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土压平衡盾构渣土物理特性分析与资源化利用

摘要:土压平衡盾构渣土颗粒细小、含水率高,处治不当容易造成环境污染和安全隐患,研究其无害化处理与资源化利用具有重大的实际意义,而对土压平衡盾构渣土物理特性的分析是后续工作的基础。本文基于取样实验,得到了典型土压平衡盾构渣土的表观密度、含水率以及粒径分布等数据,并据此分析了各主要物理参数的分布范围、影响因素以及相关关系。结合土压平衡盾构渣土自身的物理特性,对无害化处理技术以及资源化利用方式作了进一步展望。所得结论将为土压平衡盾构渣土处治技术的研究与实践提供一定的参考。
0 引言
  近年来,随着我国城镇化进程的加速,城市轨道交通建设迎来黄金发展期。目前,我国共有 40个城市在建设轨道交通, “十三五”期间我国城市轨道交通建成投运线路超过3000km,投资规模将达到 1. 7~2 万亿元。轨道交通建设促进了城市经济的发展、改善了人民群众的出行环境,但是也带来了一系列环境和安全问题,其中如何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问题。
  盾构渣土颗粒细小、含水率高,相比钻爆和其它机械开挖产生的渣土危害性更大。传统处理方式一般是将渣土运输至指定的渣土消纳场露天堆放或者在项目回填区进行填埋 ( 如图 1 所示) 。但是这些方式都存在着如下的一系列弊端: 首先,渣土运输过程中,经常出现各种环境和交通安全问题,如密封不到位导致扬尘、撒漏,渣土车管理混乱导致闯红灯、超速超载以及违规倾倒等现象时有发生;其次,占用大量土地,随着大规模建设的发展,渣土堆填场地已经严重不够用。以长沙为例,现有消纳场的总库容只有近800×104m3,而长沙市 2015 年已处理的渣土量有 1800×104m3,且每年以 15%的速度在增长。仅仅是长沙地铁 2 号线施工,产生的渣土大概 400 × 104m3;最后,盾构渣土含水率高,稳定性差,如未做处理直接堆填容易发展成为安全隐患。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 ( 如图 2 所示) ,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,事故造成直接经济损失为 8. 81 亿元。
  2013 年 7 月,习近平主席在湖北考察时指出:“变废为宝、循环利用是朝阳产业。垃圾是放错位置的资源,把垃圾资源化,化腐朽为神奇,是一门艺术”。盾构渣土主要由碎石、砂、黏土以及水组成。碎石和砂可以用于建筑材料或加工建筑砌块,黏土可以用作填料、制作陶粒或制砖等。随着经济发展和社会环保意识的提高,砂石开采环境成本和用工成本不断增加,建筑材料价格逐年上升, 如果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,另外一方面也会因为减少对外建材采购需求而节约成本。
  因此,开展盾构渣土特性研究,进而指导后续无害化处理与资源化利用,意义重大。由于国内大部分地铁隧道开挖都采用土压平衡盾构机,本文将结合实测数据分析,研究土压平衡盾构渣土物理特性,并对其无害化处理工艺和资源化利用前景进行展望。
1 物理特性研究
  为研究土压平衡盾构机在典型岩土层掘进时产生盾构渣土的物理特性,结合长沙地铁四、五号线的施工,参考地铁隧道勘察资料以及施工进度 ( 以施工环号表示) ,在盾构机掘进到达特定地层时,采取皮带输送机上原状渣土 ( 典型土压平衡盾构渣土样品如图 3 所示) ,用桶装好并密封,然后运输至实验室测量其表观密度、含水率、比重和颗粒级配等指标。 
1. 1 表观密度
  从理论上来说,盾构渣土表观密度受组成矿物成分、孔隙比与饱和度等因素影响。矿物成分通常由原始岩土层自身特性决定,在施工过程中不发生变化。而渣土孔隙比则由于施工扰动发生根本性变化,在刀盘切削原始地层过程中,岩土层天然结构被破坏,形成松散的土石混合物,孔隙比剧烈增加,其具体值主要取决于渣土的颗粒级配和碎石形状,尤其是针片状含量。因此,盾构渣土颗粒级配和形状既包括原始岩体结构、硬度等天然因素的影响,也包括盾构机刀盘形状、间距以及施工参数等人为因素的影响。盾构机在地下掘进过程中,为了维持掌子面平衡和方便出渣,必须保证渣土具有一定的流动性,盾构渣土在压力仓内基本处于饱和状态,在经由螺旋输送机以及皮带输送机运输过程中,会有少量水分析出,但渣土内部依然接近于饱和状态。
  表 1 为取样渣土的基本物理参数,其中微风化板岩盾构渣土的表观密度最大,为 2. 38g /cm3; 强风化泥岩的表观密度最小,为 1. 75g /cm3。表观密度明显随着岩石风化程度增加而降低,如中风化砂岩显著大于强风化砂岩。这是因为风化程度增大,颗粒更细小,孔隙率更高,从而密度降低。对于不同类型的岩土层,表观密度随着黏土矿物含量增加而减小,这是因为黏土含量增多时比表面积增大,水化膜增厚,表观密度下降。如强风化泥岩的表观密度显著小于其它强风化岩石渣土样品。
  土粒比重反映了土粒的矿物成分,由表 1 可以看出,泥灰岩土粒比重最大,为 2. 83; 强风化砾岩土粒比重最小,为 2. 63,并且所涉及不同渣土样品的土粒比重相差不大,进而由于矿物成分不同导致的表观密度差异较小。这是由于渣土样品虽然源自不同的岩土层,但其水平位置较为相近,竖向深度差别不大,岩土层形成的地质历史时期和形成条件具有一定的相似性,所以各种岩石成分虽然存在一定差别,但比重相差很小。
1. 2 含水率
  土压平衡盾构渣土中的水,一部分来源于原始地下水,更多的来源于盾构机掘进时以泡沫形式向掌子面注入的水。由表 1 可以看出,含水率变化范围为 7. 5% ~ 40. 35%,强风化泥岩含水率最大,为40. 35%。卵石地层的含水率最小,为 7. 5%。微风化岩层渣土含水率在 10%左右,中风化岩层渣土含水率在 10% ~ 20%之间,强风化岩石渣土含水率在 20%以上,部分含泥量高的能达到 40%,全风化岩石和土层渣土含水率在 30%以上。影响渣土含水率的主要因素包括岩层风化程度、渣土的颗粒级配、黏粒含量和矿物成分等,当盾构机在风化程度较低的岩层 ( 如卵石或微风化岩石) 掘进时,产生的粗颗粒较多,而粗颗粒吸附水的能力弱,并且难以形成毛细管道,导致渣土中能够赋存的水分较少。而且在同样含水率状态下,粗粒含量多的渣土比黏粒含量多的渣土流动性更强。而对于含黏土矿物较多的渣土,一方面黏土矿物表面能吸附大量的水分,另外一方面细粒结构之间的微孔隙可以保留大量水分。
  图 4 为土压平衡盾构渣土含水率与表观密度数据的拟合曲线图,从图中可以看出,表观密度与含水率呈较大的线性负相关关系,其相关系数达 0. 9,即含水率越大,表观密度越小。这是因为盾构渣土为松散的土石混合物,只有细粒含量多的渣土才能赋存较多水分,因此水分含量高的渣土,其细粒含量必然高,进而孔隙率更高,表观密度更小。
1. 3 颗粒级配
  土压平衡盾构渣土的颗粒级配主要取决于其原始地层特性,包括岩体结构与构造特征、岩石软岩程度和风化程度等。总体来说,当地层为微风化或中风化岩石时,渣土中粗粒较多,细颗粒含量较少,而且细颗粒多为黏性较低的石粉; 当地层为全风化岩石或土层时,粗颗粒含量少而黏粒含量多;当地层为强风化岩石时,其渣土特性处于中间状态。当地层为混合地层时,所得盾构渣土的粒径分布表现为各种地层特性的混合。对于微风化和中风化岩石,其土压平衡盾构渣土最大粒径一般小于40mm,偶有 40 ~ 60mm 的碎石。由表 2 可以看出,风化程度较低的岩石渣土,其大于 2mm 颗粒含量最高能达到 80%,如六望左线 315 环的微风化板岩渣土,中风化岩石渣土 2mm 以上颗粒含量最低超过 40%。强风化泥岩 0. 075mm 以下颗粒含量超过80%,这是导致其孔隙率大、表观密度小和含水率高的根本原因。

  由表 3 可以看出,土压平衡盾构渣土的不均匀系数较大,部分微风化和中风化岩石渣土的 Cu >5,Cc = 1~ 3,属于级配良好的碎石。溁湖右线 343 环强风化泥岩渣土的平均粒径最小,为0. 0079mm,对应的含水率最大,为 40. 35%。溁湖右线 121 环以及溁湖左线 472 环的平均粒径也较小,为 0. 06mm,对应含水率分别为 36. 08%和 33. 28%。万开左线 369 环对应的平均粒径最大为 17mm,其含水率最低,为7. 5%。六望左线 315 环对应的平均粒径也较大,为9. 4mm,其含水率也较低,为 10. 87%。图 5 为盾构渣土平均粒径与含水率关系曲线图,从中可以看出含水率与平均粒径呈直线相关关系。

1. 4 孔隙比与渗透系数
  由于土压平衡盾构渣土具有一定的流动性,假定其中孔隙均为水占据,土体处于饱和,利用公式
1) 可计算得到孔隙比:
  由式 ( 1) 计算得到各渣土样品的孔隙比见表1,从中可以看出强风化泥岩和全风化砂岩渣土孔隙比较大,都超过 1。这是因为这两组渣土的细颗粒含量最多,比表面积大,对应的微小孔隙多,并且由于其中的孔隙大部分为不透水孔隙,渗透系数较小,水分主要以结合水的形式存在。图 6 为含水率与孔隙比的关系曲线图,从中可以看出含水率与孔隙比呈线性正相关,其相关系数高达 0. 94。
  渗透系数取决于土体的颗粒尺寸、土体的结构、土体矿物成分和孔隙比等,但主要控制指标还是颗粒尺寸和孔隙比,Amardeep据此提出了经验公式:
  由式 ( 2) 计算得到各渣土样品的渗透系数见表 1,从中可以看出,卵石、微风化板岩以及部分中风化岩石渣土的孔隙比较小,最小为 0. 24。此类渣土虽然整体孔隙率不高,但都为贯通的大孔隙,渗透系数较大,最大达 8. 9mm / s。高度风化的岩石和土层渣土由于细粒含量高,贯通孔隙少,渗透系数较小,最低为 0. 00106mm / s。
2 资源化利用前景展望
  土压平衡盾构渣土特性取决于原有地层特性与施工方法,但是由于缺乏完善的理论指导与技术支撑,再加上效率和成本因素,导致土压平衡盾构渣土资源化利用率非常低。目前,国内仅有少量针对砂石含量高的土压平衡盾构渣土资源化利用案例,其处理工艺主要沿用传统泥水平衡盾构泥浆的处理工艺,即采用振动筛分离较粗的碎石,两级旋流器分离砂和粉粒,然后在泥浆中加入絮凝剂,并采用压滤机进行泥水分离,如图 7 所示。这种处理工艺对于砂石含量高的土压平衡盾构渣土具有一定的适应性,只需加少量水搅拌或冲洗,就可以筛分,但是对于高含泥率渣土,如强、全风化岩渣土,筛分极为困难,如加入大量水稀释,则后期泥浆处理量巨大,并且筛分得到的少量重度风化砂石几乎没有使用价值。同时由于渣土包含少量粗颗粒,导致无法用压滤机和离心机直接进行脱水。地基处理中常用的真空预压法,可以对含粗颗粒的渣土脱水,但是其脱水效率低,而传统的电渗法和烘干法成本高。因此,对高含泥率渣土开发一种无须分离粗颗粒且可以直接快速脱水的方法,具有重要意义。
 
  从理论上来说,各种渣土组分经过适当处理,都可以加工成建筑材料。Gertsch 等提出岩石作为建筑材料,首先必须满足相应技术规范对其物理和化学性质要求。根据粒径大小将盾构渣土分类,并测定相应的物理、化学和力学性质,提出盾构渣土可分别用于公路铁路路基、基层、混凝土骨料和景观用土等。
  中风化、微风化较硬岩渣土,碎石含量高,黏粒含量极少。如微风化岩石渣土中粒径 0. 075mm以下颗粒含量小于 5%,中风化岩石渣土中粒径0. 075mm 以下颗粒含量一般小于 20%。此种渣土可定义为硬岩多石类,其渗透系数大,筛分容易。但是盾构机切削形成的碎石针片状含量较高,需要经过破碎、筛分、整形和级配调理,才能生产出达标的建设用砂石。砂卵层和圆砾层渣土中砂石含量较高,其资源化利用重点在于降低砂石的含泥量。
  中风化、微风化较软岩渣土,如其中碎石稳定性好,并有一定的强度保证,可以将其分离后用于制作低强度建筑砌块,如花坛砖、路沿石、护坡砖等。对于遇水易软化或崩解的碎石,如红砂岩等,则无需进行组分分离,可将其用固化剂处理并作为填料。
  强风化岩石渣土,其 2mm 以上颗粒含量通常小于 30%,碎石经过强烈风化,强度低,并且筛分极为困难,因此不具备分离价值,可考虑将其直接脱水后用于路基填料。
杂填土成分复杂,可能含少量砖瓦、垃圾以及有机物等,如若用于制砖,则需分离异物,从工艺上来说不经济,因此填料是其最佳选择。全风化岩石和土层渣土,粗颗粒含量极少,并且粗粒强度低,不含杂质和有机物,可将其脱水后,用于制作黏土免烧砖或烧制陶粒。此外,微风化和中风化岩渣土中分离的石粉也可用于制作免烧砖。
3 结语
  ( 1) 土压平衡盾构渣土特性取决于原始地层特性与施工方法。总体来说,渣土具有弱流动性,不均匀系数较大。当盾构机在风化程度低的岩层中掘进时,所得渣土粗粒含量高,表观密度大,含水率低,孔隙率低,渗透性大; 当盾构机在高度风化岩层或土层中掘进时,所得渣土细颗粒含量高,表观密度小,含水率高,孔隙率高,但粗孔隙少,大部分细孔隙不透水,渗透性小。
  ( 2) 总体来说,较硬岩石地层盾构渣土砂石含量高,且易于筛分和脱水,可以用于生产建设用砂石;遇水不易崩解的较软岩渣土,可以分离碎石用于生产非承重砌块; 遇水易崩解或软化的较软岩渣土,强风化岩渣土以及填土等,适宜脱水后用作填料;全风化岩和土层盾构渣土,杂质少、粗粒少,适宜制作黏土免烧砖或烧制陶粒等。
  ( 3) 土压平衡盾构渣土的处治是一个系统性的社会问题,既涉及技术层面,也涉及管理层面,需要建设方、城市管理部门、环保部门以及施工单位多方参与,协同推进。在管理层面,需要政府部门制定引导性政策,赋予达标渣土再生制品合法性,并给予资源化产品以一定补贴,调动施工企业开展渣土资源化利用的积极性。技术层面,需要推动盾构渣土处理与资源化利用指南的制定,研发经济高效的组分分离与脱水技术,降低处理成本,提高资源化利用效益。另外,土压平衡盾构渣土的资源化利用,可以与粉煤灰、高炉矿渣以及红砖粉等大宗工业固体废弃物的资源化利用结合起来,既可降低成本,又同时减少两类固废的排放。

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