盾構(gòu)渣土的含水率特征及脫水技術(shù)研究

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)渣土的實物照

盾構(gòu)渣土的傳統(tǒng)處理方式通常為運輸至指定的渣土受納場露天堆放或者在項目回填區(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]，其直接原因為受納場沒有建設(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)展和社會環(huán)保意識的提高，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用，另一方面也會因為減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，粗骨料未形成骨架，懸浮在細(xì)料土中，形成密實-懸浮結(jié)構(gòu)，可視為多土類渣土；當(dāng)含石量介于40%～70%時，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-骨架結(jié)構(gòu)，可視為中間類渣土；當(dāng)含石量大于70%時，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，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，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、五號線不同位置取樣開展室內(nèi)實驗，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。這是因為巖石風(fēng)化程度高時，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，這是因為黏土吸水率大于石粉的吸水率。

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速度、濕度。同時，土壤的自身特性，如礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒級配對蒸發(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，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) 實物

(a)結(jié)構(gòu)示意

(b) 實物

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)自動化程度高，能夠連續(xù)運行，處理能力強(qiáng)，不會造成二次污染，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，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)實物

壓濾機(jī)和離心機(jī)適宜處理流動性較大且無粗顆粒的泥漿，而土壓平衡盾構(gòu)渣土的流動性較差，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)實可行性。

2.3 滲流脫水

當(dāng)土體中存在壓力水頭時，水分將從勢能較高處向勢能較低處移動，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，而陽極逐漸被疏干的一種排水固結(jié)方法。具體實施時，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。同時，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，因為陰陽離子數(shù)量接近時，水分子的動力很小，此時無法發(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。具體實施時，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，即脫水時間較長。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，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間，而莊艷峰通過不斷摸索，使用EKG將這個過程縮短到1～2個月，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，試驗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，這是因為在超聲波的作用下，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。由于高價陽離子比低價陽離子所帶電量多，因而吸附高價陽離子的數(shù)量較少，擴(kuò)散雙電層較薄，賦存的結(jié)合水較少。故可以引入高價陽離子與黏土顆粒表面的低價陽離子發(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。