張書經(jīng)，陽 棟，譚立新，李水生，丁燕懷，羅正東，許 福

(1.湘潭大學(xué)，湖南 湘潭 411105；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，我國各大城市迎來地鐵建設(shè)高峰期。地鐵建設(shè)促進(jìn)了城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，緩解了人口、車輛劇增帶來的交通擁堵，改善了人們的日常出行條件，但是也帶來了一系列環(huán)境和安全問題，其中如何有效處理盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)產(chǎn)生的巨量渣土是地鐵建設(shè)過程中面臨的最突出的問題。

盾構(gòu)渣土由盾構(gòu)機(jī)切削原始巖土層形成，其多為細(xì)小顆粒，含水率較高，按性狀差異可分為土壓平衡盾構(gòu)渣土和泥水平衡盾構(gòu)渣土，兩者的區(qū)別表現(xiàn)在含水狀態(tài)的不同。土壓平衡盾構(gòu)渣土的固含率介于70%～90%，具有弱流動(dòng)性并呈膏狀，而泥水平衡盾構(gòu)渣土的固含率為20%～40%，呈泥漿狀態(tài)，兩種盾構(gòu)渣土的實(shí)物照見圖1。

(a)土壓平衡盾構(gòu)渣土 (b) 泥水平衡盾構(gòu)渣土

圖1 典型盾構(gòu)渣土的實(shí)物照

盾構(gòu)渣土的傳統(tǒng)處理方式通常為運(yùn)輸至指定的渣土受納場露天堆放或者在項(xiàng)目回填區(qū)填埋，由此易引發(fā)一系列環(huán)境和安全問題。首先，在運(yùn)輸過程中容易撒漏，導(dǎo)致環(huán)境污染；其次，堆填渣土占用大量土地，且隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，堆填場地日趨緊張[1]；最后，盾構(gòu)渣土流動(dòng)性、穩(wěn)定性差，直接堆填存在安全隱患。2015年12月20日，位于深圳市光明新區(qū)的紅坳渣土受納場發(fā)生滑坡事故(圖2)，造成73人死亡，4人下落不明，17人受傷，33棟建筑物被損毀、掩埋，直接經(jīng)濟(jì)損失8.81億元[2]，其直接原因?yàn)槭芗{場沒有建設(shè)有效的導(dǎo)排水系統(tǒng)，積水未能導(dǎo)出、排泄，致使堆填的渣土含水過飽和，形成底部軟弱滑動(dòng)帶，再加上嚴(yán)重超量超高，下滑推力逐漸增大，穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致渣土失穩(wěn)滑出。

圖2 紅坳渣土受納場滑坡事故現(xiàn)場

值得注意的是，若處理得當(dāng)，則盾構(gòu)渣土將有望成為一種重要資源，其中的碎石和砂可作為集料應(yīng)用，黏土可以用作填料或用于制作陶粒、磚等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)環(huán)保意識(shí)的提高，砂石開采的環(huán)境成本和用工成本不斷增加，建筑材料價(jià)格逐年上漲，若能將盾構(gòu)渣土中的碎石、砂和黏土進(jìn)行充分處理與資源化利用，一方面可以為施工企業(yè)省去巨額渣土處理費(fèi)用，另一方面也會(huì)因?yàn)闇p小對外采購建材的需求而節(jié)約成本。因此，開展盾構(gòu)渣土的無害化處理和資源化利用，具有重要的生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。作為盾構(gòu)渣土減量化和無害化處理及資源化利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，脫水過程決定了盾構(gòu)渣土處置的效率與成本，研究高效的盾構(gòu)渣土脫水技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 盾構(gòu)渣土特性及其水分賦存機(jī)制

盾構(gòu)渣土是由砂、石、土和水等組成的混合物，原始地層巖性的差異及施工方法的不同，導(dǎo)致盾構(gòu)渣土成分差別較大。當(dāng)含石量小于40%時(shí)，粗骨料未形成骨架，懸浮在細(xì)料土中，形成密實(shí)-懸浮結(jié)構(gòu)，可視為多土類渣土；當(dāng)含石量介于40%～70%時(shí)，粗骨料逐漸增多，在土石混合料中逐漸起骨架作用，顯示出混合料的特征，形成密實(shí)-骨架結(jié)構(gòu)，可視為中間類渣土；當(dāng)含石量大于70%時(shí)，則由于細(xì)骨料不足，粗骨料間的空隙無法被全部填充，粗骨料被架空，形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)，可視為多石類渣土[3]。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在風(fēng)化程度較弱的巖層掘進(jìn)時(shí)，渣土中碎石含量較高，表現(xiàn)為多石類，而當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在全風(fēng)化巖層或土層掘進(jìn)時(shí)，渣土細(xì)粒含量較大，表現(xiàn)為多土類。

盾構(gòu)渣土中的水分一方面源于原有巖土層含水，另一方面來自于施工中為了維持掌子面平衡和方便出渣，人為注入的泡沫或泥漿。土壓平衡盾構(gòu)渣土的含水率超過液限，接近飽和，而泥水平衡盾構(gòu)渣土處于飽和狀態(tài)。根據(jù)土顆粒表面受靜電作用的強(qiáng)弱，可將土中水劃分為結(jié)晶水、結(jié)合水和自由水[4-6]。多土類渣土的黏粒含量高，能吸附較多的結(jié)合水，同時(shí)形成較多微小孔隙，通過毛細(xì)管作用賦存大量水分。多石類渣土中粗顆粒碎石較多，具有貫通大孔隙，透水性強(qiáng)，水分容易從大孔隙流失，存水較少。中間類渣土則介于兩者之間。

為測定不同地層土壓平衡盾構(gòu)渣土的含水率，從長沙地鐵四、五號(hào)線不同位置取樣開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測量渣土含水率等物理指標(biāo)，結(jié)果見表1。由表1可以看出，土壓平衡盾構(gòu)渣土的含水率波動(dòng)較大(8.53%～40.35%)，且原始地層的風(fēng)化程度越高，渣土的含水率越高。這是因?yàn)閹r石風(fēng)化程度高時(shí)，所得渣土中細(xì)顆粒多，比表面積更大，其能賦存的結(jié)合水和自由水增多。同樣風(fēng)化程度下，含黏土礦物多的巖石，其渣土含水率高于含黏土礦物低的巖石，這是因?yàn)轲ね廖蚀笥谑鄣奈省?/p>

2 現(xiàn)有脫水技術(shù)及其在盾構(gòu)渣土脫水領(lǐng)域的適宜性

2.1 蒸發(fā)脫水

土體水分蒸發(fā)是指土體中的水分汽化進(jìn)入大氣的過程，受土-氣交界面處的氣象參數(shù)等因素控制，如溫度、液體表面積、液體表面上方的空氣流動(dòng)速度、濕度。同時(shí)，土壤的自身特性，如礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒級(jí)配對蒸發(fā)速度也具有較大影響。常用的土體水分蒸發(fā)方法有自然干化和烘干兩種。自然干化是將盾構(gòu)渣土攤開，利用太陽能和空氣流動(dòng)加速水分蒸發(fā)。該方法簡便、經(jīng)濟(jì)，但干化程度受天氣條件影響較大，且占地面積大，效率低，易產(chǎn)生揚(yáng)塵。轉(zhuǎn)筒烘干機(jī)(圖3)利用煤、天然氣或電能等產(chǎn)生的熱量對大宗濕物進(jìn)行烘干，其處理效率高，可連續(xù)操作，污染較小，但熱能利用效率較低，后期運(yùn)營成本高[7]。

表1 土壓平衡盾構(gòu)渣土的物理性質(zhì)指標(biāo)

圖3 轉(zhuǎn)筒烘干機(jī)

2.2 機(jī)械脫水

機(jī)械脫水是利用機(jī)械方法對固液混合物施加外力，迫使水分從中分離的方法，在固體廢棄物處置領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。常用脫水機(jī)械大多基于擠壓、離心等進(jìn)行固液分離，如板框壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、臥螺離心機(jī)等。

板框壓濾機(jī)(圖4)是一種間歇性固液分離裝置，由濾板和濾框交替疊合組成濾室，在輸料泵的壓力作用下，把漿料輸入濾室中，大部分自由水通過濾布排出，留在濾室內(nèi)的土顆粒被擠壓成含水率較低的泥餅。適合對篩除砂石之后的泥水平衡盾構(gòu)渣土進(jìn)行脫水，壓濾前一般需要投加絮凝劑，泥餅的含水率在30%～40%。板框壓濾機(jī)具有分離效果好、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是它屬于間歇性操作，處理效率不高，濾布的壽命也不長，更換濾布較麻煩，適用于小型或工期寬裕的工程[8-9]。

帶式壓濾機(jī)(圖5)利用上下兩條濾帶對漿料緩慢加壓，漿料受到擠壓力和剪切力的雙重作用，大部分自由水被濾除，漿料形成含水率較低的泥餅。用帶式壓濾機(jī)對泥水平衡盾構(gòu)渣土進(jìn)行脫水，泥餅的含水率在35%～45%。帶式壓濾機(jī)為連續(xù)性操作，處理量較大，占地面積較小，效率優(yōu)于板框壓濾機(jī)，但是泥餅含水率略高于板框壓濾機(jī)，能耗較高，維護(hù)保養(yǎng)較難，適用于大型工程的泥漿固液分離[10-11]。

(a)結(jié)構(gòu)示意

(b) 實(shí)物

(a)結(jié)構(gòu)示意

(b) 實(shí)物

臥螺離心機(jī)(圖6)利用離心沉降原理分離懸浮液中的固體顆粒，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，固體顆粒由于容重和離心力較大，被甩貼在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，形成固體層，通過螺旋推料器推至排渣口排出；液體由于密度和離心力較小，在固體層內(nèi)側(cè)形成液體層，通過溢流孔流出。阮智偉[12]利用臥螺離心機(jī)對河道底泥脫水，泥餅的含固率可達(dá)55%以上。任欣等[13]研究表明，污泥的分離因數(shù)，機(jī)器的差轉(zhuǎn)速和處理量均能影響固液分離效果。臥螺離心機(jī)自動(dòng)化程度高，能夠連續(xù)運(yùn)行，處理能力強(qiáng)，不會(huì)造成二次污染，但是僅適宜處理砂石粒徑小于200 μm的泥漿，否則將對機(jī)器造成磨損且有堵塞風(fēng)險(xiǎn)，此外該方法初期投資大，能耗高，泥餅的含水率通常高于帶式壓濾機(jī)。

(a)結(jié)構(gòu)示意

(b)實(shí)物

壓濾機(jī)和離心機(jī)適宜處理流動(dòng)性較大且無粗顆粒的泥漿，而土壓平衡盾構(gòu)渣土的流動(dòng)性較差，且常含有碎石和砂等粗顆粒，難以直接使用壓濾機(jī)或離心機(jī)脫水。若按泥水平衡盾構(gòu)渣土的處理工藝，則需要向土壓平衡盾構(gòu)渣土中加入數(shù)倍于原始渣土體積的水，經(jīng)稀釋和攪拌均勻后，才能用振動(dòng)篩分離碎石，旋流器分離細(xì)砂，最后用壓濾或離心設(shè)備分離得到泥餅和水。因此，對于高含泥率的土壓平衡盾構(gòu)渣土，若采用先加水稀釋再分離砂石和泥水的處理方法，將導(dǎo)致后期處理的泥漿體積劇增，處理成本高、效率低，因而不具備現(xiàn)實(shí)可行性。

2.3 滲流脫水

當(dāng)土體中存在壓力水頭時(shí)，水分將從勢能較高處向勢能較低處移動(dòng)，形成孔隙滲流。常用的滲流脫水方法有土工管袋、電滲法和真空預(yù)壓法三種。

土工管袋(圖7)為利用高強(qiáng)土工織物編織而成的濾袋，具有過濾能力和抗紫外線性能，一般為長條枕袋狀，其大小可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，脫水周期與濾袋大小成正比[14]。土工管袋脫水的原理是在管袋內(nèi)部的強(qiáng)大壓力作用下排出水分并截留泥漿中的固體顆粒。王松等[15]使用陽離子聚丙烯酰胺預(yù)處理淤泥后，用土工管袋充填并放置15天，淤泥的含水率從80%～90%降至40%～50%。該方法操作簡單，成本低，容積調(diào)節(jié)范圍大，不會(huì)產(chǎn)生噪音，但是占地面積較大，一般需要配合絮凝劑使用，且對于細(xì)顆粒含量高的淤泥，脫水所需時(shí)間更長[8]。

圖7 土工管袋

電滲法(圖8)是指在土體兩端通入直流電后，吸附極性水分子的陽離子在電場作用下向陰極移動(dòng)，而陽極逐漸被疏干的一種排水固結(jié)方法。具體實(shí)施時(shí)，在土中插入通直流電的金屬電極，在電流作用下產(chǎn)生電滲，土中水由陽極流向陰極并被排出。該方法由俄羅斯學(xué)者REUSS提出，CASSAGRANDE首次將其成功應(yīng)用于實(shí)際工程，JONE et al.[16]的研究表明電滲效果與土顆粒的大小、孔隙率關(guān)系不大。由于電滲法能同時(shí)排出自由水和部分弱結(jié)合水，所以對細(xì)顆粒含量多、低滲透性和加荷固結(jié)速度緩慢的淤泥、黏土的脫水效果尤為顯著，在吹填土、湖泊河道底泥、市政污泥和礦山尾礦處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。陳雄峰等[17]采用電滲法對太湖疏浚底泥脫水，含水率從38.72%降至32.85%，但該方法存在電極容易被腐蝕，耗電量大，土體脫水不均勻等缺點(diǎn)。同時(shí)，電滲法不宜處理電解質(zhì)溶液中陰陽離子數(shù)量相當(dāng)?shù)耐馏w，因?yàn)殛庩栯x子數(shù)量接近時(shí)，水分子的動(dòng)力很小，此時(shí)無法發(fā)生電滲[18-19]。

圖8 電滲法

真空預(yù)壓法(圖9)由Kjellman提出，通過抽取排水管道中的水和空氣，使其與土體內(nèi)部形成壓差，土體中的水分由排水通道排出。具體實(shí)施時(shí)，在軟黏土中設(shè)置豎向排水帶或砂井，上鋪砂層并覆蓋封閉薄膜，抽氣使膜內(nèi)排水帶、砂層等處于部分真空狀態(tài)，使土體中的水分向排水通道移動(dòng)并被排出[20]。真空預(yù)壓法處理面積大、影響范圍深，且施工設(shè)備簡單、處理費(fèi)用低、無環(huán)境污染等，在港口、公路、機(jī)場和工民建等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但在真空預(yù)壓過程中，土體中的黏土細(xì)顆粒隨孔隙水遷移至濾膜或排水溝槽處，將堵塞濾膜或溝槽，降低排水效率，且對于有下臥透水層的土體，由于無法形成封閉空間，因而不適用此方法。同時(shí)軟土的含水率一般只能降低至稍大于液限，當(dāng)土的含水率小于液限且為超固結(jié)土?xí)r，真空預(yù)壓法不再適用[21-24]。由于土壓平衡盾構(gòu)渣土的含水率處于液限附近，采用真空預(yù)壓法脫水效果較差。

圖9 真空預(yù)壓法

采用土工管袋、電滲法和真空預(yù)壓法對盾構(gòu)渣土處理的優(yōu)勢是無須預(yù)先分離砂石，可以直接對土石混合物脫水，但有共同的缺點(diǎn)，即脫水時(shí)間較長。其中土工管袋對處理泥水平衡盾構(gòu)渣土具有一定的適宜性，電滲法和真空預(yù)壓法直接用于土壓平衡盾構(gòu)渣土的效果較差。由于電滲法脫水不會(huì)改變孔隙結(jié)構(gòu)和降低滲透系數(shù)，因而其具有更廣闊的應(yīng)用前景。

2.4 聯(lián)合方法

不同脫水方法的局限性和適用范圍不同，越來越多的研究人員開始嘗試對固廢物開展分階段、多種方法聯(lián)合脫水。常用的聯(lián)合方法有電動(dòng)土工合成材料、電滲法聯(lián)合真空預(yù)壓法、電滲法聯(lián)合超聲波等。

金屬電極易被腐蝕且耗能高，限制了電滲法的發(fā)展，但電動(dòng)土工合成材料(EKG)的興起，使電滲法的應(yīng)用進(jìn)入了新的階段。EKG是在傳統(tǒng)土工合成材料中加入導(dǎo)電性物質(zhì)，制成的一種能夠?qū)щ姷耐凉ず铣刹牧?，結(jié)合了電滲法和土工合成材料各自的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[25-27]。采用傳統(tǒng)方法固結(jié)軟土需要半年到一年的時(shí)間，而莊艷峰通過不斷摸索，使用EKG將這個(gè)過程縮短到1～2個(gè)月，極大地提高了工程效率[28]。胡俞晨等[29]使用EKG對軟弱黏土進(jìn)行了加固試驗(yàn)，試驗(yàn)表明土體含水率減小，并產(chǎn)生了顯著的沉降，電極在電滲過程中沒有受到腐蝕。但使用的電極是電阻率較大的導(dǎo)電塑料絲，電能消耗較高，且沒有采用電極轉(zhuǎn)換、間歇通電等技術(shù)，使土體固結(jié)較不均勻，電滲效率較低。KALUMBA et al.[30]的研究表明增大電極表面積、電位梯度，增長處理時(shí)間可以改善脫水效果。

為提升電滲效果、降低能耗，曹永華等[31]采用電滲法聯(lián)合真空預(yù)壓法加固高塑性軟土，在初期和中期采用真空預(yù)壓法加固，后期采用電滲法加固，在不同階段發(fā)揮出各自的優(yōu)勢，使加固效果進(jìn)一步提高，證明了聯(lián)合作用的優(yōu)越性。

為減少土體中結(jié)合水的含量，利用低頻超聲波能將結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水，這是因?yàn)樵诔暡ǖ淖饔孟?，土體內(nèi)部產(chǎn)生局部高溫、高壓和強(qiáng)烈的剪切力，破壞了聚合物相互之間的作用力[32-34]。翟君[35]采用電滲法聯(lián)合超聲波作用于剩余污泥，污泥最終含水率比僅采用電滲法的降低了10.97%，證明了該方法的可行性。

3 結(jié) 語

對于泥水平衡盾構(gòu)渣土和砂石含量高的土壓平衡盾構(gòu)渣土，先利用振動(dòng)篩分離碎石和旋流器除砂，再結(jié)合壓濾機(jī)或離心機(jī)對泥漿脫水是比較經(jīng)濟(jì)可行的方法，但對于高含泥率的土壓平衡盾構(gòu)渣土，傳統(tǒng)脫水方法不再適用。

造成高含泥率土壓平衡盾構(gòu)渣土脫水困難的兩個(gè)主要原因：一是盾構(gòu)渣土為土石混合物，碎石被黏粒包裹，缺乏貫通的孔隙，從而難以形成滲流通道；二是黏土中的水主要以弱結(jié)合水的形式存在，水分子被吸附在黏土礦物表面或礦物晶格層間，需要給予一定能量才能克服黏土礦物對水分子的引力。因此，對高含泥率土壓平衡盾構(gòu)渣土脫水，需要從保持排水通道暢通和減少結(jié)合水含量的角度考慮。保持排水通道暢通就是確保排水過程中盾構(gòu)渣土體積不發(fā)生收縮，其原始孔隙結(jié)構(gòu)和滲透系數(shù)不發(fā)生改變。減少結(jié)合水含量主要從減小黏土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層厚度實(shí)現(xiàn)。黏土顆粒表面通常帶一定量的負(fù)電荷，需要吸附陽離子以保持電荷平衡。由于高價(jià)陽離子比低價(jià)陽離子所帶電量多，因而吸附高價(jià)陽離子的數(shù)量較少，擴(kuò)散雙電層較薄，賦存的結(jié)合水較少。故可以引入高價(jià)陽離子與黏土顆粒表面的低價(jià)陽離子發(fā)生置換反應(yīng)，減小雙電層厚度。

此外，還可以通過添加助濾劑，增大泥餅的剛性，防止過濾阻力的增加，進(jìn)而提升脫水效果。