盾構(gòu)隧道渣土資源化再利用技術(shù)研究及展望

謝亦朋，張 聰，陽(yáng)軍生, *，傅金陽(yáng)，肖 超，占永杰

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.中建五局土木工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)的高速發(fā)展，盾構(gòu)法作為一種具有高效、安全、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)的施工方法，已被廣泛應(yīng)用于軌道交通、市政公路、城市綜合管廊等工程建設(shè)中。與此同時(shí)，盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中產(chǎn)生的工程渣土也在逐年陡增，僅2020年長(zhǎng)沙市盾構(gòu)渣土生產(chǎn)總量便高達(dá)598萬(wàn)t[1]，全國(guó)在建的地鐵盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的渣土總量已突破2.25億m3，渣土處置費(fèi)用預(yù)計(jì)高達(dá)582億元[2]，大量未經(jīng)處理的盾構(gòu)渣土已成為阻礙城市盾構(gòu)隧道安全高效建設(shè)的一大難題。自“十三五”規(guī)劃實(shí)施以來(lái)，我國(guó)積極推進(jìn)落實(shí)建筑垃圾源頭減量與資源化利用的相關(guān)政策，并逐漸形成了建筑垃圾資源化利用的產(chǎn)業(yè)體系及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而，盾構(gòu)隧道渣土是一種含有黏土礦物、發(fā)泡劑、高聚物改性材料的高含水率、低滲透性流塑狀土[3]，其成分組成與理化特征上的特殊性使其難以完全沿用傳統(tǒng)建筑垃圾的消納處置與資源化再利用方式。

目前，我國(guó)盾構(gòu)隧道工程渣土的產(chǎn)量巨大，但其資源化再利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)規(guī)模卻相對(duì)滯后，處理方式仍以堆放、填埋為主，已引發(fā)一系列施工問(wèn)題，乃至環(huán)境、安全的次生危害：1)我國(guó)工程渣土處置管理要求嚴(yán)格，盾構(gòu)隧道渣土產(chǎn)量高、占地面積大，但施工中可用于臨時(shí)貯存渣土的場(chǎng)地十分有限，渣土管理難以滿(mǎn)足城市環(huán)保管制規(guī)定，導(dǎo)致停工整改或處罰，嚴(yán)重影響施工效率[4]；2)渣土產(chǎn)量超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)貯存能力后需要外運(yùn)處置，運(yùn)輸過(guò)程中難以避免揚(yáng)塵、遺撒現(xiàn)象，在堤塘、河道隨意傾倒盾構(gòu)渣土的違規(guī)處置現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生[5-6]，造成了市容破壞并帶來(lái)交通安全隱患；3)未處理的盾構(gòu)渣土外運(yùn)堆積在消納場(chǎng)地中，不同地層物源的盾構(gòu)渣土在含水率、滲透性、顆粒組成與易蝕程度上存在較大差異，其堆填體內(nèi)部不均勻性顯著，降雨條件下易形成飽水軟弱滑帶，導(dǎo)致坡體失穩(wěn)[7-8]；4)盾構(gòu)渣土中含有部分改性添加劑，渣土長(zhǎng)期處于露天堆置狀態(tài)，地表水入滲會(huì)將各種添加劑成分帶入土壤中，污染水土環(huán)境[9]。為此，考慮到盾構(gòu)渣土對(duì)隧道施工、城市環(huán)境及居民出行帶來(lái)的諸多影響，開(kāi)展盾構(gòu)隧道工程渣土資源化再利用技術(shù)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。

本文總結(jié)梳理了盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)渣土的分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)及其作為盾構(gòu)施工輔助材料、再生建筑材料、植被復(fù)墾材料、工程填筑材料的再利用技術(shù)進(jìn)展，分析闡明了目前盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)仍面臨標(biāo)準(zhǔn)、方法、設(shè)備、市場(chǎng)效益等方面的挑戰(zhàn)，構(gòu)建了盾構(gòu)渣土資源化再利用的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程。隨后，重點(diǎn)介紹了盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料、植被復(fù)墾基質(zhì)和免燒建筑材料等方面的再利用新技術(shù)。結(jié)合既有技術(shù)在分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)、再利用可行性分析、工藝與產(chǎn)品性能優(yōu)化方法等方面的不足，提出了盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的分級(jí)再利用標(biāo)準(zhǔn)，討論了渣土再生產(chǎn)品性能優(yōu)化的多目標(biāo)規(guī)劃技術(shù)及應(yīng)用，介紹了盾構(gòu)渣土作為植被復(fù)墾基質(zhì)的再利用可行性試驗(yàn)方法，提出了盾構(gòu)渣土制備免燒空心磚的工藝流程與參數(shù)優(yōu)化思路。研究成果對(duì)進(jìn)一步提高中國(guó)隧道與地下工程的綠色建造水平，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”的生態(tài)文明建設(shè)愿景具有積極的意義。

1 盾構(gòu)渣土資源化再利用現(xiàn)狀

1.1 盾構(gòu)渣土的分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)渣土是盾構(gòu)隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的工程渣土及工程泥漿的總稱(chēng)。在土壓平衡盾構(gòu)中，刀盤(pán)切削會(huì)產(chǎn)生與原地層性質(zhì)相似的工程渣土，而在富水地層不滿(mǎn)艙施工的特殊情況下，掘削土將與滲入土艙的地下水混合成為工程泥漿[10]。在泥水平衡盾構(gòu)中，掘削土在泥水艙內(nèi)形成泥漿并經(jīng)排泥泵輸出至地表泥水分離系統(tǒng)，經(jīng)篩分、旋流分離、機(jī)械脫水等預(yù)處理環(huán)節(jié)，得到不同粒徑組成與不同含水狀態(tài)的各級(jí)工程渣土及工程泥漿[11]。針對(duì)工程渣土與工程泥漿，日本學(xué)者提出了200 kPa擊實(shí)后錐度儀貫入指數(shù)與50 kPa無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的界定標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為大于該值的渣土與小于該值的泥漿應(yīng)分別視為“工程副產(chǎn)物”與“建設(shè)污泥”進(jìn)行處置與再利用[12]。朱偉等[13]在此基礎(chǔ)上根據(jù)顆粒組成、擊實(shí)后錐度儀貫入指數(shù)、含水率、流動(dòng)狀態(tài)，將工程渣土與工程泥漿細(xì)分為6個(gè)等級(jí)，并提出了各自適用的再利用方式。我國(guó)現(xiàn)行的DBJ 43/T 515—2020《湖南省盾構(gòu)渣土處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[14]指出，工程渣土與工程泥漿可通過(guò)集中處理工廠(chǎng)分級(jí)處理為砂石集料與干化土，其中砂石集料可作為再生建筑材料或用于回填，干化土可用于制磚或作為道路工程原料，并對(duì)再生產(chǎn)品的性能提出了建議指導(dǎo)。

由于不同的初始地層條件與施工方法也會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)渣土性能的差異，如地層條件的差異會(huì)導(dǎo)致渣土顆粒在粒徑級(jí)配、礦物成分、顆粒形態(tài)、強(qiáng)度與耐久性等特征上有所區(qū)別，而施工方法的區(qū)別也會(huì)影響各級(jí)渣土的理化特性，因此，集中處理后的砂石集料與干化土存在進(jìn)一步細(xì)化分類(lèi)的空間。20世紀(jì)90年代以來(lái)，奧地利、意大利、瑞士等國(guó)家的研究人員在工程實(shí)踐中總結(jié)出多種分類(lèi)再利用體系，其中最具有代表性的是Oggeri等[15]結(jié)合隧道開(kāi)挖方法與初始地層條件所提出的涉及鉆爆法與盾構(gòu)法施工的隧道渣土分類(lèi)方法，其中有關(guān)盾構(gòu)隧道渣土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)及建議再利用方式如表1所示。

表1 盾構(gòu)隧道渣土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)及建議再利用方式

值得關(guān)注的是，盾構(gòu)隧道施工時(shí)常用的渣土改良劑往往混合在盾構(gòu)渣土中，如泡沫劑、分散劑、黏土礦物、絮凝劑等。其中，泡沫劑主要包含表面活性劑成分，分散劑多為纖維素衍生物、聚羧酸鹽等化學(xué)添加劑，絮凝劑多為聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素、聚陰離子纖維素等藥劑[16]。在上述改良劑的作用下，盾構(gòu)渣土的流塑性、強(qiáng)度、黏附性、壓縮性等物理力學(xué)性能發(fā)生顯著改變。表2示出了典型黏性、非黏性渣土在改良劑作用下的典型物理力學(xué)性能變化情況。這些性能變化往往利于盾構(gòu)施工，但對(duì)于盾構(gòu)渣土的再生利用而言，應(yīng)根據(jù)不同的改性結(jié)果，分類(lèi)考慮合適的再利用方式。然而，目前國(guó)內(nèi)外尚未形成有關(guān)此方面的系統(tǒng)分類(lèi)指導(dǎo)。

表2 盾構(gòu)渣土在改良劑作用下的典型物理力學(xué)性能變化

1.2 盾構(gòu)渣土的再利用途徑與技術(shù)進(jìn)展

1.2.1 盾構(gòu)施工輔助材料

將盾構(gòu)渣土作為盾構(gòu)施工輔助材料進(jìn)行再利用是一種有效的現(xiàn)場(chǎng)資源化利用途徑，可以避免渣土轉(zhuǎn)運(yùn)帶來(lái)的次生污染，具有經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)。目前，常見(jiàn)的盾構(gòu)施工輔助材料再利用方式包括盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的再利用與盾構(gòu)渣土配制掘進(jìn)泥漿2類(lèi)。

1.2.1.1 盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的再利用

盾構(gòu)施工中常采用由水泥、粉煤灰、水、膨潤(rùn)土與砂骨料等原材料組成的單液活性漿材作為壁后注漿材料。在盾構(gòu)渣土中，砂土、黏土是常見(jiàn)組分，其中砂土具有替代壁后注漿材料中砂骨料的可能性，黏土具有替代膨潤(rùn)土的可能性。近年來(lái)，關(guān)于盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的再利用研究主要圍繞具體工程案例開(kāi)展，表3示出代表性案例中的盾構(gòu)渣土再利用方案及性能指標(biāo)。

表3 盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的典型再利用方案及性能指標(biāo)

研究表明，利用工程渣土或工程泥漿的盾構(gòu)壁后注漿材料各項(xiàng)指標(biāo)基本可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，但注漿材料的強(qiáng)度、流動(dòng)度等工作性能仍存在優(yōu)化空間。鐘小春等[24]以渣土中粉黏粒與砂粒含量比為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)，指出漿液密度、稠度、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等均隨其變化而改變，并提供了地層不均勻時(shí)壁后注漿材料配比的調(diào)整思路；郝彤等[25]通過(guò)單因素試驗(yàn)得到了注漿材料可泵性、和易性受渣土摻量與水膠比的影響規(guī)律；Zhou等[26]以膠砂比、粉灰比為變量進(jìn)行了5組單因素試驗(yàn)，并得到了性能最優(yōu)組；楊釗等[27]采用正交試驗(yàn)對(duì)水膠比、粉灰比、砂膠比、泥漿相對(duì)體積質(zhì)量4個(gè)因素進(jìn)行了單因素影響分析。一方面，上述研究多停留在單因素影響下的性能變化規(guī)律分析上，未考慮多因素的交互作用，難以獲取多因素影響下的工作性能最優(yōu)值；另一方面，如表2所示，不同地層條件下盾構(gòu)棄渣的再利用方案以及注漿材料的理想工作性能有顯著差異，而如何根據(jù)某類(lèi)施工方法與地層條件，分類(lèi)選擇合適的再利用方案，確定漿液材料的最優(yōu)工作性能目標(biāo)，并結(jié)合市場(chǎng)效益目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)的配比優(yōu)化，是相關(guān)研究仍待深入的方向。

1.2.1.2 盾構(gòu)渣土配制掘進(jìn)泥漿

泥水平衡盾構(gòu)中泥漿的成膜性能是維持開(kāi)挖面穩(wěn)定的重要影響因素。高質(zhì)量的泥漿通常采用膨潤(rùn)土配制，而泥水平衡盾構(gòu)渣土中含有大量的黏性成分，可采用合理配比替代膨潤(rùn)土進(jìn)行掘進(jìn)泥漿配制。目前，盾構(gòu)渣土在掘進(jìn)泥漿中的再利用研究主要圍繞工程實(shí)踐開(kāi)展。如張亞洲等[28]依托南京緯三路過(guò)江通道穿越粉細(xì)砂地層段，采用淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土棄渣與增黏劑配制了密度為1.12 g/cm3、最佳漏斗黏度為20 s的掘進(jìn)泥漿，在施工中可以形成致密的泥皮型泥膜；孔玉清[29]利用南京長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)在粉細(xì)砂、礫砂地層掘進(jìn)中產(chǎn)生的黏土棄渣，結(jié)合膨化膨潤(rùn)土泥漿與高聚物制漿劑調(diào)整黏度，制備出密度為1.18 g/cm3、漏斗黏度為23 s的掘進(jìn)泥漿，并成功應(yīng)用于滲透性較高的礫砂地層；張寧等[30]通過(guò)泥漿成膜試驗(yàn)，提出了粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂、圓礫地層中泥漿成膜的密度、黏度指標(biāo)及渣土泥漿的配比建議。然而，掘進(jìn)泥漿的密度、稠度要求通常隨地層特征的改變而變化，利用渣土制備掘進(jìn)泥漿時(shí)如何及時(shí)調(diào)整渣土摻量是關(guān)鍵問(wèn)題。此外，考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)需要的泥漿規(guī)模有限，還可考慮將黏質(zhì)盾構(gòu)渣土在地下連續(xù)墻成槽泥漿、灌注樁護(hù)壁泥漿的再利用方面開(kāi)展進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用。

1.2.2 再生建筑材料

1.2.2.1 盾構(gòu)渣土制備再生骨料

將滿(mǎn)足一定性能特征的砂石顆?；厥绽脼樵偕橇希M(jìn)一步以再生骨料作為原材料生產(chǎn)混凝土、砂漿、骨料砌塊等，是較早開(kāi)展大規(guī)模研究實(shí)踐的資源化再利用方式。奧地利、意大利等國(guó)家的研究人員針對(duì)粗顆粒制備再生骨料的性能要求進(jìn)行了系統(tǒng)研究。其中，Bellopede等[31]介紹了“REMUCK”項(xiàng)目中盾構(gòu)渣土制備再生骨料的實(shí)踐研究工作，提出盾構(gòu)渣土的針片狀含量與耐磨性是影響其再利用為再生骨料的關(guān)鍵因素，集中處理后渣土的各項(xiàng)性能比現(xiàn)場(chǎng)處理更符合混凝土再生骨料標(biāo)準(zhǔn)；Bellopede等[32]還指出盾構(gòu)渣土的堿集料反應(yīng)程度也是影響其在再生骨料中再利用的重要因素；Voit等[33]以Brenner Base隧道為背景，介紹了盾構(gòu)渣土作為噴射混凝土與結(jié)構(gòu)混凝土骨料的應(yīng)用實(shí)踐，系統(tǒng)測(cè)試了再生骨料噴射混凝土與結(jié)構(gòu)混凝土的工作性能，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)片巖渣土可直接應(yīng)用于混凝土骨料生產(chǎn)，但石英千枚巖渣土由于富含云母的礦物成分，不適合再利用為混凝土骨料。此外，研究人員逐漸開(kāi)始關(guān)注再生骨料產(chǎn)品在復(fù)雜環(huán)境下的服役性能，并對(duì)再生骨料混凝土的高溫、凍融、抗蝕及微生物載具性等進(jìn)行了深入探索[34-37]。

1.2.2.2 盾構(gòu)渣土燒制輕質(zhì)建筑材料

建材燒制是一種傳統(tǒng)的廢棄物再利用方式。對(duì)于黏土地層產(chǎn)生的工程渣土與工程泥漿，往往富含黏土礦物及有機(jī)質(zhì)，適用于磚、砌塊、陶粒等輕質(zhì)建筑材料的燒制[38]。典型的應(yīng)用案例包括Mezencevova[39]對(duì)Savannah港口疏浚產(chǎn)生的黏質(zhì)渣土與天然黏土混合，在1 000 ℃的溫度下燒制出抗壓強(qiáng)度為29.4 MPa的燒結(jié)磚；王智宇等[40]在800 ℃的燒結(jié)溫度下利用泥質(zhì)渣土燒制出MU20強(qiáng)度等級(jí)的實(shí)心磚；Riley等[41]提出黏土制備陶?？尚行栽u(píng)估的三相圖方法，在此基礎(chǔ)上，Chen等[42]評(píng)價(jià)了淤泥狀渣土進(jìn)行陶粒再利用的可行性，并總結(jié)出黏土制備陶粒的系統(tǒng)流程；張磊等[43]成功研發(fā)了700～900 kg/m3密度等級(jí)的高性能渣土陶粒；榮輝等[44]通過(guò)試驗(yàn)研究了焙燒參數(shù)對(duì)陶粒堆積密度、吸水率等性能的影響規(guī)律。一般而言，土質(zhì)地層掘進(jìn)產(chǎn)生的盾構(gòu)渣土含有大量的黏性土成分，同樣具有成為燒制輕質(zhì)建筑材料原料的潛力，如謝發(fā)之等[45]以盾構(gòu)渣土、稻草秸稈與氧化鎂為原材料，研發(fā)出一種水體除磷效果優(yōu)良的新型盾構(gòu)渣土基碳復(fù)合陶粒。然而，盾構(gòu)渣土的燒結(jié)重制難免會(huì)造成能源的次生浪費(fèi)，且燒制過(guò)程中的碳排放量無(wú)法滿(mǎn)足環(huán)保要求，其廣泛推廣應(yīng)用明顯受限。

1.2.2.3 盾構(gòu)渣土制備免燒建筑材料

免燒磚生產(chǎn)一般采用擠壓成型，在加壓狀態(tài)下，膠結(jié)材料顆粒產(chǎn)生滑動(dòng)位移，較小的顆粒被嵌入大顆粒的骨架空隙中，使坯體達(dá)到高密實(shí)度并產(chǎn)生較高的強(qiáng)度[46]?，F(xiàn)有技術(shù)一般以開(kāi)采黏性土或城市淤泥作為基材，以水泥熟料、石膏、石灰等作為固結(jié)材料，結(jié)合一定的外加劑成分，制成的免燒磚材抗壓強(qiáng)度可達(dá)10～15 MPa[47-50]，能夠滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。盾構(gòu)渣土含有較高的黏質(zhì)成分，是一種理想的免燒磚基材，將盾構(gòu)渣土制備為免燒磚既符合現(xiàn)有環(huán)保政策要求，又解決了大量盾構(gòu)渣土的處置難題。

1.2.3 植被復(fù)墾基質(zhì)

隨著土壤科學(xué)、農(nóng)林科學(xué)與工程科學(xué)之間的學(xué)科交叉融合，研究人員開(kāi)展了工程渣土及工程泥漿在植被復(fù)墾基質(zhì)或種植土中再利用技術(shù)的相關(guān)研究。如Whitaker等[51]評(píng)估了廢棄泥漿制備農(nóng)業(yè)復(fù)墾基質(zhì)的可行性，測(cè)試了廢棄泥漿造成土壤中鹽分累計(jì)及養(yǎng)分淋失的程度，提出當(dāng)廢棄泥漿用量少于6 720 kg/hm2且充分考慮降雨與作物生長(zhǎng)時(shí)機(jī)時(shí)，鹽分累計(jì)及養(yǎng)分淋失影響可忽略不計(jì)；Zha等[52]提出采用風(fēng)化煤與磷石膏對(duì)廢棄泥漿中污染元素進(jìn)行固化處理的技術(shù)方案，并通過(guò)高羊茅草的種植培育說(shuō)明了風(fēng)化煤與磷石膏可有效減少重金屬與可溶鹽含量；郭晶晶等[53]基于正交試驗(yàn)方法提出了一種改良后工程渣土種植基質(zhì)的最優(yōu)配比，即0～10 mm粒徑工程渣土結(jié)合9 g羊糞、220 g秸稈、6 g木炭粉；鄧川等[54]則將工程渣土再利用至坡面綠化噴播基質(zhì)中，提出了巖質(zhì)坡面采用該基質(zhì)材料時(shí)的最優(yōu)黏合劑與保水劑用量。近年來(lái)，研究人員開(kāi)始逐漸關(guān)注盾構(gòu)渣土作為植被種植基材的可行性。如楊海君等[55]分析了香樟樹(shù)枝堆肥產(chǎn)物與盾構(gòu)渣土共堆肥的效果，提出園林綠化廢棄物與盾構(gòu)渣土的共堆肥可以有效降解渣土中AES改良劑成分，具備處置為種植土的可行性?？傮w而言，目前有關(guān)盾構(gòu)渣土再利用為植被復(fù)墾基質(zhì)的研究較少，應(yīng)用技術(shù)尚未成熟，且由于盾構(gòu)渣土產(chǎn)自具有一定埋深的地層之中，其孔隙特性、化學(xué)成分及污染物含量可能與地表?xiàng)壴嬖诓町悾渥鳛橹脖粡?fù)墾基質(zhì)的再利用可行性與工藝技術(shù)仍待進(jìn)一步試驗(yàn)探究。

1.2.4 工程填筑材料

1.2.4.1 粗顆粒渣土在工程填筑中的再利用

在合適領(lǐng)域內(nèi)利用盾構(gòu)隧道工程渣土進(jìn)行回填是大規(guī)模資源化再利用的有效途徑。對(duì)于粗顆粒盾構(gòu)渣土，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)钠扑?、打磨與級(jí)配調(diào)整后即可應(yīng)用為工程填筑材料。如Riviera等[56]選取了破碎處理前后阿爾卑斯山區(qū)的典型粗顆粒盾構(gòu)棄渣，采用多種試驗(yàn)方法系統(tǒng)測(cè)試了渣土的壓實(shí)性與靜、動(dòng)力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)許多在巖性、棱角、形狀等指標(biāo)上無(wú)法滿(mǎn)足混凝土骨料要求的粗顆粒渣土可分級(jí)作為面層、基層與墊層進(jìn)行填筑再利用；Mlinar等[57]、Tauer等[58]結(jié)合具體案例，介紹了盾構(gòu)隧道棄渣在路基填筑中的再利用技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)流程；Tokg?z等[59]介紹了將伊斯坦布爾地鐵盾構(gòu)渣土再利用為某廢棄采石場(chǎng)蓄水池改造中回填與堤壩砌筑材料的具體方案。

1.2.4.2 細(xì)顆粒渣土在工程填筑中的再利用

對(duì)于黏土地層產(chǎn)生的工程渣土與工程泥漿，細(xì)顆粒含量高，含水率高，多呈流塑狀，難以直接應(yīng)用為工程填筑材料，需要進(jìn)行一定的固化、固結(jié)處理。固化通常是指利用固化材料的化學(xué)反應(yīng)將泥狀渣土中的水分形態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并利用水化產(chǎn)物的膠結(jié)、填充作用將流態(tài)渣土轉(zhuǎn)化為填土材料[60]。傳統(tǒng)的固化材料包括水泥熟料、石灰結(jié)合粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)廢渣，亦有研究人員對(duì)高分子、納米等新型固化材料進(jìn)行研發(fā)探索[61]。近年來(lái)，盾構(gòu)渣土固化回填已在實(shí)踐中得到大規(guī)模應(yīng)用。如Yamana等[62]研究報(bào)道的日本阪神高速大和川線(xiàn)通過(guò)石灰固化的方法實(shí)現(xiàn)了950 000 m3盾構(gòu)渣土在填海工程中的再利用；Tsuchida等[63]、Watabe等[64]研究探討了盾構(gòu)渣土、水泥熟料、EPS泡沫制備輕質(zhì)固化土在沿海護(hù)岸工程填筑中的應(yīng)用。除此之外，固結(jié)排水也是實(shí)現(xiàn)泥狀渣土再利用的技術(shù)途徑之一。常見(jiàn)的固結(jié)排水技術(shù)包括真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法等，但這些方法對(duì)黏粒含量較高的泥狀渣土難以發(fā)揮理想的效果。這是因?yàn)楦吡鲬B(tài)渣土顆粒間有效應(yīng)力較低，黏粒與間隙水一起流動(dòng)，容易造成排水板淤堵不暢[60]。因此，近年來(lái)有學(xué)者提出多方法分階段固結(jié)的聯(lián)合固結(jié)方法。如孫召花等[65]、金志偉等[66]開(kāi)展的試驗(yàn)研究表明真空預(yù)壓與電滲方法交替固結(jié)渣土的固結(jié)速度及脫水效果較傳統(tǒng)方法具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，部分研究人員跳出固化、固結(jié)的傳統(tǒng)思路，將高含水率的盾構(gòu)渣土直接用以制備高流態(tài)充填材料并應(yīng)用于臺(tái)背、管溝澆筑回填[3，67]，也是對(duì)盾構(gòu)工程渣土快速資源化再利用的一種積極嘗試。

1.3 盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

2021年3月18日，國(guó)家發(fā)改委與多部門(mén)聯(lián)合頒發(fā)了《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出了建筑垃圾綠色、高效、高質(zhì)、高值、規(guī)?；玫陌l(fā)展目標(biāo)，著重強(qiáng)調(diào)了建筑垃圾在分類(lèi)處理、再利用效率、再生產(chǎn)品應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)模式與規(guī)模、相關(guān)法規(guī)政策等方面仍存在發(fā)展與完善的空間[68]。其中，盾構(gòu)渣土作為我國(guó)建筑垃圾的重要類(lèi)別，盡管目前已形成了一些資源化再利用的成熟技術(shù)，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，但仍與規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)相距較遠(yuǎn)，部分技術(shù)仍存在細(xì)化、優(yōu)化的空間?？傮w而言，我國(guó)盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)仍面臨著以下幾方面的挑戰(zhàn)。

1.3.1 分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)亟待完善

《施工現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾減量化指導(dǎo)手冊(cè)(試行)》等政策文件指出，鼓勵(lì)以末端處理為導(dǎo)向?qū)ㄖM(jìn)一步細(xì)化分類(lèi)，并提倡遵循因地制宜、分類(lèi)利用的原則指導(dǎo)建筑垃圾的處置利用[69]。目前，國(guó)內(nèi)已有部分地方規(guī)范提出盾構(gòu)隧道工程渣土與工程泥漿的分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)。然而，既有分類(lèi)方法多聚焦于盾構(gòu)渣土產(chǎn)生過(guò)程所帶來(lái)的屬性差異，往往忽略了再利用可行性或再生產(chǎn)品性能要求的差別。以盾構(gòu)渣土再利用為壁后注漿材料為例，粗粒渣土多用于替代注漿材料中的細(xì)骨料，粒徑與級(jí)配特征是其能否直接、間接利用的關(guān)鍵性質(zhì)；而細(xì)粒渣土及工程泥漿多用于替代注漿材料中的黏土泥漿，塑性指數(shù)與泥漿黏度是其能否直接、間接利用的關(guān)鍵性質(zhì)。有必要根據(jù)盾構(gòu)渣土的主要再利用形式，深入開(kāi)展分類(lèi)再利用的可行性研究，形成一系列細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)于施工外加劑所導(dǎo)致的盾構(gòu)渣土理化屬性改變，既有標(biāo)準(zhǔn)尚未給出明確指導(dǎo)，所以有必要分類(lèi)討論施工外加劑在不同再利用形式中的影響。

1.3.2 再利用工藝與再生產(chǎn)品性能優(yōu)化缺乏系統(tǒng)方法

現(xiàn)階段的盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)中，有關(guān)原材料摻量配比、制備工藝參數(shù)調(diào)控、再生產(chǎn)品性能優(yōu)化的研究視野仍局限在具體工程應(yīng)用的目標(biāo)層面，采用的試驗(yàn)方法、優(yōu)化手段多以窮舉、重復(fù)試配的經(jīng)驗(yàn)性方法為主，缺乏系統(tǒng)的理論體系指導(dǎo)，所形成的結(jié)論與成果多數(shù)情況下僅適用于所依托的具體工程案例，對(duì)同類(lèi)再利用技術(shù)帶來(lái)的指導(dǎo)作用有限，難以具有普適性。尤其是對(duì)于涉及盾構(gòu)渣土改性的再利用方式，再生產(chǎn)品性能往往受到渣土、改性材料、改性環(huán)境、改性工藝等多種因素的共同影響，經(jīng)驗(yàn)性的方法難以獲得準(zhǔn)確結(jié)果，因此，有必要借鑒相關(guān)成熟技術(shù)，如多目標(biāo)規(guī)劃方法等，開(kāi)展進(jìn)一步研究。

1.3.3 既有設(shè)備難以支撐高效生產(chǎn)

與集中的、工廠(chǎng)式的處理設(shè)備相比，現(xiàn)場(chǎng)處理與再利用設(shè)備具有布置靈活、投資與運(yùn)輸成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在盾構(gòu)渣土資源化再利用領(lǐng)域具有較高的推廣價(jià)值[4]。部分指導(dǎo)性政策也指出，應(yīng)推動(dòng)建筑垃圾“原地再生+異地處理”的復(fù)合模式，提高利用效率[68-69]。但目前，“原地再生”所需要的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理與再利用設(shè)備的運(yùn)行效率難以保障[11]，預(yù)處理效果及再生產(chǎn)品質(zhì)量與工廠(chǎng)式設(shè)備的集中處理相比仍存在一定差距[30]；此外，壁后注漿、陶粒、免燒磚材、復(fù)墾基質(zhì)等新興的再利用形式仍缺乏專(zhuān)業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備，現(xiàn)階段采用的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；奶幚?、生產(chǎn)與應(yīng)用。

1.3.4 政府監(jiān)管與法治保障仍需強(qiáng)化

部分指導(dǎo)性政策指出，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)建筑垃圾再利用方面的組織協(xié)調(diào)、法治保障與支持政策等各項(xiàng)保障措施[68]。目前，我國(guó)相關(guān)政策中關(guān)于盾構(gòu)渣土資源化再利用的獎(jiǎng)懲機(jī)制尚不完善。一方面，企業(yè)稅收優(yōu)惠、集中處理場(chǎng)地租金減免、運(yùn)輸與生產(chǎn)成本補(bǔ)助等經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策尚未統(tǒng)一，多數(shù)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平限制了激勵(lì)政策的落地[4]；另一方面，多數(shù)城市盾構(gòu)渣土填埋處置的成本太低，非法棄置的處罰力度不足，施工單位難以擺脫對(duì)于渣土粗放式填埋處理的依賴(lài)[70]。同時(shí)，各地政府缺乏對(duì)于盾構(gòu)渣土生產(chǎn)量與處理能力的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[71]，盾構(gòu)渣土處理過(guò)程中的追蹤監(jiān)管不到位[72]，影響了相關(guān)政策的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與落實(shí)。除此之外，地方政府參與盾構(gòu)渣土管理的各部門(mén)間缺乏有效的溝通協(xié)商，阻礙了監(jiān)管效率與效果[4]。

1.3.5 經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)推動(dòng)力不足

受盾構(gòu)隧道施工因素、渣土運(yùn)輸成本以及再利用意愿的影響，我國(guó)可用于資源化再利用的盾構(gòu)渣土原料供應(yīng)不穩(wěn)定，盾構(gòu)渣土資源再生產(chǎn)品銷(xiāo)售渠道狹窄，產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈尚不成熟，且各地缺乏統(tǒng)一的強(qiáng)制性回收利用政策約束，資源化再利用企業(yè)與市場(chǎng)難以保持長(zhǎng)期運(yùn)行與盈利[4，73]。同時(shí)，我國(guó)盾構(gòu)渣土資源化再利用的成本仍處于較高水平，且盾構(gòu)渣土再生產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，再生產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，各地盾構(gòu)渣土資源化再利用的市場(chǎng)主體仍為國(guó)有企業(yè)和具有特許經(jīng)營(yíng)權(quán)的私營(yíng)企業(yè)，存在一定程度的壟斷現(xiàn)象，市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻與初始投資較高，難以充分激發(fā)市場(chǎng)積極性[74]。如此背景下，盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)應(yīng)具備低成本、易推廣的特點(diǎn)，才能形成良性的循環(huán)發(fā)展。但目前我國(guó)盾構(gòu)渣土資源化再利用在植被復(fù)墾、輕質(zhì)建材、改性回填等途徑中多依賴(lài)高性能添加劑的改性處理手段，成本高昂，相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)品難以推廣。如何通過(guò)工藝優(yōu)化，研發(fā)低成本、高性能的再生產(chǎn)品，是擴(kuò)大市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.4 盾構(gòu)渣土資源化再利用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程

針對(duì)上述現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)，本文梳理并提出了一種盾構(gòu)渣土資源化再利用的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程，如圖1所示。首先，應(yīng)在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖前充分考慮掘進(jìn)地層條件和計(jì)劃施工方法，以初步估計(jì)可能產(chǎn)生的盾構(gòu)渣土類(lèi)別，并結(jié)合場(chǎng)地布置條件、再生產(chǎn)品性能需求及市場(chǎng)需求、處置與運(yùn)輸成本等多方面因素對(duì)再利用方式進(jìn)行初步?jīng)Q策；之后，對(duì)盾構(gòu)渣土進(jìn)行分離、脫水預(yù)處理，得到各級(jí)粗、細(xì)顆粒渣土，根據(jù)可能適用的再利用方式，對(duì)各級(jí)渣土進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試，繼而對(duì)再利用可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果實(shí)施資源化再利用方案；最后，對(duì)得到的再生產(chǎn)品進(jìn)行工作性能檢驗(yàn)與性能優(yōu)化，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)成本預(yù)估其潛在的市場(chǎng)效益。

圖1 盾構(gòu)渣土資源化再利用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程

2 盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的再利用標(biāo)準(zhǔn)及性能優(yōu)化研究

2.1 渣土性能測(cè)試與分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)

為了進(jìn)一步完善盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的再利用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)典型的土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)渣土進(jìn)行再利用可行性評(píng)價(jià)，最終提出一種土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)渣土替代壁后注漿原材料的分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)與流程。以杭州市望江路過(guò)江隧道、鄭州地鐵3號(hào)線(xiàn)金太區(qū)間隧道分別作為泥水平衡盾構(gòu)渣土、土壓平衡盾構(gòu)渣土采樣點(diǎn)，選取3種典型試樣，分別為離心脫水處理后的淤泥質(zhì)泥水平衡盾構(gòu)渣土和螺旋輸送機(jī)直接運(yùn)出的黏質(zhì)、砂質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土，如圖2所示。

(a)砂質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土

首先，對(duì)采樣得到的渣土進(jìn)行清洗、烘干，對(duì)干燥試樣進(jìn)行粒徑篩分試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，砂質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土中的粗粒(d>0.075 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90.89%，黏質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土中的細(xì)粒(d≤0.075 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60.68%，淤泥質(zhì)泥水平衡盾構(gòu)渣土中的細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近100%。因此，初步認(rèn)為砂質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土可用于替代砂骨料，淤泥質(zhì)泥水平衡盾構(gòu)渣土以及黏質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土中的細(xì)粒成分可用于替代膨潤(rùn)土。

之后，對(duì)細(xì)粒渣土進(jìn)行液/塑限測(cè)試與XRD礦物成分測(cè)試。結(jié)果表明：淤泥質(zhì)泥水平衡盾構(gòu)渣土的塑性指數(shù)Ip為35.42，黏質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土的塑性指數(shù)Ip為11.23，根據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，均屬于黏土；礦物成分測(cè)試表明二者中均含有一定含量的蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，渣土具有較好的造漿效果，因此，具有替代壁后注漿材料中膨潤(rùn)土的可行性。同時(shí)，對(duì)砂質(zhì)土壓平衡盾構(gòu)渣土進(jìn)行細(xì)度模數(shù)測(cè)試與XRD礦物成分測(cè)試。結(jié)果表明：該渣土的礦物組成以石英、云母為主，與本地河砂相似，其細(xì)度模數(shù)Mx為1.55，屬于特細(xì)砂，用來(lái)配制砂漿會(huì)存在稠度、強(qiáng)度不足的問(wèn)題[75-76]；若與本地河砂等質(zhì)量混合，細(xì)度模數(shù)可以達(dá)到2.34～2.55的中—細(xì)砂標(biāo)準(zhǔn)，且級(jí)配滿(mǎn)足GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中Ⅰ類(lèi)天然砂的要求。基于上述再利用可行性測(cè)試流程與評(píng)價(jià)結(jié)果，提出一種土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)渣土替代壁后注漿原材料的分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料中的再利用標(biāo)準(zhǔn)及流程

2.2 配合比與性能優(yōu)化

通常而言，盾構(gòu)壁后注漿漿液的性能受到水膠比、膠砂比、膨水比、粉灰比等原材料質(zhì)量比的綜合影響。采用均勻設(shè)計(jì)方法開(kāi)展性能試驗(yàn)，可以在較少試驗(yàn)組數(shù)下獲取較全面的試驗(yàn)規(guī)律[77-78]。通過(guò)Scheffe二階混料規(guī)范多項(xiàng)式進(jìn)行逐步回歸，構(gòu)建考慮各因素交互作用的壁后注漿材料工作性能非線(xiàn)性回歸模型。顯著性檢驗(yàn)表明，因素交互作用對(duì)工作性能的影響規(guī)律不容忽視。

材料工作性能與配比因素之間的變化關(guān)系表明，原材料配比對(duì)注漿材料的各項(xiàng)工作性能影響顯著，確定注漿材料的最優(yōu)配比是保證注漿材料工作性能的關(guān)鍵。然而，各配比與注漿材料工作性能之間呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)際施工中漿液的理想工作性能指標(biāo)通常是一個(gè)區(qū)間范圍，而非某固定值，因此，傳統(tǒng)的單因素優(yōu)化分析并不適用。本文提出了一種基于多目標(biāo)規(guī)劃(goal programming)的壁后注漿材料最優(yōu)配比確定方法[79]，其思路為：1)提出優(yōu)化目標(biāo)；2)確定優(yōu)化變量及其各種約束條件；3)建立目標(biāo)與變量之間的函數(shù)關(guān)系；4)形成GP模型，選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法對(duì)該模型進(jìn)行求解。本文以鄭州地鐵3號(hào)線(xiàn)金太區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)渣土壁后注漿材料為例，以各項(xiàng)工作性能的理想?yún)^(qū)間為約束條件，以工作性能與配比影響因素之間非線(xiàn)性回歸模型的理想趨勢(shì)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，采用理想點(diǎn)算法進(jìn)行最優(yōu)配比求解，詳細(xì)流程如圖4所示。最終得到最優(yōu)質(zhì)量配比為：水膠比0.81、膠砂比0.78、渣水比0.20、粉灰比1.84。根據(jù)最優(yōu)配比，可計(jì)算得到壁后注漿材料最優(yōu)工作性能的預(yù)測(cè)值。同時(shí)，配置6.5 kg漿液作為驗(yàn)證組，預(yù)測(cè)與驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。預(yù)測(cè)值與驗(yàn)證值間的誤差較小，最優(yōu)配比結(jié)果可靠。

圖4 基于多目標(biāo)規(guī)劃的壁后注漿材料最優(yōu)配比設(shè)計(jì)流程

表4 最優(yōu)配比的注漿材料性能驗(yàn)證

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以鄭州地鐵3號(hào)線(xiàn)金太區(qū)間土壓平衡盾構(gòu)渣土壁后注漿材料為例，對(duì)該注漿材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配制與應(yīng)用。其中，由于不同階段開(kāi)挖及預(yù)處理產(chǎn)生的黏質(zhì)渣土含水率變化不一，難以快速配制設(shè)計(jì)渣水比。因此，首先，在試驗(yàn)室內(nèi)將烘干后的黏質(zhì)渣土與水按照最優(yōu)配比制成標(biāo)準(zhǔn)泥漿并測(cè)試其相對(duì)體積質(zhì)量；然后，在現(xiàn)場(chǎng)利用拌漿設(shè)備將原狀黏質(zhì)渣土與水均勻攪拌，攪拌過(guò)程中定時(shí)采用比重計(jì)進(jìn)行相對(duì)體積質(zhì)量監(jiān)測(cè)，若相對(duì)體積質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)泥漿相同，則認(rèn)為渣土比達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可利用泥漿泵將泥漿抽入盾構(gòu)攪拌站拌漿罐中，與其他材料同步攪拌；最后，形成壁后注漿漿液?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用流程如圖5所示。

圖5 黏質(zhì)渣土拌漿、配制過(guò)程

應(yīng)用結(jié)果表明，試驗(yàn)段(201—210環(huán))平均注漿壓力為0.17～0.18 MPa，注漿過(guò)程中未出現(xiàn)注漿管堵塞等問(wèn)題，渣土漿液的灌注和泵送性能與常規(guī)同步注漿漿液幾乎無(wú)差異。試驗(yàn)段地表沉降監(jiān)測(cè)表明，右線(xiàn)地表累計(jì)沉降最大達(dá)7.44 mm，左線(xiàn)地表累計(jì)沉降最大達(dá)10.0 mm，略大于采用常規(guī)同步注漿材料進(jìn)行壁后注漿時(shí)的地表沉降，但仍滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求。在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖段對(duì)壁后注漿充填效果進(jìn)行觀(guān)察，充填情況如圖6所示。渣土漿液充填厚度可達(dá)13 cm，有效充填率達(dá)92%。初步計(jì)算統(tǒng)計(jì)，漿液材料可節(jié)省59.6萬(wàn)元/km，渣土外運(yùn)可節(jié)省20.8萬(wàn)元/km，合計(jì)節(jié)省成本80.4萬(wàn)元/km，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(a)

3 盾構(gòu)渣土作為植被復(fù)墾基質(zhì)的改良試驗(yàn)研究

3.1 化學(xué)成分與污染物測(cè)試

以杭州市望江路過(guò)江隧道為背景，對(duì)礦物摻合料改良泥水平衡盾構(gòu)渣土作為植被復(fù)墾基質(zhì)的再利用可行性開(kāi)展試驗(yàn)研究。渣土原料取自現(xiàn)場(chǎng)離心脫水后的棄渣池，呈現(xiàn)出棕黑色的淤泥狀，有輕微臭味。對(duì)淤泥狀渣土進(jìn)行化學(xué)成分與污染物測(cè)試，并與長(zhǎng)沙某地園林土壤、湖北省某礦產(chǎn)冶煉廠(chǎng)的遺留廢棄渣土進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表5所示?？梢钥闯? 杭州泥水平衡盾構(gòu)渣土的酸堿度接近中性；由于渣土源自錢(qián)塘江底一定深度以下，含總氮、總磷、總鉀量較園林土低，但含堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)的量顯著高于園林土；此外，盾構(gòu)渣土中含重金屬元素量較低，含銅、鎘、汞量高于園林土，但含各項(xiàng)重金屬元素量遠(yuǎn)低于礦產(chǎn)冶煉廠(chǎng)廢棄渣土，且均滿(mǎn)足GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的管制值要求?？傮w來(lái)看，泥水平衡盾構(gòu)渣土有較高的有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分量以及較低的污染物量，較工業(yè)廠(chǎng)區(qū)的廢棄渣土相比，更適用于改良作為植被復(fù)墾基質(zhì)。

表5 盾構(gòu)渣土、園林土、冶煉廠(chǎng)廢棄渣土的化學(xué)與污染物成分測(cè)試結(jié)果

3.2 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)開(kāi)展了礦物摻合料改良盾構(gòu)渣土的室內(nèi)盆栽種植試驗(yàn)，礦物摻合料選用鄭州某地生產(chǎn)的粉末狀工業(yè)廢渣。試驗(yàn)選取園林土、泥水平衡盾構(gòu)泥狀渣土、礦物摻合料改良盾構(gòu)渣土(礦物摻合料與盾構(gòu)渣土的質(zhì)量比為0.01∶1)3種材料作為種植基質(zhì)，選取黑麥草為種植對(duì)象，植被培育過(guò)程均在長(zhǎng)沙某溫室中進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中控制各盆栽日照、澆水條件相同。首先，配置3類(lèi)種植基質(zhì)并陳化7 d，期間將黑麥草種子浸泡發(fā)芽；隨后，在各基質(zhì)中播種并培養(yǎng)至開(kāi)花期，期間測(cè)試不同生長(zhǎng)階段的根系特征、根系活性、葉綠素含量以及種植基質(zhì)的理化特征。試驗(yàn)流程如圖7所示。

圖7 礦物摻合料改良盾構(gòu)渣土對(duì)植被生長(zhǎng)及土壤環(huán)境影響試驗(yàn)流程

3.3 植被生長(zhǎng)狀況評(píng)價(jià)

各組盆栽的發(fā)芽率測(cè)試結(jié)果顯示，3種種植基質(zhì)對(duì)黑麥草發(fā)芽率的影響差異不大。園林土的發(fā)芽率為95.67%，泥水平衡盾構(gòu)渣土的發(fā)芽率略低，為92.87%，而礦物摻合料改良盾構(gòu)渣土的發(fā)芽率高于原狀渣土，為94.22%，基本與園林土相同。此外，不同階段的植被生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表6所示。結(jié)果表明，礦物摻合料改良盾構(gòu)渣土與園林土中植被生長(zhǎng)狀況沒(méi)有顯著差異，改良盾構(gòu)渣土中黑麥草各階段的葉綠素含量與根系生長(zhǎng)狀況都優(yōu)于原狀盾構(gòu)渣土，且在分蘗期的總?cè)~綠素含量、總根表面積、根系活力等指標(biāo)上，改良盾構(gòu)渣土甚至優(yōu)于園林土。植被生長(zhǎng)狀況表明，礦物摻合料的改良作用對(duì)植被生長(zhǎng)起到積極作用。

表6 不同階段的植被生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

3.4 土壤基質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)

在開(kāi)花期對(duì)種植基質(zhì)中的化學(xué)成分與酸堿度進(jìn)行測(cè)試，并與種植前的陳化階段進(jìn)行比較，結(jié)果如表7所示。結(jié)果表明，原狀渣土與改良渣土各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足CJ/T 340—2011《綠化種植土壤》中的規(guī)范值。與原狀盾構(gòu)渣土相比，改良后盾構(gòu)渣土中各個(gè)階段的有機(jī)質(zhì)、總鉀、速效鉀、速效磷含量均有所提升，pH值也有一定增加。綜合考慮植被生長(zhǎng)狀況與土壤基質(zhì)理化特征，可以認(rèn)為杭州市望江路泥水平衡盾構(gòu)隧道淤泥質(zhì)渣土具備作為植被復(fù)墾基質(zhì)的可行性，而礦物摻合料改良進(jìn)一步提升了盾構(gòu)渣土再利用為植被復(fù)墾基質(zhì)的適宜程度。

表7 不同階段的土壤理化指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

4 盾構(gòu)渣土免燒空心磚制備工藝及優(yōu)化

4.1 渣土性能測(cè)試

以杭州地鐵10號(hào)線(xiàn)汽車(chē)北站—國(guó)展中心站區(qū)間為背景[81]，以土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)運(yùn)出的工程渣土為原料。渣土含水率較高，觸摸手感細(xì)膩。對(duì)渣土進(jìn)行級(jí)配測(cè)試與礦物成分測(cè)試。級(jí)配測(cè)試結(jié)果表明，盾構(gòu)渣土級(jí)配良好，粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.52%，其中粒徑小于0.005 mm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.21%，屬于粉質(zhì)黏土。XRD礦物成分測(cè)試表明，盾構(gòu)渣土中石英、長(zhǎng)石、云母等原生礦物占比約為94%，高嶺石、蛇紋石等次生黏土礦物僅占6%。上述結(jié)果說(shuō)明，土壓平衡盾構(gòu)渣土細(xì)度模數(shù)較低，粗顆粒含量較低，若僅以盾構(gòu)渣土燒制成磚，磚材透氣性差，且難以形成較高的粗顆粒骨架強(qiáng)度；此外，該渣土中黏土礦物含量較少，與水泥等固結(jié)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的成分及活性有限。因此，將該渣土與建設(shè)河砂及活性固體廢棄物按比例混合后具有制作免燒空心磚的可行性。

4.2 免燒空心磚制備工藝

采用盾構(gòu)渣土、膠凝材料(普通硅酸鹽水泥)、級(jí)配增強(qiáng)材料(河砂)、活性補(bǔ)充材料(粉煤灰)、改性添加劑(生石灰、硅酸鈉溶液)為基材進(jìn)行免燒空心磚的制備。免燒空心磚設(shè)計(jì)尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，中間設(shè)置2個(gè)直徑為60 mm的空心圓孔。為實(shí)現(xiàn)空心磚的高質(zhì)、高效壓制，設(shè)計(jì)了適用于盾構(gòu)渣土免燒空心磚的成型模具，包括施壓塊、頂板、中部圍壓塊、底座成型塊4部分。中部圍壓塊高度為180 mm，以50%的體積壓縮率作為壓制標(biāo)準(zhǔn)。為了方便脫模，中部圍壓塊與底座成型塊設(shè)計(jì)為可拆卸模式。制備工藝流程為：1)按試驗(yàn)工況稱(chēng)量各種原料與輔助添加劑，放入輪碾強(qiáng)制攪拌機(jī)中拌和10 min；2)將拌和好的材料填滿(mǎn)模具，放置在數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)上壓制至免燒空心磚設(shè)計(jì)高度；3)將制好的磚樣按工況標(biāo)號(hào)豎立排放在架子上，置于透明雨棚內(nèi)，采用自然晾曬方法，并在前3 d進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)。免燒空心磚制備工藝流程如圖8所示。室內(nèi)試驗(yàn)表明，當(dāng)免燒空心磚原材料質(zhì)量配比為48∶30∶17∶5(盾構(gòu)渣土∶河砂∶水泥∶粉煤灰)，并加入15%質(zhì)量占比的水時(shí)，按此流程制得的免燒空心磚形狀規(guī)整，成色優(yōu)良，缺損較少，相對(duì)含水率平均為21.97%，平均抗壓強(qiáng)度為11.4 MPa，軟化系數(shù)平均為0.84，滿(mǎn)足GB/T 24492—2009《非承重混凝土空心磚》中MU10強(qiáng)度等級(jí)的磚材要求。

圖8 渣土免燒空心磚制備工藝流程

4.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

免燒空心磚的實(shí)際生產(chǎn)中，常以生石灰作為固化劑摻入渣土原料中，以降低渣土含水率，提高輪碾攪拌機(jī)的破碎效率；同時(shí)，常以硅酸鈉溶液作為免燒空心磚增強(qiáng)劑摻入渣土，以提高免燒空心磚的強(qiáng)度等級(jí)，可以在減少河砂用量的同時(shí)提高盾構(gòu)渣土利用率。此外，在以體積收縮率為制樣標(biāo)準(zhǔn)的工藝中，成型壓力會(huì)顯著影響免燒空心磚內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。以固化劑摻量、增強(qiáng)劑摻量以及成型壓力作為制備渣土免燒空心磚的主要工藝參數(shù)，基于均勻設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，分析渣土免燒空心磚抗壓強(qiáng)度受工藝參數(shù)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，渣土免燒空心磚抗壓強(qiáng)度與成型壓力、增強(qiáng)劑摻量均呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，而與石固化劑摻量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)建議的最佳參數(shù)為成型壓力120 kN、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～11%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～9%。在渣土免燒空心磚的實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)渣土含水率達(dá)到較低水平且能夠正常輪攆破碎時(shí)，可適當(dāng)減少生石灰摻量，并提高增強(qiáng)劑摻量與成型壓力，以獲得較高強(qiáng)度等級(jí)的盾構(gòu)渣土免燒空心磚。

5 結(jié)論與展望

1)本文總結(jié)梳理了盾構(gòu)渣土資源化再利用的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新，詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)渣土的分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了盾構(gòu)渣土作為盾構(gòu)施工輔助材料、再生建筑材料、植被復(fù)墾材料、工程填筑材料等4種主要形式的再利用途徑及相關(guān)技術(shù)。分析闡明了盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)、方法、設(shè)備、市場(chǎng)效益等方面仍存在細(xì)化、優(yōu)化、規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化的挑戰(zhàn)，總結(jié)構(gòu)建了“再利用方式初判—盾構(gòu)渣土分級(jí)處理—渣土再利用可行性評(píng)價(jià)—再生產(chǎn)品性能與市場(chǎng)效益評(píng)估”的盾構(gòu)渣土資源化再利用的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)流程。

2)本文介紹了盾構(gòu)渣土在壁后注漿材料、植被復(fù)墾基質(zhì)和免燒建筑材料等方面的再利用新技術(shù)。壁后注漿材料方面，基于砂土細(xì)度模數(shù)Mx與黏土塑性指數(shù)Ip，提出了一種盾構(gòu)渣土作為壁后注漿材料中輕骨料與黏土泥漿成分的分類(lèi)再利用標(biāo)準(zhǔn)；采用多目標(biāo)規(guī)劃理論，得到了鄭州地區(qū)盾構(gòu)渣土壁后注漿材料的最優(yōu)質(zhì)量配比為：水膠比0.81、膠砂比0.78、渣水比0.20、粉灰比1.84，該配比下漿液的有效充填率達(dá)到92%，可節(jié)省建設(shè)成本80.4萬(wàn)元/km。植被復(fù)墾基質(zhì)方面，污染物測(cè)試以及盆栽試驗(yàn)表明，泥水平衡盾構(gòu)隧道淤泥質(zhì)渣土具備作為植被復(fù)墾基質(zhì)的可行性，而礦物摻合料改良進(jìn)一步提升了盾構(gòu)渣土再利用為植被復(fù)墾基質(zhì)的適宜程度。免燒建筑材料方面，提出了一種采用盾構(gòu)渣土、膠凝材料(普通硅酸鹽水泥)、級(jí)配增強(qiáng)材料(河砂)、活性補(bǔ)充材料(粉煤灰)、改性添加劑(生石灰、硅酸鈉溶液)為基材進(jìn)行免燒空心磚的制備流程，并通過(guò)均勻試驗(yàn)，得到了成型壓力為120 kN、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～11%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～9%的最優(yōu)工藝參數(shù)。以上案例對(duì)盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)在分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化、可行性試驗(yàn)方法、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面提供了新技術(shù)、新經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有積極的意義。

3)針對(duì)現(xiàn)階段的多方面挑戰(zhàn)，我國(guó)盾構(gòu)渣土資源化再利用技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)、方法、設(shè)備、政策支持與市場(chǎng)運(yùn)行方面仍存在廣闊的發(fā)展空間，如：1)在再生產(chǎn)品性能需求的框架下，應(yīng)充分結(jié)合相關(guān)案例的大數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建全地層條件、多種施工方式下盾構(gòu)渣土資源化再利用定量分類(lèi)與規(guī)?；a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。2)掘進(jìn)泥漿、壁后注漿材料等再生產(chǎn)品的理想工作性能目標(biāo)會(huì)隨地層條件改變而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，利用深度學(xué)習(xí)等人工智能方法，構(gòu)建盾構(gòu)渣土再利用配比的動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化方法。3)進(jìn)行機(jī)械裝備與管理模式升級(jí)，擴(kuò)展盾構(gòu)渣土分離及預(yù)處理的地層條件適應(yīng)性，加強(qiáng)施工環(huán)節(jié)、預(yù)處理環(huán)節(jié)、再利用環(huán)節(jié)間的高效聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)渣土在施工現(xiàn)場(chǎng)的高效智能化分類(lèi)分級(jí)。4)積極推進(jìn)盾構(gòu)渣土資源化再利用中環(huán)境友好型、節(jié)約能耗型、以廢治廢型新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，探索利用盾構(gòu)渣土再生產(chǎn)品解決水土污染、治理廢棄邊坡礦山等綠色途徑。5)探索盾構(gòu)渣土“原地再生+異地處理”復(fù)合再利用模式下的創(chuàng)新管理模式，對(duì)于大規(guī)模的原地再生，應(yīng)積極完善鼓勵(lì)政策，并鞏固相關(guān)政策的規(guī)劃與落實(shí)；對(duì)于異地處理，應(yīng)采用ETC、GPS等技術(shù)進(jìn)行盾構(gòu)渣土生產(chǎn)、運(yùn)輸、再利用的全流程精細(xì)化管理，加強(qiáng)政府部門(mén)間的協(xié)調(diào)合作，積極嘗試盾構(gòu)渣土資源化再利用產(chǎn)業(yè)的新型市場(chǎng)合作模式。