林 珊，夏星宇，阮艷妹，程從密，宋辰峰

（1、廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510010；2、廣州大學(xué) 廣州 510006）

1 概述

盾構(gòu)法是一種全機(jī)械化的施工方法，該方法一邊讓盾構(gòu)機(jī)在地下穩(wěn)步推進(jìn)開挖土體，一邊通過盾構(gòu)機(jī)的外殼和管片支撐著周圍的巖體以防崩塌。為了開發(fā)城市的地下空間，盾構(gòu)法因其效率高、安全系數(shù)高、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)被廣泛使用。但不可避免的是，在盾構(gòu)施工的過程中會(huì)產(chǎn)生大量盾構(gòu)渣土等建筑垃圾。

國家“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃中明確提出，要推動(dòng)建筑廢棄物的高效處理與再利用。2019年1月21日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》，全國各地正在加緊落實(shí)。結(jié)合廣州市建設(shè)“無廢城市”的工作需要，針對廣州市的盾構(gòu)渣土進(jìn)行資源化處理與多元化應(yīng)用顯得刻不容緩。

為滿足社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)需要，必須開展廣州市盾構(gòu)渣土的分類及理化性能研究，建立適用于廣州市復(fù)合地層的盾構(gòu)渣土分類準(zhǔn)則。同時(shí)要研發(fā)各種盾構(gòu)渣土的預(yù)處理工藝，完善盾構(gòu)渣土資源化處理的相關(guān)理論，結(jié)合廣州市的實(shí)際情況推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，為廣州市盾構(gòu)渣土的資源化處理提供理論指導(dǎo)、技術(shù)支撐、實(shí)施路徑和案例參考。

當(dāng)然，最重要的是廣泛調(diào)研目前國內(nèi)外各主要地區(qū)盾構(gòu)渣土多元化應(yīng)用的主要產(chǎn)品及推廣情況，根據(jù)廣州市盾構(gòu)渣土的資源化分類及市場需要具體問題具體分析，提出貼合廣州市實(shí)際情況的盾構(gòu)渣土資源化產(chǎn)品創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化建議，研究進(jìn)一步利用盾構(gòu)渣土制備人造板材、燒結(jié)磚、免燒磚、陶粒和陶瓷等新型盾構(gòu)渣土高值利用產(chǎn)品的方法策略。

2 盾構(gòu)渣土的理化性能與分類

盾構(gòu)渣土的理化性能，就是指其在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)方面的有關(guān)指標(biāo)和參數(shù)?！吨榻侵匏Y源配置工程盾構(gòu)隧洞開挖渣土資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究年度總結(jié)報(bào)告》中指出，根據(jù)泥餅的化學(xué)成分及礦物成分分析，不同來源渣土的化學(xué)成分具有相似性，氧化硅的占比高達(dá)60%～85%，氧化鋁的占比在5%～18%，氧化鐵的占比在3%～5%。除此之外還有氧化鈦、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉等成分。泥餅在經(jīng)過800 ℃高溫處理后，氧化鋁含量提高到27.12%。

目前，我國針對盾構(gòu)渣土并沒有明確的規(guī)范或行業(yè)上的分類。通常意義上，可根據(jù)渣土的來源，將盾構(gòu)渣土分為土壓盾構(gòu)渣土、泥水盾構(gòu)渣土、地下連續(xù)墻渣土和基坑渣土，城市地鐵工程大多使用土壓平衡盾構(gòu)施工。值得注意的是，就算是同一來源的渣土，也可能會(huì)因?yàn)樵貙拥耐馏w性質(zhì)、施工工藝以及擾動(dòng)程度等的差別，在工程性質(zhì)、處理工藝、綜合利用等方面有著顯著的差異，因此理應(yīng)對其進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化分類［1］。

朱偉等人［1］參考了日本的《建設(shè)発生土利用技術(shù)マニュアFI》［2］，對盾構(gòu)渣土進(jìn)行了更為細(xì)化的分類，其中包括砂礫（粗顆粒的卵石、礫石、砂）、砂礫土（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、粉土顆粒，含水率通常大于80%）以及泥漿（呈液體流動(dòng)狀）六類。只有對盾構(gòu)渣土進(jìn)行了細(xì)致、明確的分類，才能針對性地找到適合不同樣態(tài)盾構(gòu)渣土的利用途徑，更加有效地對其進(jìn)行無害化的工程處理和資源化的綜合利用，從而物盡其用、化廢為寶，建設(shè)美麗清潔的城市和資源節(jié)約型社會(huì)。

3 盾構(gòu)渣土的預(yù)處理技術(shù)

考慮到盾構(gòu)施工技術(shù)未來發(fā)展的前景，借鑒國內(nèi)外對于盾構(gòu)渣土的處理工藝，本文對盾構(gòu)渣土的預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了整理，包括渣土分選技術(shù)、土性改良技術(shù)、脫水技術(shù)和除鐵技術(shù)等。

3.1 渣土分選技術(shù)

通過簡單篩分就能作為材料進(jìn)行直接利用的盾構(gòu)渣土，通常屬于砂礫、砂礫土、硬黏土、黏土這幾類渣土。

盾構(gòu)渣土是否需要經(jīng)過篩分，當(dāng)然要視渣土的級配情況而定。若渣土中可利用的組分較多，則進(jìn)行簡單的篩分即可。若渣土中混有黏土、渣泥或是泥漿，則必須利用洗砂設(shè)備對其進(jìn)行清洗。若渣土中可直接利用的顆粒含量很少，則可以直接碾壓用作建筑材料和土材料［1］。

劉志峰［3］結(jié)合深圳地鐵10號線施工項(xiàng)目，研發(fā)出了一種新型的渣土篩分機(jī)器，該機(jī)器的主要特征是利用不同孔徑的過濾網(wǎng)對盾構(gòu)渣土進(jìn)行篩選分離，從而得到不同級配的粗細(xì)顆粒和泥漿。該機(jī)器效率高、成本低、簡易安全且可靠。

化學(xué)絮凝法也具有較高的效率和收益，可以有效地減少泥漿處理的工作量。呂林海等人［4］通過實(shí)驗(yàn)研究了化學(xué)絮凝法中泥漿分離效果受何種因素影響，最終發(fā)現(xiàn)絮凝劑濃度對于分離效果的影響最大，泥漿的pH值次之，攪拌速度影響最小。

3.2 土性改良技術(shù)

對于含水率較高的盾構(gòu)渣土，若要投入資源化利用，土性改良是非常必要的。而土性改良技術(shù)一般有改良碾壓處理技術(shù)、碾壓型固化處理技術(shù)、澆筑型固化處理技術(shù)和輕質(zhì)型固化處理技術(shù)等。

改良碾壓處理技術(shù)主要針對黏土和渣泥，雖然其含水率較高，但依舊能夠進(jìn)行碾壓施工。如果土體性質(zhì)不能滿足工程需要，可以考慮將水泥、石灰或其他改性材料添加到渣土中再碾壓，以滿足實(shí)際工程的需求。而碾壓型固化處理技術(shù)主要針對渣泥這一類不能直接進(jìn)行碾壓而需要經(jīng)過固化處理的盾構(gòu)渣土。固化處理時(shí)在渣土中添加具有水硬性的材料，使得渣土中的自由水變成凝膠態(tài)，這有助于粘結(jié)土顆粒，改善渣泥的性質(zhì)。澆筑型固化處理技術(shù)主要針對渣泥，也適用于砂礫土、硬黏土、黏土這幾類盾構(gòu)渣土，該技術(shù)就是用渣土、水泥、水的混合物直接澆筑。澆筑型固化處理技術(shù)所需要用到的固化材料相較于碾壓型固化處理技術(shù)要更多，畢竟?jié)仓凸袒幚頃r(shí)渣土的含水率更高，強(qiáng)度也就更難保證［1］。

當(dāng)然，近年來也流行第四種土性改良技術(shù)，即輕質(zhì)型固化處理技術(shù)。此類技術(shù)往往在碾壓型固化處理中添加EPS 泡沫塑料顆粒［5］，或是在澆筑型固化處理技術(shù)的攪拌中添加特制氣泡使土中產(chǎn)生均勻孔隙［6-7］，從而得到輕質(zhì)高強(qiáng)的填土。

龔振宇等人［8］為了解決盾構(gòu)施工中刀盤結(jié)泥餅的問題，研究了分散型泡沫劑對于盾構(gòu)渣土的改良效果。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)分散型泡沫劑的濃度增加時(shí)，其發(fā)泡倍率也隨之增加，最佳發(fā)泡倍率出現(xiàn)在0.3 MPa 的發(fā)泡壓力下，分散型泡沫劑能有效解決盾構(gòu)渣土的餅化問題。黃逢源等人［9］也針對富水砂層的盾構(gòu)渣土進(jìn)行了改良實(shí)驗(yàn)，研究表明當(dāng)使用濃度3%的泡沫劑溶液和配合比為1∶8的膨潤土泥漿時(shí)，土性改良效果較好。

3.3 脫水技術(shù)與除鐵技術(shù)

對于盾構(gòu)渣土，預(yù)處理技術(shù)還包括脫水技術(shù)和除鐵技術(shù)兩大方面。

脫水技術(shù)包含的范疇相當(dāng)廣泛，其中最基本也最簡單的方法是天然晾曬。此外，還有土工管袋脫水技術(shù)、離心脫水技術(shù)和板框壓濾技術(shù)等更為復(fù)雜的脫水方法［1］。

除鐵技術(shù)在盾構(gòu)渣土余泥的預(yù)處理中也至關(guān)重要，物理方法如浮選法和磁選法等可以用于去除鐵礦物，而化學(xué)方法如氧化還原法、無機(jī)酸反應(yīng)法和有機(jī)酸反應(yīng)法等也是常用的除鐵手段。此外，微生物除鐵法近年來也正應(yīng)運(yùn)而生。在利用盾構(gòu)渣土余泥制備陶瓷的資源化利用中，除鐵技術(shù)的重要性則更為凸顯［10］。

4 盾構(gòu)渣土的綜合利用

2019年1月21日，國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《“無廢城市”建設(shè)試點(diǎn)工作方案》［11］。習(xí)近平總書記在黨的十八屆五中全會(huì)上提出，我國要深入貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念，“無廢城市”的建設(shè)正是以新發(fā)展理念為綱領(lǐng)，持續(xù)推進(jìn)固體廢物的資源化處理和多元化應(yīng)用，力求推動(dòng)城市的綠色發(fā)展。盾構(gòu)渣土的多元化應(yīng)用，除了填埋土地、填海造陸、山體修復(fù)等傳統(tǒng)的利用方式外，還可以在加工處理后用作混凝土、人造板材、燒結(jié)磚、免燒磚、陶粒、陶瓷等的制作［12-13］。

4.1 直接利用

盾構(gòu)渣土的體量巨大，難以徹底清除，最常見的資源化利用方向當(dāng)然是“來源于土，還原于土”，將盾構(gòu)渣土用作土材料是最為普遍的?；靥钔晾?、充填土利用、堤防利用、路基利用和綠化種植土利用等是較為多見的盾構(gòu)渣土資源化利用途徑［1］。

趙濤等人［14］分析了盾構(gòu)渣土的特性，通過渣土改良試驗(yàn)，探索出了盾構(gòu)渣土的綠色應(yīng)用途徑。其中明確指出，由砂卵石地層而來的骨料適用于填充城市道路的路基，而由軟弱地層而來的骨料適用于基礎(chǔ)工程，用以增加樁端的面積和對軟土地基進(jìn)行加固處理。ZUBAIR 等人［15］經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，在盾構(gòu)施工中被浪費(fèi)掉的紅土礦適合用于道路地基施工，且摻入石灰進(jìn)行改性的紅土礦性能更好，比摻入水泥的沉積土更適合作為道路基礎(chǔ)。郭沁穎等人［16］的研究也表明，盾構(gòu)渣土經(jīng)過石灰、脫硫石膏等材料的改良后，其力學(xué)性能、水穩(wěn)性、耐久性均可得到較好的改善，可以用作路基填筑。

尹曾甫等人［17］的研究指出，工程渣土經(jīng)過泥砂分離工藝殘存下來的泥餅經(jīng)過搗碎、攪拌、養(yǎng)護(hù)等程序，可制作成園林綠化土。當(dāng)然，用作園林綠化土的盾構(gòu)渣土在pH 值、全鹽量、有機(jī)質(zhì)含量和水解性氮含量等方面要嚴(yán)格滿足環(huán)保要求。ZHANG 等人［18］的實(shí)驗(yàn)也表明泥水盾構(gòu)渣土以及含粉煤灰的泥水盾構(gòu)渣土十分適合作為黑麥草的土壤基質(zhì)。

4.2 骨料類

盾構(gòu)渣土在進(jìn)行預(yù)處理之后，會(huì)形成不同級配的骨料，這些骨料常常用于普通混凝土、自密實(shí)混凝土、透水混凝土、砂漿和人造板材等的制備，是良好的建筑資源。

魏成娟等人［19］研究了渣土摻量對C30 混凝土性能的影響。研究結(jié)果表明，隨著渣土摻量的增多，混凝土的初始坍落度和坍落度損失都會(huì)下降，混凝土的孔隙會(huì)增多。研究也發(fā)現(xiàn)，含有渣土的混凝土抗壓強(qiáng)度不如基準(zhǔn)組，只有當(dāng)渣土摻量是水泥的10%時(shí)，其28 天的抗壓強(qiáng)度才與基準(zhǔn)組基本接近。王海良等人［20］也在研究中進(jìn)一步得出了結(jié)論，加入渣土可以有效改善C30 混凝土的抗?jié)B性能，特別當(dāng)渣土摻量是水泥的15%時(shí)，其抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。但是劉春等人［21］研究渣土摻量對C50 混凝土性能的影響時(shí)，得出了與上述研究很不一樣的結(jié)論。含有渣土的C50 混凝土雖然早期強(qiáng)度不如基準(zhǔn)組，但28 d 的抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)組，尤其當(dāng)渣土摻量是水泥的7.5%時(shí)最高。同時(shí)，摻入的渣土越多，C50混凝土的孔隙越少。王海良等人［22］又研究了不同制備工藝下?lián)饺牍こ淘恋幕炷恋男阅?，發(fā)現(xiàn)摻入渣土的混凝土在渣土漿代替法下的強(qiáng)度要高于渣土直接代替法，且在粗細(xì)骨料全造殼工藝的制備下，混凝土28 d 的強(qiáng)度能達(dá)到41.8 MPa的最高強(qiáng)度。

盾構(gòu)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脹聚苯乙烯輕質(zhì)混凝土制作復(fù)合夾芯墻板，該墻板粘結(jié)性能較好，其抗壓強(qiáng)度和耐火極限等指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

除此之外，將盾構(gòu)渣土用作盾構(gòu)施工的輔助材料，例如用作壁后注漿材料或是配制掘進(jìn)泥漿，也是較為常見的利用方式。這樣的資源化利用可以現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)，以免盾構(gòu)渣土在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中帶來環(huán)境的污染［13］。

4.3 利用其潛在水硬性

盾構(gòu)渣土由于具有一定的潛在水硬性，往往可以用于免燒磚、免燒陶粒等的制備。免燒磚、免燒陶粒等產(chǎn)品實(shí)用性高、低碳環(huán)保，不像燒結(jié)類的產(chǎn)品需要消耗大量能源。

學(xué)校招待所模式雖然能夠較好地服務(wù)于學(xué)校的學(xué)術(shù)交流，但從風(fēng)險(xiǎn)防范和經(jīng)營效益等方面來看，該模式存在較大的缺陷，主要表現(xiàn)在：

CHEN 等人［24］以盾構(gòu)渣土為基質(zhì)制備了免燒磚，當(dāng)石灰摻量為10%，水泥摻量為5%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，該免燒磚的整體抗壓強(qiáng)度顯著提高。王樹英等人［25］通過實(shí)驗(yàn)探究了盾構(gòu)渣土免燒空心磚的抗壓強(qiáng)度和耐水性能，研究發(fā)現(xiàn)摻入固化劑或石灰的免燒磚，其單軸抗壓強(qiáng)度都得到了一定的提高，但如果石灰添加過量則會(huì)適得其反。除此之外，水玻璃也能提高免燒磚的強(qiáng)度，不過會(huì)造成其耐水性能在一定程度上降低。

李大山等人［26］以渣土為原料制作了高強(qiáng)度的免燒陶粒，并詳細(xì)研究了渣土的組分、養(yǎng)護(hù)的溫度和硬化劑的摻量對其性能的影響。研究得出結(jié)論，以砂土和黏土混合形成的渣土最有利于高強(qiáng)度陶粒的制備，硬化劑的摻量也對陶粒的筒壓強(qiáng)度影響頗大，而提高養(yǎng)護(hù)溫度則可以提高增強(qiáng)陶粒強(qiáng)度的速度。張卓等人［27］以盾構(gòu)渣土、水泥等為原材料，在室溫環(huán)境下成功制作出強(qiáng)度較好的免蒸免燒陶粒，并通過重金屬離子浸出實(shí)驗(yàn)，對比了該陶粒和純渣土的重金屬離子最大浸出量。研究發(fā)現(xiàn)陶粒中的重金屬離子最大浸出量是純渣土的一半左右。由此可見，該陶粒能有效固化重金屬離子，對于保護(hù)城市的水體質(zhì)量有著切實(shí)的好處。

但郭衛(wèi)社等人［28］指出，我國目前雖已掌握了利用盾構(gòu)渣土制作高強(qiáng)高密度陶粒的技術(shù)，但由于工藝水平的限制和經(jīng)濟(jì)成本的制約，該技術(shù)尚未達(dá)到規(guī)?；陌l(fā)展。

4.4 燒結(jié)類

盾構(gòu)渣土還可以用作制備燒結(jié)磚、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等燒結(jié)類的產(chǎn)品。這樣的資源化利用既對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)起著積極的作用，同時(shí)也能化廢為寶、節(jié)約資源。

正因?yàn)槎軜?gòu)渣土中富含鋁硅酸鹽成分，所以利用其制作燒結(jié)磚就具有了較高的可行性。馬載紅等人［29］通過實(shí)驗(yàn)分析了廢棄土在制作燒結(jié)磚方面的優(yōu)勢，利用盾構(gòu)渣土制作燒結(jié)制品是切實(shí)可行的。盧紅霞等人［30］以建筑渣土、建筑廢玻璃和高爐渣為原料制備了高性能的燒結(jié)磚，其中建筑渣土的占比為80%時(shí)，作為燒結(jié)磚的主體骨架最為合適。

近年來，陶粒憑借其密度低、質(zhì)量輕、孔隙率高的特點(diǎn)和優(yōu)良的隔熱、保溫、耐火、抗凍、耐久、抗?jié)B性能，在全世界得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。而利用渣土制備不同密度等級和粒徑的陶粒也在近些年得到了廣泛的研究［31-32］。謝發(fā)之等人［33］以地鐵盾構(gòu)渣土、稻草秸稈和氧化鎂等為主要原料，利用燒結(jié)法制備了一種盾構(gòu)渣土基碳復(fù)合陶粒，并研究了其除磷性能。研究結(jié)果表明，最佳燒結(jié)溫度為700 ℃，且盾構(gòu)渣土、稻草秸稈粉末和氧化鎂的質(zhì)量比為7∶2∶1 時(shí)，制作出來的陶粒除磷性能最佳。

而原料中的鐵含量過高會(huì)嚴(yán)重影響陶瓷的白度和性能，陶瓷原料中鐵元素含量在0.5%左右最為合適。喬國龍等人［10］研究發(fā)現(xiàn)物理磁選除鐵技術(shù)和化學(xué)反應(yīng)除鐵技術(shù)均對降低盾構(gòu)渣土中的鐵元素含量，提升陶瓷的白度有一定積極作用。特別是使用草酸浸泡的化學(xué)反應(yīng)除鐵技術(shù)，可以使陶瓷的白度達(dá)到31.43%。較高鐵元素含量的盾構(gòu)渣土可以用于燒制仿古陶瓷，燒制出來的陶瓷為黑褐色。

5 結(jié)論

本文通過綜述相關(guān)領(lǐng)域高質(zhì)量文獻(xiàn)，將盾構(gòu)渣土的資源化處理方案與多元化應(yīng)用途徑總結(jié)如下：

⑴目前，我國針對盾構(gòu)渣土并沒有明確的規(guī)范或行業(yè)上的分類。本文參照國內(nèi)外劃分標(biāo)準(zhǔn)，將盾構(gòu)渣土分成了砂礫、砂礫土、硬黏土、黏土、渣泥和泥漿六類。

⑵利用化學(xué)絮凝法分離泥漿，絮凝劑濃度對于分離效果的影響最大，泥漿的pH 值次之，攪拌速度影響最小。

⑶利用分散型泡沫劑對盾構(gòu)渣土進(jìn)行改良，最佳發(fā)泡倍率出現(xiàn)在0.3 MPa 的發(fā)泡壓力下。當(dāng)使用濃度3%的泡沫劑溶液和配合比為1∶8 的膨潤土泥漿時(shí)，土性改良效果較好。

⑷加入渣土可以有效改善C30 混凝土的抗?jié)B性能，當(dāng)渣土摻量是水泥的15%時(shí)，其抗?jié)B性能達(dá)到最優(yōu)。

⑸加入渣土可以有效提升C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)渣土摻量是水泥的7.5%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高。

⑹以盾構(gòu)渣土為基質(zhì)制備免燒磚，當(dāng)石灰摻量為10%，水泥摻量為5%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，該免燒磚的整體抗壓強(qiáng)度顯著提高。

⑺盾構(gòu)渣土在制備燒結(jié)磚、陶粒、多孔陶瓷、仿古陶瓷等燒結(jié)類的產(chǎn)品中也有不俗表現(xiàn)。