收稿日期:2022-12-12基金項目:國家杰出青年科學基金資助項目(編號:52025085);湖南省重點研發(fā)計劃項目(編號:2022SK2083);國家重大科研儀器研制項目(編號:51927814)作者簡介:張軍輝,男,博士,教授,博士生導師.E-mail:zjhseu@163.comDOI:10.14048/j.issn.1671-2579.2022.06.001盾構渣土資源化再利用技術研究綜述張軍輝,李海,楊豪,王華磊,韓善鵬(長沙理工大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410114)摘要:針對盾構渣土產量巨大且無處妥善安置的問題,學者們對盾構渣土的資源化再利用技術展開了研究。該文以中國盾構渣土處理所面臨的挑戰(zhàn)為背景,形成了對盾構渣土分類、資源化再利用技術進展與典型應用的系統(tǒng)認識,介紹了國內外盾構渣土前處理方法,詳細總結了盾構渣土應用場景和資源化再利用技術。接著分析了盾構渣土資源化再利用技術仍面臨固化劑昂貴、污染嚴重、路基回填材料缺少污染物分析、再生磚強度低、市場效益不明顯等問題。構建了“盾構渣土分類前處理—再利用可行性評價—資源化再利用場景—性能效益評估”渣土資源化再利用的標準化技術流程。著重闡述了渣土固化劑發(fā)展、污染物遷移等方面研究方向。最后,對盾構渣土資源化利用技術發(fā)展趨勢進行了展望。關鍵詞:盾構渣土;前處理;資源化再利用技術;建材;污染物遷移中圖分類號:U416 文獻標志碼:A在國家建設“交通強國”、“雙碳”戰(zhàn)略任務的時代背景下,“推進大宗固廢源頭減量與循環(huán)利用、加強固廢循環(huán)利用管理與決策技術研究”已成為基礎設施建設工程實施中的重大技術難題。2021年,國家發(fā)改委與多部門聯合頒發(fā)了《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》,提出了建筑垃圾綠色、高效、高質、高值、規(guī)�；�利用的發(fā)展目標。隨著城市地下空間開發(fā)的高速發(fā)展,盾構法作為一種具有高效、安全、機械化程度高等優(yōu)點的施工方法,已被廣泛應用于軌道交通、市政公路、城市綜合管廊等工程建設中。與此同時,盾構施工過程中產生的盾構渣土也逐年陡增,如圖1所示。據統(tǒng)計,截至2021年底,中國累計有51個城市開通城市軌道交通運營線路8708km,其中地鐵共7254km,占比83.3%[1],中國大部分城市地鐵隧道施工采 用 盾 構 掘 進,按 洞 徑 6 m 估 計,松 散 系 數 取1.5,每公里地鐵盾構施工至少產生 4.5 萬 m3 的渣土,中國在建的盾構工程預計將產生2.96億 m3 盾構渣土,處置費預計將需要766億元[2]。如果能將盾構渣土回收再利用,可以產生巨大的經濟效益。然而中國對于巨大量級的盾構渣土資源化利用不足5%,遠低于歐美和日韓等發(fā)達國家,帶來了嚴重的環(huán)境污染和資源浪費等問題。在發(fā)展綠色低碳交通的時代背景下,盾構渣土資源化再利用已成為研究熱點。年份（E 代表預測值）70 00060 00050 00040 00030 00020 00010 0000盾構渣土累計產量（增量） 萬/ m32520151050同比增長/%20122013201420152016201720182019202020212022E2023E2024E盾構渣土增量盾構渣土累計產量同比增長圖1 近年盾構渣土產量及預測盾構渣土成分復雜,含有的雜質較多,盾構施工時為保證正常施工,減少“結泥餅”的問題,常在施工時加入改良劑,如泡沫劑、分散劑、黏土礦物、絮凝劑等,不同程度地含有重金屬、溶鹽、苯類和烴類等有機物。這些改良劑的加入改變了原地層土壤的性質,這些變化往往利于盾構施工,但給盾構渣土的再生利用帶來了一些問題。如土體過度蓬松,難壓實;壓濾處置困難;存在環(huán)境安全隱患。目前,中國大量的盾構渣土被亂堆濫放或是簡易填埋,盾構渣土的資源化利用程度不高。渣土填埋堆放后,一般需經過數十年的降解才趨于穩(wěn)定,其中的揮發(fā)性物質會污染大氣影響空氣質量。1第42卷 第6期2022年12月 中 外 公 路另外,其中的多環(huán)芳烴化合物和重金屬等有害物質會逐漸滲入土壤,進入水循環(huán),并在自然界的食物鏈內累積,最終污染生態(tài)環(huán)境[3]。而且渣土的超標填埋會引發(fā)安全事故,2015年,深圳光明新區(qū)紅坳垃圾填埋場發(fā)生滑坡事故,泥石流摧毀了下游工業(yè)園區(qū)的33棟建筑,造成77人傷亡[4]。之所以產生這些問題,是因為資源化利用的技術水平相對落后,缺乏新技術、新工藝。據調查,2020年湖南省建筑垃圾產生量預計達到1.7億t。其中,盾構渣土占比約40%、工程棄土占比約40%、拆除垃圾、工程垃圾和裝修垃圾占比約20%。目前盾構渣土在分類、前處理、再生產品應用、污染物遷移等方面存在發(fā)展與完善的空間。因此,開展盾構渣土資源化再利用研究具有重要意義且伴隨著巨大挑戰(zhàn)。該文總結梳理了盾構渣土資源化再利用技術的發(fā)展與創(chuàng)新,詳細介紹了盾構渣土的分類、盾構渣土前處理方式、盾構渣土固化后的典型應用及其作為路基回填材料、可控低強度材料、再生磚材、陶粒、同步注漿材料的再利用技術進展,分析了目前盾構渣土資源化再利用技術仍面臨壓濾效率低、固化劑昂貴、不環(huán)保、路基回填材料缺少污染物分析、再生磚密度大僅適用于市政工程、陶粒制備消納渣土能力小、同步注漿材料僅能應用砂土、市場效益不明顯等問題,構建了渣土資源化再利用的標準化技術流程。重點介紹了盾構渣土污染物成分分析及污染物遷移規(guī)律,指出了污染物遷移預測方面還有待研究,提出了渣土資源化利用的挑戰(zhàn),建立了盾構渣土分類體系、提出了盾構渣土前處理發(fā)展方向、構建了盾構渣土資源化再利用流程、指明了污染物研究方向。研究成果對進一步提高中國盾構渣土利用率,實現“碳達峰”“碳中和”的生態(tài)文明建設具有積極的意義。1 盾構渣土分類根據建設部2005年頒布的《城市建筑垃圾管理規(guī)定》,建筑垃圾定義為“建設單位、施工單位新建、改建、擴建和拆除各類建筑物、構筑物、管網等以及居民裝飾裝修房屋過程中所產生的棄土、棄料及其他廢棄物”,參照這一規(guī)定,盾構過程所產生的渣土與泥漿屬于建筑垃圾。但盾構渣土與建筑垃圾存在明顯區(qū)別。盾構渣土是軌道交通建造過程中產生的工程渣土及工程泥漿的總稱。土壓平衡盾構渣土是施工過程中盾構機切削產生的工程渣土,在某些特殊情況下,滲入的地下水與產生的工程渣土混合形成工程泥漿[5]。泥水平衡盾構渣土是泥水平衡盾構掘進施工時產生的懸浮態(tài)泥漿,經分離系統(tǒng)、脫水處理、篩分等預處理后,得到的不同粒徑的工程渣土及工程泥漿[6]。針對工程渣土與工程泥漿,Kiyoshi等[7]以200kPa擊實后錐度儀貫入指數與50kPa無側限抗壓強度為界定標準區(qū)分為“工程副產物”與“建設污泥”:認為大于該值的應當視為“工程副產物”,小于該值的應當視為“建設污泥”來進行處置與利用;朱偉等[8]在此基礎上分別按照渣土與泥漿的來源、渣土與泥漿的性質對其進行分類。按照盾構隧道渣土與泥漿的來源進行分類時,可將盾構渣土分為以下四類:土壓盾構渣土與泥漿、泥水盾構渣土與泥漿、地下連續(xù)墻渣土與泥漿、基坑渣土與泥漿。但是,由于初始地層條件與施工方法的不同,即便是同一來源的渣土與泥漿也可能會因此在工程性質和后續(xù)處理與利用上表現出較大的差別,所以還需根據其后續(xù)處理、利用的性質進行分類。表1展示了文獻[8]根據物理力學性能進行的6種分類。表1 盾構隧道渣土與泥漿的來源分類類別 分類標準砂、礫 主要由粗顆粒的卵石、礫石、砂構成砂礫土 擊實后錐度儀貫入指數qc>800kPa,主要由砂及砂土構成硬黏土 擊實后錐度儀貫入指數800kPa≥qc>400kPa,主要由砂土、粉土和部分黏土構成黏土 擊實后錐度儀貫入指數400kPa≥qc>200kPa,含水率為40%~80%的黏性土渣泥擊實后錐度儀貫入指數qc≤200kPa的泥狀土,以黏土、粉土顆粒為主,含水率>80%;含水率太高、無法擊實的泥狀土屬于此類泥漿 呈液體流動狀,難以沉淀分離,流動度>300mm,含水率>3倍液限DBJ43/T515—2020《湖南省盾構渣土處理技術標準》[9]對盾構渣土前處理方式提出了建議,指出盾構渣土宜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,干化土經水泥或石灰摻拌后可用于制磚或作為道路工程原料,為盾構渣土的再利用提供了參考。2 中 外 公 路 第42卷盾構渣土組分和性質存在很大差異,同時受到眾多因素影響,如原地層土壤性質、施工工藝、盾構方式、外加劑等,因此上述僅將盾構渣土分為砂石集料和干化土是不合理的,為將盾構渣土充分利用和便于工業(yè)生產需要進一步細化分級處理。20 世紀 90 年代以來,國外許多學者在實踐中總結出多種分類再利用體系,表2列舉了其中最具代表性的 Claudio等[10]根據開挖方法和初始地層條件提出的盾構渣土分類再利用方式。盾構渣土含水率高,再利用之前,必須進行干燥或脫水處理,路基填料和回填材料對強度有一定要求,盾構渣土僅通過干燥或脫水處理不能滿足性能要求,需要進一步使用固化劑來提高強度。表2 泥水盾構渣土分類再利用方式渣土類別 性狀描述再利用方式/處置方式再生骨料 路基填料 回填材料 土壤復墾1粒徑級配分布窄,多為砂粒、粉粒、黏粒,巖性組成均勻,高流塑性,含水率較高不適用可能適用A,B,C,E適用A,E適用A,E2粒徑、巖性、礦物成分、稠度不均勻,整體潤滑,可能呈現出黏性特征,受渣土改良影響滲透率低,含表面活性劑成分不適用可能適用A,B,C,D,E適用A,E適用A,E3性質與天然砂礫石相似,顆粒磨圓度高,滲透性良好但流動性、含水率更高,滲透性具有時變性,存在表面活性劑與聚合物成分,還可能存在膨潤土可能適用A,B,D可能適用A,B,C,E適用A,E適用A,E4與1相似,通常黏度、稠度較高,存 在 表 面 活 性 劑 與 聚 合 物 成分,滲透性極低不適用 不適用可能適用A,E可能適用A,E注:A 代表干燥,B代表篩分,C代表脫水,D代表粉碎,E代表固化(添加改良劑提高強度)。目前盾構渣土分類僅根據土壤性質,按照用途分類,未考慮盾構施工過程中外加劑對盾構渣土黏附性、壓縮性、流動性、污染性等方面的影響,為了將盾構渣土合理資源化再利用,外加劑對盾構渣土的影響需要在分級處理時考慮,然而,目前國內外尚未形成有關此方面的系統(tǒng)分類指導。2 盾構渣土資源化再利用2.1 盾構渣土前處理2.1.1 壓濾壓濾是給渣土施加一定的壓力從而使液體析出的一種物理固化方式,是最方便最快捷的方法。盾構渣土含水率高,針對盾構渣土物理處理方式一般使用壓濾。將淤泥渣土放入泥漿壓濾機中,經過液壓壓濾形成泥餅,后期將泥餅與一定比例的石灰、水泥攪拌固化,成為理想的路基材料。房營光等[11-12]進行了堿渣土的真空預壓排水法和真空-電滲聯合法排水固結的對比試驗,發(fā)現兩種方法對堿渣土均具有明顯的排水效果,在真空預壓排水后,真空-電滲聯合法的排水效果依舊明顯;又在動三軸儀上模擬堿渣土壓濾排水條件的基礎上進行振動排水固結試驗,與靜壓排水固結試驗做比較,試驗結果表明振動作用可明顯地提高排水速度,增加排水量;固結壓力、振幅和頻率對堿渣土的振動排水效應產生明顯影響。對改進渣土壓濾排水固結技術具有指導意義。壓濾作為一種物理固化方式,通過壓縮渣土顆粒間的空隙并排出多余的水,使渣土變?yōu)槌醪骄哂幸欢◤姸鹊哪囡�。但�?壓濾處理還存在一定的問題:① 壓濾機工作效率低,難以支撐高效生產、壓濾出的水很難滿足環(huán)境要求,需要處理后排放;② 壓濾之后盾構渣土含水率仍較高,強度較低,僅能滿足部分工程,難以普遍應用,需要添加固化劑提高強度以此提高盾構渣土的應用場景。2.1.2 固化針對上述不滿足工程應用條件的盾構渣土,需要采用土壤固化劑對其進行固化處理,提高理化性能。土壤固化劑是由多種無機、有機材料合成的,用以固化各類土壤的新型節(jié)能環(huán)保工程材料。根據土壤的性質,摻入一定量的固化劑,經拌勻、壓實處理,可達到需要的性能指標。彭以舟等[13]以濱海軟土地區(qū)的疏浚淤泥為研究對象,將工業(yè)生產產生的大量磷石膏、堿渣、廢舊輪胎等廢棄物回收利用,采用磷石膏堿渣和廢棄輪胎橡膠粉聯合固化疏浚淤泥制作成輕質填料用來填筑路基,實踐證明效果良好;白玉恒[14]以淤泥為研究對象,通過室內試驗研究摻加粉煤灰固化劑對固化2022年 第6期 張軍輝,等:盾構渣土資源化再利用技術研究綜述 3淤泥的擊實特性、強度特性和水穩(wěn)定性的影響,發(fā)現淤泥經摻加粉煤灰固化后強度明顯提高,固化淤泥的加州承載比隨粉煤灰含量的增加而增大。使用固化劑最大的優(yōu)點就是固化效果顯著,用量少,較為經濟,降低工程造價。土壤固化劑按照組分特點可以分為無機型、有機型、離子型、生物酶型固化劑[15]。常用的固化劑品種如表3所示。表3 固化劑類型固化劑類型 常用品種無機型ATST(Aught-Set)-3000、HEC、HAS固化劑有機型 PAM 固化劑、BJ-G土固化劑離子型中國 TG(Toogood)、美國的 EN-1、固路寶ISS生物酶型Terra-zyme(泰然酶)、Perma-zyme(派酶)、Endura-zyme(1)無機型土壤固化無機型固化劑一般以水泥、石灰、粉煤灰、煤矸石、沸石、各類礦渣等為主劑,主要以粉末狀存在,然后摻加一定量激發(fā)劑制備產生。無機固化劑應用時間長,工藝十分成熟,并具有施工便捷、價格低廉的特點。其激發(fā)劑主要包括各種硫酸鹽類、酸類和其他無機鹽,也包含少量的表面活性劑等有機材料[16]。無機類固化劑的作用機理[17]:首先膠凝材料發(fā)生水化反應生成包圍住土顆粒的膠凝狀水化物,水化物硬化形成空間網狀骨架結構,增強土體的強度;其次土顆粒表面因具有負電荷相排斥,固化劑加入之后發(fā)生離子交換作用,減薄土膠粒雙電層的厚度,使土顆粒相互靠近產生凝聚;最后,固化劑的加入,將土顆粒中的自由水變成結晶水,體積膨脹填充了土體的孔隙,增強了土體的強度。張小芳等[18]摻加水泥、礦渣、石膏以及粉煤灰固化淤泥,發(fā)現水泥有助于淤泥早期強度的提升,粉煤灰的加入使得礦渣與石膏反應產生更多的絮狀水化物 C—A—S—H 提高了固化土強度;陳永輝等[19]利用高爐礦渣微粉(GGBS)、水泥對高含水率堿渣進行固化處理,發(fā)現固化堿渣土壓縮系數及壓縮指數隨齡期的延長不斷降低,而結構屈服應力不斷增大;李琴等[20]研究發(fā)現水泥固化渣土是通過水泥水化物膠結渣土顆粒,水泥水化物隨著水泥量和齡期的增加而增加,固化渣土的抗壓強度也隨之增加;渣土試樣的抗壓強度與外界成型壓力有關,適當的外界成型壓力,有利于降低試樣空隙率、提高抗壓強度;張清峰等[21]采用無機型固化劑改性建筑渣土,發(fā)現水泥改性、水泥粉煤灰或石灰粉煤灰綜合改性的建筑渣土強度高,且強度隨固化劑摻量增大而增大。盡管這些改良劑以合理的成本提供了高強度和耐久性,但它們對環(huán)境的污染不可忽略。主要存在下列問題:① 污染環(huán)境。以水泥為例,每產生1t水泥就會產生0.55t二氧化碳;② 能源和自然資源消耗嚴重。每生產1t水泥大約需要消耗能量約500MJ;③ 影響植被生長。經石灰、水泥等傳統(tǒng)膠凝材料改良后的土體,其pH 值大幅增加,改變了土壤本身的性質,植被在堿性條件下很難生長;④ 改良后土體脆性特征明顯。水泥、石灰改良后的土壤脆性特征明顯,對結構穩(wěn)定性帶來不利影響。石灰、粉煤灰的使用使得其對環(huán)境污染嚴重,隨著“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略決策的穩(wěn)步推進,開發(fā)新型負碳膠凝材料作為無機固化劑勢在必行。(2)有機型土壤固化有機型固化劑目前主要分為聚合物類、樹脂類和高分子材料類等,由其中的一種或多種配制而成。有機類固化劑一般通過離子交換原理或材料本身聚合加固土壤,使用時要嚴格控制土壤的含水量,有些有機類土壤固化劑在使用時要與水泥配合使用,才能達到固化效果。當固化劑添加到土壤中發(fā)生聚合反應,生成有機大分子鏈,能夠滲透到被加固土體的界面內,與界面內的土粒發(fā)生化學反應并膠結土壤顆粒;或利用有機大分子的位阻屏蔽作用,減少土壤中的吸附水,增加固化土的抗?jié)B透性,改善土的工程性質。裴向軍等[22]將鈉羧甲基纖維素(CMC)水溶液、PAM 水溶液和水混合形成 M-CMC 固化劑,發(fā)現 M-CMC 固化劑能膠結土顆粒,明顯改善粉砂土水穩(wěn)性,提高粉砂土抗崩解性能,降低滲透性,增加土的基質吸力,提高土體水穩(wěn)性;岳愛敏等[23]使用由環(huán)氧樹脂制備出的環(huán)保型 BJ-G固化劑改性粉質黏土,發(fā)現摻入固化劑的土樣在固化過程中,形成的聚合物具有很強的黏結力,土顆粒結合更加緊密,固化土的水穩(wěn)定系數隨齡期不斷增大。樹脂等高分子材料價格昂貴,是傳統(tǒng)無機固化劑的數十倍,難以廣泛應用于工程;同時,部分高分子材料有害健康,對生態(tài)環(huán)境存在潛在威脅,所以研發(fā)新型低成本、高性能、無污染的有機固化劑是推廣應用的前提。(3)離子型土壤固化離子型固化劑在不良土改良方面已有多年的應用,主要應用于黏土和砂土的改良,能有效提高其力學性能、抑制粉塵、提高土壤最大干密度、降低土壤滲透性。許多學者對離子型土壤固化劑的作用機理和改良4 中 外 公 路 第42卷后的土壤性能進行了全面研究。楊富明等[24]總結了離子型固化劑作用機理,主要體現在土顆粒與離子型固化劑之間發(fā)生離子交換作用,使得土顆粒表面吸附的結合水膜厚度減小,顆粒之間引力增大,排列更緊密,形成更大的團聚體,壓實過程中更易壓實,孔隙減少,結構更 為 密 實,從 而 使 得 土 體 強 度 提 高;張 麗 萍等[25]通過直剪、滲透試驗得到 EN-1固化土的內摩擦角和黏聚力顯著增大,滲透系數顯著減小,表明加入固化劑后,能有效提高黃土的抗剪強度及抗?jié)B性;石堅等[26]通過試驗發(fā)現使用路邦 EN-1固化劑固化明顯增大土體的密實度和提高土的強度,具有良好的應用前景和經濟效益;王振宇等[27]通過對廢棄渣土固化物添加ZY-1固化劑后進行微觀結構分析,發(fā)現添加了ZY1固化劑后,廢棄渣土固化物中細長棒結晶狀水化物含量隨時間增長,交織起來填充在渣土固化物的空隙中,結晶產物生成的速度也要快于沒有添加 ZY-1而僅僅添加水泥的廢棄渣土固化物,表明 ZY-1固化劑作用體現在促進水泥水化反應的進行。隨著金屬離子的加入,促進了渣土中的離子交換。在離子交換作用下,金屬離子與碳酸根反應生成碳酸鈣沉淀,有利于提升壓實,降低含水率,有利于增強土體的強度。離子土壤固化劑具有改良效果顯著、反應迅速、用量少等優(yōu)點,但其最佳用量受改良對象影響很大,因土壤的性質和離子含量分布具有離散性,所以很難確定最佳用量。用量過多造成改良劑浪費、多余的離子被水浸出可能對環(huán)境造成污染,用量過少則改良效果不佳難以滿足工程需求。離子型土壤固化劑發(fā)展方向應根據土壤特征和應用場景的不同研究其最佳用量。(4)生物酶型土壤固化生物酶型固化劑為液體狀,是由有機質發(fā)酵而成的多酶基產品,主要有 Terra-zyme(泰然酶)、Permazyme(派酶)和 Endura-zyme等產品。生物酶具有良好的固結性和穩(wěn)定性,通過它的催化作用,黏土中大量的有機大分子可以結合形成中間反應酶。這種中間酶被土中離子吸附后降低了土顆粒的親水性,土顆粒表面形成防水層,壓實后土體中水分喪失,從而提高了土體的強度。并且壓實后的土體仍保留這種性能。吳冠雄[28]發(fā)現生物酶固化土具有強度高、成本低、施工工藝簡單、養(yǎng)護簡便、無污染等優(yōu)點,具有廣泛的推廣應用價值;張心平等[29]通過試驗對比了派酶、水泥和石灰對工程渣土的固化效果,發(fā)現派酶土的抗壓強度高于灰土的抗壓強度,派酶土在自然狀態(tài)下風干固化,而水泥固化土則需要水的養(yǎng)護;董輝等[30]研究了泰然酶和 E3酶固化淤泥土的抗剪強度及其微觀結構,泰然酶通過提高原土體內摩擦角達到增加抗剪強度,E3酶改良土表面形成不規(guī)整團聚狀結構提高顆粒間的黏聚力以達到加固的目的。生物酶固化劑雖具有低成本、高性能、無污染等優(yōu)勢,但其應用場景有限,硬化過程中必須保持干燥,而針對路基土或填筑土所處環(huán)境并非干燥的狀態(tài),無法發(fā)揮酶型固化劑的優(yōu)勢,所以目前酶型固化劑無法推廣應用。綜上所述,目前不良土固化大量運用的是無機型固化劑,而其中較多的是使用水泥,而粉煤灰、高爐礦渣及鋼渣等作為一種工業(yè)廢棄物,將其回收利用到渣土的固化,一舉兩得。但是過多使用水泥、粉煤灰會對環(huán)境造成一定程度的污染。兩種廢棄物的結合,既實現了資源的回收利用,又具有環(huán)保效益。有機型固化劑優(yōu)點是初期的固化效果較好,缺點是隨著齡期的增加,分子產生老化,此類固化劑加固后渣土的性能會有所降低。土壤固化劑大多應用于黃土,膨脹土和淤泥土等特殊土的固化處理。上述4種固化劑中,運用較為成熟的、機理研究最深入的是無機固化劑,其他三類固化劑運用較少,市場上固化劑種類單一,新型固化劑研發(fā)需求大,研發(fā)新型固化劑必將成為新的趨勢。2.2 路用材料2.2.1 路基填筑材料隨著中國路網規(guī)模的不斷擴大,道路工程建設需求的土石材料量不斷增大,盾構渣土用于路基土回填是其資源化再利用最有效的途徑,一方面能夠解決土石材料短缺的問題;另一方面能夠解決渣土閑置、廢棄處理等問題。Riviera等[31]對阿爾卑斯山區(qū)的典型粗顆粒盾構渣土進行了破碎處理,測試了破碎前后的粗細顆粒性能,如壓實、動力學、靜力學性能等。研究發(fā)現:有許多無法滿足混凝土骨料的巖性、棱角、形狀指標要求的粗顆粒,可以將其利用在道路面層、基層與功能層的填筑上;Mlinar等[32]、Tauer等[33]結合具體案例,對隧道施工產生的泥漿類渣土進行了固化改性,發(fā)現泥漿類盾構渣土細顆粒含量高,經過簡單的壓濾前處理后,含水率依舊較高,呈現出流塑狀態(tài),難以用于工程填筑。經過固化改性后,滿足路基填筑的基本要求。近年來,盾構渣土固化回填已經取得大規(guī)模實踐應用,已形成了一些成熟技術,但是在應用過程中仍需注意盾構渣土的污染問題,盾構施工使用的部分改良劑會隨著渣土滲入土壤,進入水循環(huán),并在自然界的食物鏈內累積,最終污染生態(tài)環(huán)境。2022年 第6期 張軍輝,等:盾構渣土資源化再利用技術研究綜述 52.2.2 可控低強度材料可 控 低 強 度 材 料 CLSM (Controlled LowStrengthMateria)是一種流動性好,無需振搗和壓實依靠自重和流動性可自行填充,經歷一段時間后具備一定的強度,可以替代部分膠凝回填材料,其強度要求大于優(yōu)質土壤的無側限抗壓強度(0.3~0.7 MPa),但28d無側限抗壓強度小于8.3MPa。與傳統(tǒng)回填材料相比具有施工便捷、造價低、無需壓實等優(yōu)點,主要適用于半封閉或小空間難以壓實的區(qū)域,如擋土墻、橋臺、廢棄管道、設施拱頂、空洞、隧道等。CLSM 由水、水泥、中砂、盾構渣土和粉煤灰按照一定的比例制備而成[34]。郝彤等[35]通過改變盾構渣土的含量取代部分中砂作為細骨料制備 CLSM,通過調節(jié)水灰比和粉煤灰的摻量制備出流動性,泌水率符合要求的 CLSM,并且 CLSM 的抗壓強度隨水灰比變化,粉煤灰的摻入可以提高其抗壓強度,試驗表明在合理配比下制作的盾構渣土-CLSM 可以滿足路基回填材料的要求,并且能夠解決傳統(tǒng)材料存在回填死角、空隙大的問題;朱偉等[36]以基坑渣土、水泥、減水劑為原材料制備回填土,在不同配比下研究水固比、灰砂比對回填土的流動性和強度的影響,試驗結果表明水固比越大,流動性越大;灰砂比對流動性有一定影響。早強型流動化回填土強度發(fā)展主要受灰砂比影響,灰砂比越大,早期強度和后期強度均較高,強度發(fā)展來自水泥水化作用;賈冬冬[37]研究了齡期、水固比、灰砂比對流動性回填材料強度的影響,且回填材料的加州承載比隨著齡期和水泥摻量的增長而增長。目前CLSM 的應用還面臨以下問題:① 流動性難以控制、若流動性過大,則強度難滿足要求,若流動性太小、難以填充空隙達不到回填目的;② 硬化后收縮大,CLSM 硬化過程中會產生收縮,導致難以完全填充空隙,填充后強度較差。2.3 再生建材產品2.3.1 再生磚材盾構渣土的化學成分中存在大量的鋁和硅,具有制作燒結磚的可能性[38]。姜軍[39]以地鐵施工產出的盾構渣土為研究對象,將淤泥土、黏土和碎屑類渣土進行配合比設計,制作了空心磚和實心磚兩種試樣,進行了干燥性能測試、烘焙性能測試以及石灰爆裂和泛霜試驗,試驗結果表明無論是制作燒結空心磚或是實心磚,其成型性能、干燥性能、焙燒性能均較好,燒成的試樣石灰爆裂、泛霜試驗結果符合要求;盧紅霞等[40]以高石英含量的建筑渣土、無定形的建筑廢玻璃和高爐渣為原料,在較低溫度下制備出性能優(yōu)良的燒結磚,建筑渣土作為磚材骨架,廢玻璃起到助熔劑的作用,高爐渣的摻入可以提高燒結磚的力學性能。郭小雨等[41]將礦渣水泥、渣土和 PVA 溶液拌和后使用液壓機成型試樣,經養(yǎng)護得到免燒渣土磚,發(fā)現免燒結磚的抗壓強度、軟化系數、凍融循環(huán)穩(wěn)定性及干濕循環(huán)穩(wěn)定性都隨著礦渣水泥摻量的提高而提高;姚清松等[42]選用基坑開挖產出的粉質黏土渣土、水泥、粉煤灰、細砂和秸稈纖維在不同的配比下制備免燒結磚,測試其抗壓強度和軟化系數,結果表明粉質黏土地層基坑渣土進行免燒磚制作具有較高的可行性;劉金龍等[43]提出了一種加壓成型砂漿包覆固化堿渣制備復合磚的技術。通過測試在不同種類固化劑、成型壓力條件下制備的固化堿渣試塊的抗壓強度,發(fā)現在一定壓力和配比下可以制備出抗壓強度達22MPa的免燒磚。制備再生磚可以消納一部分盾構渣土,有助于提高盾構渣土的利用率,但仍有以下局限性:采用盾構渣土制作的再生磚密度大,僅能用于市政工程,無法廣泛應用于房屋建造,由于其密度大,導致其運輸不便,若用來制備空心磚,強度不滿足要求,適用范圍受到限制。2.3.2 陶粒陶粒是一種表面光滑堅硬,內部呈蜂窩狀的球形陶制 顆 粒,常 用 于 制 備 輕 質 混 凝 土,處 理 工 業(yè) 污水[44-45]。王征 等[46]使 用 粉 煤 灰 陶 粒 配 制 輕 質 混 凝土,制得 28d 抗 壓 強 度 55 MPa,表 觀 密 度 在 1900kg/m3 以下的混凝土;張騰飛[47]通過凍融循環(huán)試驗研究了渣土陶粒摻量對多孔混凝土抗凍性能的影響,結果表明多孔混凝土的抗凍性能隨著渣土陶粒摻量的增加而降低,在30%摻量下擁有較高抗凍性能,能夠應用于中國大部分冬季氣溫不太低的地區(qū),作邊坡維護、透水路面使用;李海濱等[48]以地鐵渣土為主要原料,氧化鎂作為改性劑,燒結出一種除磷陶粒,研究發(fā)現在氧化鎂摻量為20%,700 ℃的溫度下燒結出的渣土陶粒對磷的吸附效果最優(yōu);謝發(fā)之等[49]以地鐵盾構渣土、稻草秸稈粉末、氧化鎂為主要原材料,生產一種可以對水體中磷進行控制的盾構渣土基碳復合陶粒,研究發(fā)現在渣土、氧化鎂、秸稈粉末配比為7∶2∶1,700℃下燒制出的陶粒除磷效果最好,且當 pH=6.3時,除磷效果更好;張磊等[50]研究了粉煤灰、污泥和秸稈對渣土陶粒密度等級的影響,研究發(fā)現渣土和粉煤灰最適合制備渣土陶粒,并按一定配比制備出了700~900kg/m3 密度等級的陶粒,電鏡掃描結果表明陶粒的密度等 級 越 高,內 部 孔 徑 越 少,強 度 越 高;高 瑞 曉6 中 外 公 路 第42卷等[51]以渣土和粉煤灰為原料,在3∶1的配比,1190℃下燒制出不同粒徑的800kg/m3 密度等級的渣土陶粒,對比市場上粉煤灰陶粒的價格,發(fā)現利用渣土燒結陶粒具有較高的經濟效益。同樣陶粒也有自身的局限性,陶粒制備需要高溫,易污染環(huán)境,需要的能源資源較多;無法大量制備,制備成本高。2.4 同步注漿材料盾構渣土用作同步注漿材料具有經濟、高效等優(yōu)點,有效避免了盾構渣土轉運過程中帶來的污染。地鐵盾構施工在掘進過程中要向襯砌環(huán)與地層之間間隙注入同步砂漿,史慶濤等[52]采用致密堆積設計思想,開展篩分渣土、黃砂與膠結料的緊密堆積密度試驗研究,確定三者緊密堆積最密實時各自比例,并通過同步砂漿新鮮漿體試驗確定最合適的膠結料和骨料比例,最終確定出較合理同步砂漿配比,并對摻減水劑后的性能進行試驗研究,為具體工程施工提供依據;吳克雄等[53]將泥水盾構施工時產生的廢棄泥漿作為盾構同步注漿材料應用于同步注漿液,并研究了泥漿對同步注漿液性能的影響,研究發(fā)現用廢棄泥漿配制的同步注漿液分層度、泌水率明顯降低,解決了同步注漿液泵送過程中的堵管問題;槐榮國等[54]通過室內試驗對促強干粉(A 料)、液體激發(fā)劑(B 料)不同摻比的同步雙液漿進行物理特性測定,并基于此開發(fā)出一種新型可調節(jié)初凝時間的同步雙液漿,新型雙液漿具有良好的充填性與泵送性,克服了單液漿和傳統(tǒng)雙液漿在全斷面圍巖地層同步注漿施工中的難題;吳言坤等[55]通過室內試驗測定漿液的物理力學性能,研究專用塑化劑對漿液性能的影響規(guī)律,并通過固結試驗,探究了漿液在不同地層中的固結規(guī)律:專用塑化劑能夠在不影響漿液強度的前提下,縮短漿液的凝結時間,并確定了專用塑化劑的最優(yōu)摻量。將盾構渣土用于同步注漿材料已經有許多學者開展了研究,并取得了豐碩成果。目前主要存在以下問題:盾構渣土用于制備同步注漿材料僅作為砂源,而砂本身在盾構渣土中的比例具有不確定性,受地層土質的影響,所以用于制備同步注漿材料僅適用于含砂量較多的盾構渣土。3 盾構渣土資源化再利用技術展望國家發(fā)改委與多部門聯合頒布了相關指導意見,提出了固體廢棄物再利用發(fā)展要求與目標,但是盾構渣土與其他固體廢棄物相比,理化性能差異大,不能按照正常固體廢棄物處置流程進行再利用。針對盾構渣土,仍然存在以下幾個方面的問題:① 盾構渣土分類標準不明確,分類依據不統(tǒng)一;② 盾構渣土前處理方式有待改善,設備難以支撐高效生產;③ 盾構渣土資源化再利用缺少系統(tǒng)方法,資源化再利用率低,僅能消納部分盾構渣土;④ 部分盾構渣土充當填筑材料時,缺少對污染物成分和污染遷移規(guī)律的研究。3.1 盾構渣土分類針對盾構渣土的分類研究,許多學者考慮了盾構渣土的原有性質、原地層條件、施工方法等影響因素,并提出了相關的分類標準。值得關注的是,隨著施工工藝的發(fā)展、盾構渣土應用場景的增加,在盾構渣土再利用前往往會添加一定的改良劑、外加劑來改善盾構渣土的性質,這些改良劑、外加劑,如泡沫劑、分散劑、絮凝劑、固化劑等往往會對環(huán)境造成潛在威脅,然而目前國內外尚未形成相關的系統(tǒng)分類指導。針對以上問題,筆者提出了“盾構渣土污染物判別—分類依據—細化分類—資源化再利用場景”的盾構渣土分類體系,如圖2所示。首先考慮原地層和盾構施工過程中添加的外加劑存在不可降解的污染問題,對盾構渣土進行取樣檢測,判別是否會造成環(huán)境污染,將不滿足環(huán)境要求的盾構渣土進一步添加凈化劑處理以消除污染。其次根據施工工藝、地層條件、物理力學性質,同時考慮外加劑添加的影響將盾構渣土細化分類為:① 砂、礫;②砂礫土;③ 硬黏土;④ 黏土;⑤ 泥渣;⑥ 泥漿;最后根據分類情況總結了不同的資源化再利用場景:① 混凝土骨料;② 路基填筑材料;③ 可控低強度材料;④ 再生磚;⑤ 陶粒;⑥ 同步注漿材料;⑦ 植被復墾材料;⑧城市公園建造。這些資源化再利用場景包含了盾構渣土以上細化分類的 6 種類型,有利于打造盾構 渣 土100%利用模式。砂礫土砂、礫硬黏土黏土泥渣泥漿施工工藝地層條件物理力學性能外加劑添加情況添加凈化劑是否造成污染盾構渣土是否可控低強度材料路基填筑材料混凝土骨料再生磚陶粒同步注漿材料植被復墾材料城市公園建造盾構渣土污染判別 分類依據 細化分類 資源化再利用場景圖2 盾構渣土分類體系2022年 第6期 張軍輝,等:盾構渣土資源化再利用技術研究綜述 73.2 盾構渣土的前處理盾構渣土前處理方式一般分為兩種:壓濾和固化改良。盾構渣土與一般建筑渣土相比,含水率高、流動性大、運輸困難。所以,盾構渣土的前處理在現場進行。與工廠化生產相比,盾構渣土的壓濾前處理需要更高的設備處理技術,而現場設備難以保證前處理的高效生產,部分盾構渣土處理前含水率在80%以上,即使通過壓濾處置,其含水率依然在40%以上,仍存在壓實困難、強度不滿足要求等問題。經壓濾產生的污水部分達不到污水排放的標準。如表4所示,針對這些問題,建議開展高效處置設備研發(fā),提高盾構渣土現場壓濾工作效率,可適當加入改良劑,如水泥、石灰、離子改良劑等來降低壓濾后的盾構渣土含水率。針對壓濾過程產生的污水排放不達標問題,可在壓濾前加入污水凈化劑處置。表4 盾構渣土壓濾前處理缺點及改進方式前處理方式 缺點 建議改進方式設備難以支撐高效生產 開發(fā)新型高效設備壓濾 處置后含水率高 加入改良劑污水排放不達標 加入污水凈化劑如圖3所示,雖然土壤固化劑經歷了漫長的發(fā)展歷史,其固化機理、摻量、固化效果、拌和方式等研究已取得豐碩成果,但是仍然存在以下問題:① 無機固化劑,污染環(huán)境、自然資源與能源消耗嚴重、改良后土壤脆性特征明顯;② 有機固化劑,成本高、對環(huán)境存在潛在威脅;③ 離子固化劑,固化時,摻量難以控制、易造成水資源污染;④ 酶型固化劑,固化過程需要保證干燥環(huán)境、酶活性不穩(wěn)定,受溫度、pH 值等多因素影響,固化效果不穩(wěn)定。針對以上缺點,筆者提出以下改進建議:① 無機固化劑可以通過發(fā)展固廢基固化劑,以此提高多種固廢的利用率,達到以廢治廢的目的;發(fā)展地聚物固化劑可以有效減少碳排放;可參考負碳水泥的研發(fā)思路發(fā)展負碳固化劑,可有效吸收二氧化碳,達到碳固化、碳封存的目的;② 有機固化劑可以通過優(yōu)化合成材料降低成本;還可以與無機固化劑復合改良,以減少有機固化劑的用量,降低成本,提高固化效果;③ 離子固化劑需要根據盾構渣土的特點來配置不同濃度的固化劑;同時根據使用場景的不同確定摻量范圍;④ 酶型固化劑需要提高生物酶的活性來保證固化效果和應用場景,可加入部分金屬離子來提高固化效率,還可以將其與膠凝材料復合使用,膠凝材料硬化過程中吸收水分,可為酶提供相對干燥的固化條件。提高酶活性和應用場景盾構渣土固化 固化劑種類 存在的問題 改進建議與膠凝劑復合改良根據渣土特點配置確定摻量范圍與無機固化劑復合改性降低成本負碳固化劑地聚物固化劑固廢基固化劑資源消耗嚴重污染環(huán)境脆性特征明顯無機固化劑有機固化劑成本高對環(huán)境存在潛在威脅離子固化劑摻量控制難易造成水資源污染酶型固化劑利用場景少酶活性不穩(wěn)定盾構渣土固化改良圖3 盾構渣土固化改良缺點及建議3.3 盾構渣土的應用針對上文所述的盾構渣土應用挑戰(zhàn),文中梳理了盾構渣土資源化再利用標準化技術流程,并結合上述的分類標準,提出“盾構渣土分類前處理—再利用可行性評價—資源化利用—性能效益評估”的應用體系。如圖4所示,首先,應該考慮盾構渣土的原有性質、原地層條件、施工方法、是否產生污染、外加劑添加等因素,結合上述分類標準初步判別、前處理得到不同種類的盾構渣土;之后,對不同種類的盾構渣土根據預期的應用場景進行相關的性能測試,如:顆粒級配與形態(tài)測試、變形特性與強度測試、耐久性測試、礦物成分分析測試、水理特征測試、礦物成分分析等,部分性能測試評價不達標的盾構渣土需要進行再次改良,改良后還需對盾構渣土再利用進行可行性評價,根據可行性評價結果將分類處理后滿足條件的不同盾構渣土用于不同的場景。最后,對得到的再生產品進行工作性能檢驗與性能優(yōu)化,并根據經濟成本預估其潛在的 市 場效益。盾構渣土分類前處理 再利用可行性評價 資源化再利用場景 性能與效益評估盾構渣土砂礫土砂、礫硬黏土黏土泥渣泥漿變形特征與強度測試顆粒級配與形態(tài)測試耐久性測試礦物成分測試水理特征測試礦物成分分析 城市公園建造植被復墾材料同步注漿材料陶粒再生磚可控低強度材料路基填筑材料混凝土骨料工作性能效益評估圖4 盾構渣土資源化再利用流程8 中 外 公 路 第42卷3.4 污染物成分分析及污染物遷移謝亦朋等[6]以杭州市望江路盾構隧道淤泥質渣土作為植被復墾基質的改良試驗研究,對盾構渣土、園林土、冶煉廠廢渣土進行了化學成分與污染物測試分析,其中重金屬污染物分析結果如表5所示。表5 污染物成分分析結果[6]測試項目鋅/(mg·kg-1)鉻/(mg·kg-1)銅/(mg·kg-1)鎘/(μg·kg-1)汞/(μg·kg-1)鉛/(μg·kg-1)盾構渣土 3.21 52.31 162.14 7.21 17.36 33.21園林土 118.50 91.40 30.34 0.45 0.20 57.74冶煉廠廢棄渣土 175.00 337.00 2.40 139.00在對盾構渣土進行的6種金屬元素檢測中,其中3種金屬元素銅、鎘、汞在盾構渣土中的含量較高,這些污染金屬元素若不進行處理,會隨著盾構渣土的再利用,在自然因素的影響下滲入到周邊的土體和地下水中,造成環(huán)境污染,而現有的研究仍缺少相關方面的探索。污染遷移問題是很多工程應用中無法避免的問題,少數學者針對該問題做了模型試驗和數值模擬研究。Karius和 Beyer等[56-57]建立了污染物釋放速率預測模型,以磚砂土為研究對象,分析了銅、鎳、鉻等諸多重金屬元素在其中的結構遷移情況;Butera等[58]研究了再生料道路基層六價鉻的排放情況,建立了遷移模型方程,得出六價鉻最遠遷移距離可達到距離路面頂2m 左右的深度范圍;陳宇云等[59]對西安—咸陽北環(huán)高速的建筑垃圾填料,利用 Hydrus軟件模擬鎘和砷在路基中的遷移,得出未來5年鎘和砷的最大穿透深度不會到達地下水所在的區(qū)域。上述研究集中在室內試驗和數值計算,少有依托實際工程對其進行驗證。針對污染物遷移的問題,現有工程很少采取針對性的措施。盾構渣土成分復雜,含有不同程度的重金屬、溶鹽、苯類和烴類有機物等,在上覆壓力、降雨入滲等作用下,產生的滲濾液容易滲入到周邊土體中,造成地下水污染和土體污染。其環(huán)保性能研究還未引起足夠的重視,針對可能存在的污染物遷移問題,筆者在此提出一種渣土污染物遷移的研究思路,如圖5所示。主要分為3個階段:初始階段:針對不同的渣土進行污染元素檢測及析出特性分析,分別采用電鏡掃描的方法和土柱試驗的方法得到渣土的主要污染元素,為后續(xù)的實驗室研究提供基本的數據支撐;實驗室研究階段:主要采取數值模擬分析的方法,建立工程模型,分別對污染元素濃度場演變、初始濃度敏感度、特征界面污染物濃度變化規(guī)律進行分析,后續(xù)可進行實驗室縮尺試驗驗證;現場驗證:結合工程實例進行測試,完成對整個分析理論的 檢 驗修正。初始階段 實驗室研究 現場驗證特征界面污染物濃度變化規(guī)律污染物初始濃度敏感度分析污染元素濃度場演變分析實驗室縮尺試驗實際工程驗證污染物遷移規(guī)律研究主要方法數值模擬分析電鏡掃描土柱試驗示例污染元素檢測及析出特性分析圖5 污染物遷移研究思路4 結論總結分析了國內外學者對盾構渣土資源化再利用技術研究的成果及不足,并針對盾構渣土資源化再利用技術面臨的一系列問題,提出了研究發(fā)展方向,具體如下:(1)分析了盾構渣土資源化再利用技術研究的發(fā)展與創(chuàng)新,詳細介紹了盾構渣土的分類、盾構渣土前處理方式、盾構渣土固化后的典型應用技術進展,并針對性提出了目前盾構渣土資源化再利用技術面臨壓濾效率低、固化劑昂貴、路基回填材料缺少污染物分析、利用率低、市場效益不明顯等問題。(2)通過分析盾構渣土資源化再利用技術研究的不足,提出了以下展望:① 提出了盾構渣土分類體系,考慮了盾構渣土污染問題,以及更廣泛的資源化再利用場景,有利于打造盾構渣土100%利用;② 優(yōu)化了盾構渣土前處理方式,建議研發(fā)高效生產設備,發(fā)展環(huán)保、高效、低成本復合型固化劑;③ 提出了“盾構渣土分類前處理—再利用可行性評價—資源化再利用場2022年 第6期 張軍輝,等:盾構渣土資源化再利用技術研究綜述 9景—性能效益評估”資源化再利用流程;④ 提出了污染物遷移研究思路,首先通過電鏡掃描分析污染物組分,在污染物成分分析的基礎上,通過土柱試驗,數值模擬分析等方式進行室內試驗得出污染物遷移規(guī)律,最后通過現場工程驗證室內試驗規(guī)律,將有助于推動盾構渣土更加安全和可靠的資源化再利用。參考文獻:[1] 隧道建設(中英文)編輯部.2020年度中國城市軌道交通線路概況[J].隧道建設(中英文),2021,41(2):164.[2] 陳蕊,楊凱,肖為,等.工程渣土的資源化處理處置分析[J].環(huán)境工程,2020,38(3):22-26.[3] 肖建莊,張青天,段珍華,等.建筑廢物堆山造景工程探索[J].結構工程師,2019,35(4):60-69.[4] XU Q,PENG D L,LI W L,etal.The CatastrophicLandfillFlowslideatHongaoDumpsiteon20December2015inShenzhen,China[J].NaturalHazardsandEarthSystemSciences,2017,17(2):277-290.[5] 張華.大直徑盾構泥水分離處理技術研究與應用[J].隧道建設(中英文),2020,40(增刊2):264-270.[6] 謝亦朋,張聰,陽軍生,等.盾構隧道渣土資源化再利用技術研究 及 展 望 [J].隧 道 建 設 (中 英 文),2022,42(2):188-207.[7] KIYOSHI O,KIYOTO M.Environmental EconomicEvaluation Modelfor Effective Utilization ofSoilandWastefromConstruction[J].SoilandFoundations,2003,51(5):10-18.[8] 朱偉,錢勇進,王璐,等.盾構隧道渣土與泥漿的分類與處理利用技術及主要問題[J].隧道建設(中英文),2021,41(S2):1-13.[9] 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