表明: 该渣土的矿物组成以石英、云母为主,与本地河砂相似,其细度模数 Mx 为 1. 55,属于特细砂,用来配制砂浆会存在稠度、强度不足的问题;若与本地河砂等质量混合,细度模数可以达到 2. 34 ~ 2. 55的中—细砂标 准,且 级 配 满 足 GB / T 14684—2011《建设用砂》 中Ⅰ类天然砂的要求。 基于上述再利用可行性测试流程与评价结果,提出一种土压平衡盾构和泥水平衡盾构渣土替代壁后注浆原材料的分类再利用标准,如图 3 所示。

图 3 盾构渣土在壁后注浆材料中的再利用标准及流程

2. 2 配合比与性能优化

通常而言,盾构壁后注浆浆液的性能受到水胶比、胶砂比、膨水比、粉灰比等原材料质量比的综合影响。采用均匀设计方法开展性能试验,可以在较少试验组数下获取较全面的试验规律。 通过 Scheffe 二阶混料规范多项式进行逐步回归,构建考虑各因素交互作用的壁后注浆材料工作性能非线性回归模型。 显著性检验表明,因素交互作用对工作性能的影响规律不容忽视。

材料工作性能与配比因素之间的变化关系表明,原材料配比对注浆材料的各项工作性能影响显著,确定注浆材料的最优配比是保证注浆材料工作性能的关键。 然而,各配比与注浆材料工作性能之间呈现出复杂的非线性关系,实际施工中浆液的理想工作性能指标通常是一个区间范围,而非某固定值,因此,传统的单因素优化分析并不适用。 本文提出了一种基于多目标规划 (goal programming) 的壁后注浆材料最优配比确定方法,其思路为: 1)提出优化目标; 2)确定优化变量及其各种约束条件; 3)建立目标与变量之间的函数关系; 4)形成 GP 模型,选用适当的优化算法对该模型进行求解。 本文以郑州地铁 3 号线金太区间土压平衡盾构渣土壁后注浆材料为例,以各项工作性能的理想区间为约束条件,以工作性能与配比影响因素之间非线性回归模型的理想趋势为优化目标函数,采用理想点算法进行最优配比求解,详细流程如图 4 所示。 最终得到最优质量配比为: 水胶比 0. 81、胶砂比0. 78、渣水比 0. 20、粉灰比 1. 84。 根据最优配比,可计算得到壁后注浆材料最优工作性能的预测值。 同时,配置 6. 5 kg 浆液作为验证组,预测与验证结果如表 4 所示。预测值与验证值间的误差较小,最优配比结果可靠。

图 4 基于多目标规划的壁后注浆材料最优配比设计流程

表 4 最优配比的注浆材料性能验证

2. 3 现场试验

以郑州地铁 3 号线金太区间土压平衡盾构渣土壁后注浆材料为例,对该注浆材料进行现场配制与应用。其中,由于不同阶段开挖及预处理产生的黏质渣土含水率变化不一,难以快速配制设计渣水比。 因此,首先,在试验室内将烘干后的黏质渣土与水按照最优配比制成标准泥浆并测试其相对体积质量;然后,在现场利用拌浆设备将原状黏质渣土与水均匀搅拌,搅拌过程中定时采用比重计进行相对体积质量监测,若相对体积质量与标准泥浆相同,则认为渣土比达到设计要求,可利用泥浆泵将泥浆抽入盾构搅拌站拌浆罐中,与其他材料同步搅拌;最后,形成壁后注浆浆液。 现场应用流程如图5 所示。

图 5 黏质渣土拌浆、配制过程

应用结果表明,试验段(201—210 环)平均注浆压力为 0. 17~0. 18 MPa,注浆过程中未出现注浆管堵塞等问题,渣土浆液的灌注和泵送性能与常规同步注浆浆液几乎无差异。 试验段地表沉降监测表明,右线地表累计沉降最大达 7. 44 mm,左线地表累计沉降最大达 10. 0 mm,略大于采用常规同步注浆材料进行壁后注浆时的地表沉降,但仍满足相关规范的要求。 在联络通道开挖段对壁后注浆充填效果进行观察,充填情况如图 6 所示。 渣土浆液充填厚度可达 13 cm,有效充填率达 92%。 初步计算统计,浆液材料可节省 59. 6万元/ km,渣土外运可节省 20. 8 万元/ km,合计节省成本 80. 4 万元/ km,经济效益显著。

图 6 盾构渣土壁后注浆材料充填效果

3 盾构渣土作为植被复垦基质的改良试验研究

3. 1 化学成分与污染物测试

以杭州市望江路过江隧道为背景,对矿物掺合料改良泥水平衡盾构渣土作为植被复垦基质的再利用可行性开展试验研究。 渣土原料取自现场离心脱水后的弃渣池,呈现出棕黑色的淤泥状,有轻微臭味。 对淤泥状渣土进行化学成分与污染物测试,并与长沙某地园林土壤、湖北省某矿产冶炼厂的遗留废弃渣土进行对比,对比测试结果如表 5 所示。可以看出: 杭州泥水平衡盾构渣土的酸碱度接近中性;由于渣土源自钱塘江底一定深度以下,含总氮、总磷、总钾量较园林土低,但含碱解氮、速效磷、速效钾、有机质的量显著高于园林土;此外,盾构渣土中含重金属元素量较低,含铜、镉、汞量高于园林土,但含各项重金属元素量远低于矿产冶炼厂废弃渣土,且均满足 GB 15618—2018《 土壤环境质量标准》中的管制值要求。 总体来看,泥水平衡盾构渣土有较高的有机质与养分量以及较低的污染物量,较工业厂区的废弃渣土相比,更适用于改良作为植被复垦基质。

表 5 盾构渣土、园林土、冶炼厂废弃渣土的化学与污染物成分测试结果

3. 2 试验流程设计

设计开展了矿物掺合料改良盾构渣土的室内盆栽种植试验,矿物掺合料选用郑州某地生产的粉末状工业废渣。 试验选取园林土、泥水平衡盾构泥状渣土、矿物掺合料改良盾构渣土( 矿物掺合料与盾构渣土的质量比为 0. 01∶ 1) 3 种材料作为种植基质,选取黑麦草为种植对象,植被培育过程均在长沙某温室中进行,试验过程中控制各盆栽日照、浇水条件相同。 首先,配置 3 类种植基质并陈化 7 d,期间将黑麦草种子浸泡发芽;随后,在各基质中播种并培养至开花期,期间测试不同生长阶段的根系特征、根系活性、叶绿素含量以及种植基质的理化特征。 试验流程如图 7 所示。

图 7 矿物掺合料改良盾构渣土对植被生长及土壤环境影响试验流程

3. 3 植被生长状况评价

各组盆栽的发芽率测试结果显示,3 种种植基质对黑麦草发芽率的影响差异不大。 园林土的发芽率为 95. 67%,泥水平衡盾构渣土的发芽率略低,为 92. 87%,而矿物掺合料改良盾构渣土的发芽率高于原状渣土,为 94. 22%,基本与园林土相同。 此外,不同阶段的植被生长指标测试结果如表 6 所示。 结果表明,矿物掺合料改良盾构渣土与园林土中植被生长状况没有显著差异,改良盾构渣土中黑麦草各阶段的叶绿素含量与根系生长状况都优于原状盾构渣土,且在分蘖期的总叶绿素含量、总根表面积、根系活力等指标上,改良盾构渣土甚至优于园林土。 植被生长状况表明,矿物掺合料的改良作用对植被生长起到积极作用。

表 6 不同阶段的植被生长指标测试结果

3. 4 土壤基质环境评价

在开花期对种植基质中的化学成分与酸碱度进行测试,并与种植前的陈化阶段进行比较,结果如表 7 所示。 结果表明,原状渣土与改良渣土各项指标均满足 CJ/ T 340—2011 《 绿化种植土壤》 中的规范值。 与原状盾构渣土相比,改良后盾构渣土中各个阶段的有机质、总钾、速效钾、速效磷含量均有所提升,pH 值也有一定增加。 综合考虑植被生长状况与土壤基质理化特征,可以认为杭州市望江路泥水平衡盾构隧道淤泥质渣土具备作为植被复垦基质的可行性,而矿物掺合料改良进一步提升了盾构渣土再利用为植被复垦基质的适宜程度。

表 7 不同阶段的土壤理化指标测试结果

4 盾构渣土免烧空心砖制备工艺及优化

4. 1 渣土性能测试

以杭州地铁 10 号线汽车北站—国展中心站区间为背景,以土压平衡盾构螺旋输送机运出的工程渣土为原料。 渣土含水率较高,触摸手感细腻。 对渣土进行级配测试与矿物成分测试。 级配测试 结 果 表 明, 盾 构 渣 土 级 配 良 好, 粒 径 小 于0. 075 mm 的细粒质量分数为 83. 52%,其中粒径小于 0. 005 mm 的黏粒质量分数为 23. 21%,属于粉质黏土。 XRD 矿物成分测试表明,盾构渣土中石英、长石、云母等原生矿物占比约为 94%,高岭石、蛇纹石等次生黏土矿物仅占 6%。 上述结果说明,土压平衡盾构渣土细度模数较低,粗颗粒含量较低,若仅以盾构渣土烧制成砖,砖材透气性差,且难以形成较高的粗颗粒骨架强度;此外,该渣土中黏土矿物含量较少,与水泥等固结剂发生化学反应的成分及活性有限。 因此,将该渣土与建设河砂及活性固体废弃物按比例混合后具有制作免烧空心砖的可行性。

4. 2 免烧空心砖制备工艺

采用盾构渣土、胶凝材料( 普通硅酸盐水泥) 、级配增强材料(河砂) 、活性补充材料( 粉煤灰) 、改性添加剂(生石灰、硅酸钠溶液)为基材进行免烧空心砖的制备。 免烧空心砖设计尺寸为 240 mm×115mm×90 mm,中间设置 2 个直径为 60 mm 的空心圆孔。 为实现空心砖的高质、高效压制,设计了适用于盾构渣土免烧空心砖的成型模具,包括施压块、顶板、中部围压块、底座成型块 4 部分。 中部围压块高度为 180 mm,以 50% 的体积压缩率作为压制标准。 为了方便脱模,中部围压块与底座成型块设计为可拆卸模式。 制备工艺流程为: 1) 按试验工况称量各种原料与辅助添加剂,放入轮碾强制搅拌机中拌和 10 min; 2)将拌和好的材料填满模具,放置在数显压力试验机上压制至免烧空心砖设计高度; 3)将制好的砖样按工况标号竖立排放在架子上,置于透明雨棚内,采用自然晾晒方法,并在前 3d 进行喷水养护。 免烧空心砖制备工艺流程如图 8所示。 室内试验表明,当免烧空心砖原材料质量配比为 48 ∶30∶17∶5 (盾构渣土∶ 河砂∶ 水泥∶ 粉煤灰) ,并加入 15%质量占比的水时,按此流程制得的免烧空心砖形状规整,成色优良,缺损较少,相对含水率平均为21. 97%,平均抗压强度为11. 4 MPa,软化系数平均为0. 84,满足 GB/ T 24492—2009《非承重混凝土空心砖》中 MU10 强度等级的砖材要求。

图 8 渣土免烧空心砖制备工艺流程

4. 3 工艺参数优化

免烧空心砖的实际生产中,常以生石灰作为固化剂掺入渣土原料中,以降低渣土含水率,提高轮碾搅拌机的破碎效率;同时,常以硅酸钠溶液作为免烧空心砖增强剂掺入渣土,以提高免烧空心砖的强度等级,可以在减少河砂用量的同时提高盾构渣土利用率。 此外,在以体积收缩率为制样标准的工艺中,成型压力会显著影响免烧空心砖内部的孔隙结构。 以固化剂掺量、增强剂掺量以及成型压力作为制备渣土免烧空心砖的主要工艺参数,基于均匀设计的试验方法,分析渣土免烧空心砖抗压强度受工艺参数的影响规律。 试验结果表明,渣土免烧空心砖抗压强度与成型压力、增强剂掺量均呈线性正相关关系,而与石固化剂掺量呈负相关关系,试验建议的最佳参数为成型压力 120 kN、水玻璃质量分数 10% ~11%、石灰质量分数 5% ~9%。 在渣土免烧空心砖的实际生产中,当渣土含水率达到较低水平且能够正常轮撵破碎时,可适当减少生石灰掺量,并提高增强剂掺量与成型压力,以获得较高强度等级的盾构渣土免烧空心砖。

5 结论与展望

1)本文总结梳理了盾构渣土资源化再利用的技术发展与创新,详细介绍了国内外盾构渣土的分类再利用标准,总结了盾构渣土作为盾构施工辅助材料、再生建筑材料、植被复垦材料、工程填筑材料等 4 种主要形式的再利用途径及相关技术。 分析阐明了盾构渣土资源化再利用技术在标准、方法、设备、市场效益等方面仍存在细化、优化、规模化、产业化的挑战,总结构建了“再利用方式初判—盾构渣土分级处理—渣土再利用可行性评价—再生产品性能与市场效益评估”的盾构渣土资源化再利用的标准化技术流程。

2)本文介绍了盾构渣土在壁后注浆材料、植被复垦基质和免烧建筑材料等方面的再利用新技术。 壁后注浆材料方面,基于砂土细度模数 Mx 与黏土塑性指数 Ip ,提出了一种盾构渣土作为壁后注浆材料中轻骨料与黏土泥浆成分的分类再利用标准;采用多目标规划理论,得到了郑州地区盾构渣土壁后注浆材料的最优质量配比为: 水胶比 0. 81、胶砂比 0. 78、渣水比0. 20、粉灰比 1. 84,该配比下浆液的有效充填率达到92%,可节省建设成本 80. 4 万元/ km。 植被复垦基质方面,污染物测试以及盆栽试验表明,泥水平衡盾构隧道淤泥质渣土具备作为植被复垦基质的可行性,而矿物掺合料改良进一步提升了盾构渣土再利用为植被复垦基质的适宜程度。 免烧建筑材料方面,提出了一种采用盾构渣土、胶凝材料(普通硅酸盐水泥)、级配增强材料(河砂)、活性补充材料(粉煤灰)、改性添加剂(生石灰、硅酸钠溶液)为基材进行免烧空心砖的制备流程,并通过均匀试验,得到了成型压力为 120 kN、水玻璃质量分数为 10% ~11%、石灰质量分数为 5% ~ 9%的最优工艺参数。 以上案例对盾构渣土资源化再利用技术在分类标准细化、可行性试验方法、工艺参数优化等方面提供了新技术、新经验,对相关技术的发展具有积极的意义。

3)针对现阶段的多方面挑战,我国盾构渣土资源化再利用技术在标准、方法、设备、政策支持与市场运行方面仍存在广阔的发展空间,如: 1)在再生产品性能需求的框架下,应充分结合相关案例的大数据资源,构建全地层条件、多种施工方式下盾构渣土资源化再利用定量分类与规模化生产标准。 2)掘进泥浆、壁后注浆材料等再生产品的理想工作性能目标会随地层条件改变而发生动态变化,利用深度学习等人工智能方法,构建盾构渣土再利用配比的动态调整优化方法。3)进行机械装备与管理模式升级,扩展盾构渣土分离及预处理的地层条件适应性,加强施工环节、预处理环节、再利用环节间的高效联系,实现盾构渣土在施工现场的高效智能化分类分级。 4) 积极推进盾构渣土资源化再利用中环境友好型、节约能耗型、以废治废型新技术的开发,探索利用盾构渣土再生产品解决水土污染、治理废弃边坡矿山等绿色途径。 5)探索盾构渣土“原地再生+异地处理”复合再利用模式下的创新管理模式,对于大规模的原地再生,应积极完善鼓励政策,并巩固相关政策的规划与落实;对于异地处理,应采用ETC、GPS 等技术进行盾构渣土生产、运输、再利用的全流程精细化管理,加强政府部门间的协调合作,积极尝试盾构渣土资源化再利用产业的新型市场合作模式。