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盾构渣土物理力学性质及绿色利用技术进展

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


盾构渣土物理力学性质及绿色利用技术进展
陶祥令⑺,马田飞2,吴超3,李阳4
(1.江苏建筑职业技术学院交通工程学院,江苏徐州221116;
2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;
3
.
北京市住房和城乡建设科学技术研究所
,北京100080;
4.中建华东投资有限公司,江苏徐州221005 )
摘要:由于盾构掘进施工将会产生大量渣土,渣土往往会在盾构掘进过程中采取添加泡沫剂、膨润
土、水等一些添加剂对土体进行改良,盾构渣土的填埋、运输、堆放,会在一定程度造成环境污染.因
此,有必要对渣土成分、物理力学性质、改性方法等方面展开研究.对渣土无害化的绿色处理或进一步
的回收作为盾构施工掘进壁后注浆材料、开发制备生态砖原料、路基填料等工程实施方案进行研究,
有效提升地铁建设的生态环保功能,为今后盾构施工中渣土绿色处理与再利用提供参考.
关键词:盾构渣土;改性技术;再利用;绿色处理
中图分类号:U 455.43 文献标志码:A
文章编号:2095 - 3550(2019)03 -0023 - 05
Develepment of physical and mechanical properties and green
utilization technology of shield tunnel muck
TAO Xiangling1'2, MA Tianfei2 ,WU Chao3 ,LI Yangi
(1. School of Transportation Engineering, Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology,
Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineer
ing, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;3. Beijing Science and
Technology Institute of Housing and Urban-Rural Development,Beijing 10029,china;4. China Construction
Eastern Investment Co. , Ltd. , Xuzhou, Jiangsu 221005, China )
Abstract: Because of the large amount of muck generated during shield tunneling, the waste soil will be
improved by adding some additives such as foam agent, bentonite and water in the process of shield tunne
ling. The landfill, transportation and stacking of shield residue will cause environmental pollution to a cer
tain extent Therefore, it is necessary to study the composition, physical and mechanical properties and
modification methods of slag. The engineering implementation schemes such as green treatment or further
recovery of dregs and soil as grouting material after shield tunneling wall, the development and preparation
o£ ecological brick raw materials, roadbed fillers are studied. The eco-environmental protection function of
metro construction is effectively improved, and the reference for the green disposal and reuse of dregs and
soils in shield tunneling in the future is provided
Key words: shield muck; modification technology; reuse; green treatment
收稿日期:2019 -06 -21
基金项目:徐州市科技局重大计划项目 KC15SMO27);江苏省青
蓝工程资助;江苏住建厅资助项目(2O17ZDO94);中
建股份科技研发计划资助 CSCEC-2O17-Z-25)
作者简介:陶祥令,男,山东荷泽人,副教授,博士,主要从事
轨道交通渣土综合利用技术研究.
E - mail chinatxl@126 com
近年来随着我国城市建设的飞速发展,交通基
础建设特别是地铁建设在城市化进程中所占的比
重越来越大,其产生的固体废弃物也在持续增加.
根据中国城市轨道交通协会公布的《城市轨道交通
2018年度统计和分析报告》⑴,截至2018年12月
31日,中国开通运营城市快速轨道交通线路的城市24
江苏建筑职业技术学院学报
第19卷
共36个,运营线路总长度达5 494. 9 km,累计开通
运营线路169条,运营车站3 513座.盾构法广泛应
用于地铁施工,其产生的盾构渣土也已逐渐成为城
市固体废弃物的主要来源,盾构机在施工过程中为
保证掘进顺利通常向土仓内添加水、膨润土、泡沫
剂、高分子聚合物等添加剂,使得盾构渣土处理起
来极易产生环境污染问题以及资源浪费,而最常见
的就是占用土地、降低土壤质量、影响空气质量、污
染水域以及地下水、破坏市容、恶化城市卫生环境、
堆体边坡具有滑坡灾害风险等.
本文从渣土的综合利用角度考虑,查阅了国内
外盾构渣土绿色处理或综合利用的相关文献,详细
分析了盾构渣土的成分及基本物理力学性质,从盾
构渣土填埋消纳、运输过程污染等方面分析了盾构
渣土的环境问题,总结了渣土脱水、高效筛分、环保
运输、回收利用等绿色处理方式,综合分析了盾构
渣土绿色处理与综合利用的相关技术、专利.通过
研究综述,对地铁盾构施工过程中的渣土再利用技
术进行研究,可为类似工程提供借鉴.
1盾构渣土成分及其基本物理力学
性质分析
1.1盾构渣土成分分析
在城市地铁隧道土压平衡盾构掘进施工中,盾
构渣土的主要成分是掘进轮廓线内的地下水及岩
土体,不同地区的岩土体成分受地质条件控制,通
常为黏土、砂卵石、强(中)风化岩石.盾构掘进过程
中,为改良渣土以保证掘进顺利,很多情况下无论
是土压平衡盾构还是泥水盾构都会向土体中添加
一些特定的添加剂,通过向盾构机土仓内添加水、
膨润土、泡沫剂、高分子聚合物等添加剂,混合搅拌
均匀,使渣土有更好的流塑性,不发生离析,达到平
衡土压力以保持掌子面的受力平衡的效果以及确
保盾构机刀盘和螺旋输送机不易出现结泥饼现象.
如在长沙地铁建设中,盾构掘进使用的混合添加剂
就主要是由膨润土、泡沫剂和高分子聚合物配制而
成,来综合提高渣土流动性、止水性,润滑减阻.
不同地区的盾构渣土成分有所不同,但其本质
也就是不同级配的土颗粒、水与添加剂的混合体.
文中选取南昌地铁1号线盾构渣土为例,其盾构渣
土中主要含有泥质粉砂岩渣土、砾砂渣土以及添加
剂,泥质粉砂岩中含有较多的黏土矿物,其中高岭
土、伊利土、蒙脱土质量分数分别为27.7%
、8.3%
4.4%,添加剂主要为泡沫加膨润土,添加剂总含量
在15%〜20%阂.
盾构渣土与直接开挖渣土最大的不同就是其
中含有多种添加剂,通常具有孔隙率大、含水量高
(盾构渣土含水率高达40%)、渗透系数不均匀等特
点,所以盾构渣土带来的环境问题主要是填埋消纳
问题与运输过程污染问题.
1.2盾构渣土物理力学性质分析
为更好地研究盾构渣土的绿色处理与再利用
方法,本节将盾构渣土与直接开挖渣土的力学性质
进行对比.肖超⑷等以主要位于泥质粉砂岩和砾砂
地层中的南昌地铁1号线地铁工程为背景,结合实
际地层以砾砂与泥质粉砂岩作为实验材料,采用泡
沫和膨润土泥浆作为改良剂,对渣土进行三轴快剪
试验,得到直接开挖渣土与含有不同含量改良剂的
盾构渣土的力学性质.在泥质粉砂岩渣土与砾砂渣
土体积比1 : 2,含水率13. 4%,孔隙率40. 1%(为
未考虑改良剂所增加的含水量)的情况下,渣土添
加不同添加剂的不排水抗剪强度见表1.
表1快剪试验统计
Tab. 1 Quick shear test statistics
改良剂
添加率/
% <
密度/
(g . cm-3'
围压/
• kPa
不排水
剪切强度/
kPa
1
0
1.87
100
123. 1
2
0
1.87
150
177.6
3
0
1.87
200
23&0
4
膨润土
10
2.05
200
141.3
5
泡沫+膨润土
5+ 10
2.05
100
59. 5
6
泡沫+膨润土
5+10
2.05
200
74. 1
7
泡沫+膨润土
5+ 10
2.05
300
86、5
相对于未改良渣土,添加改良剂的渣土的抗剪
强度大幅度减小,同时,渣土中改良剂的添加率越
高,渣土抗剪强度越降低,越接近流塑性状态•不同
改良剂对渣土的改良效果也不同,采用泡沫对渣土
进行改良后,渣土的内摩擦角和黏聚力都出现一定
减小.采用泡沫加膨润土对渣土进行改良后,渣土
的内摩擦角出现大幅度减小,而黏聚力出现小幅度
增大.这表明采用泡沫和膨润土改良渣土的机理存
在一定差异.泡沫的添加能减小渣土的内摩擦角和
黏聚力;膨润土的添加能减小渣土内摩擦角,小幅
度增加渣土的黏聚力⑷.
泡沫或膨润土对渣土进行改良后,渣土的抗剪
强度出现大幅度减小,实际工程中抗剪强度普遍降
低50%以上,渣土的流塑性得到明显提高.且不同
添加剂、不同添加率也会对渣土力学性质产生较大第3期
陶祥令,等:盾构渣土物理力学性质及绿色利用技术进展
25
影响,所以在绿色处理及再利用盾构渣土时,应考
虑渣土中的添加剂类型及比例.
2盾构渣土的绿色处理技术研究
盾构施工过程中必然产生大量的渣土,这些在
盾构掘进过程中产生的渣土一般都会含有大量的
水分,甚至处于半流动状态.其中还会有一些添加
剂,这样的高含水量渣土如果直接堆放在施工场
地.渣土中的水和添加剂将渗入地层,对地下水造
成严重的污染,盾构渣土绿色处理就必须对渣土进
行经济、高效的脱水处理,分成粒径较为统一的土
颗粒,然后再按需进行综合利用.
2.1盾构渣土绿色处理的难点
盾构渣土的脱水现有处理手段主要有实地现
场脱水和异地集中脱水两种方法,这两种方法各有
优劣.实地现场脱水方案避免了渣土运输漏洒而污
染城市的问题,还能在一定程度上循环利用处理完
成土体与水,但还是存在两方面难点,从技术角度
来看,脱水设备需要单独技术人员进行操作,设备
维护难度高;从成本角度看,脱水占用场地相对较
大,很难划分-块独立的区域留给渣土的脱水处
理,且需要的设备费用较高.异地集中脱水方案是
采用运输车辆将渣土运输至集中处理厂,对于技术
人员以及场地要求比较低,但在装运过程中也会遗
洒,严重污染城市的环境卫生,且运输成本较高.
2.2盾构渣土脱水处理方案
2. 2. 1 针对盾构渣土脱水处理场地面积大的处理
方案
盾构施工过程中产生的大量废弃泥浆处理需
要大面积场地.如在北京地铁地下直径线工程案例
中,盾构场地非常狭小,其面积小于10 000 mH泥水
处理厂也只有2 000 m2.苏清贵等⑷对既有的泥水
处理设备进行改造,在有限的施工场地内增加了一
二级旋流设备.增加了 6套压滤机和2套离心机,合
理利用有限空间•并通过改变预分筛与脱水筛的角
度、震动力、过滤等级.在泥浆的沉淀分离过程中添加
絮凝剂的化学方法,克服了场地狭小的弊端成功地解
决了废弃泥浆达标排放的难题•此方案有效解决了盾
构渣土处理场地面积不足的问题,但对不同工程需根
据实际情况重新设计与配置设备•对技术人员要求较
高,且增加的旋流设备与原有的压滤机、离心机成本
较高、保养频繁,大大增加了成本.
2.2. 2 针对盾构渣土脱水处理低效、成本高的处
理方案
中国建筑第五工程局有限公司⑸在2017年公
布了一种排水式渣土池及土压平衡盾构渣土多维
渗流脱水专利.采用密封式排水式渣土池,池基体
内腔底部设有用于从下部收集渣土向下渗出水的
底部管网,底部管网上接有用于将底部管网内收集
的水向外抽吸并使封闭腔体内形成均衡负压以压
迫渣土加速向外渗水的抽吸排水装置.通过真空负
压作用迫使渣土加速向四周以及底部排水,进入抽
吸排水装置通道的水分被抽吸排水装置抽吸而向
外排出,从而使封闭空间内渣土含水量降低,实现
无害化处理,解决了土压盾构渣土处理沿用泥水盾
构渣土处理方法,降低投资成本,减少场地占用,大
大增加了盾构渣土脱水效率.但此方案主要针对土
压平衡盾构渣土,对于泥水平衡盾构渣土并没有一
个有效、低成本的处理方案.
2.3盾构渣土装运技术
盾构渣土在加入泡沫或膨润土进行改良后,流
塑性得到明显提高,含水量髙,所以在装运过程中
常出现“滴、撒、漏”问题,主要表现在两个方面,一
是在地表临时废渣场的流塑性渣土装时,普通反铲
挖掘机必然出现渣土四散问题,二是渣土运输车将
渣土运出城市时,对城市路面以及环境将造成极大
污染.胡景军⑷等针对此问题发明了自动化渣斗,
并对运输车进行密封技术改进.此技术安设自动化
渣斗和转渣平台,工作方式为通过反铲挖掘机将废
渣场中的渣土在挖至存渣斗内.然后通过液压装置
将渣斗放入渣土车内,因存渣斗上大下小,盾构渣
土可以顺斜面自动流入放渣斗内并准确投入运输
车辆内,自动化渣斗和转渣平台的建立可以有效避
免渣土装车时的泥浆外溅.
普通渣土运输车密封性不够好,因盾构渣土含
水量大的特点,常在运输过程中出现滴撒路面的问
题,所以此方案也对运输车进行了优化改进.主要
是通过加装钢板盖板•后门上部改装为固定密封挡
板,后车门挡板四周加橡胶板密封并用帆布兜住.
能够有效防止渣土运输过程中的“滴、撒、漏”现象,
具有改装简单、操作性强、成本低、环保的特点.对
普通渣土运输车密封性简单优化,在一定程度上避
免渣土在运输过程中的泥浆污染问题.
胡景军的流塑性渣土环保装运技术,从渣土装
运的两方面分别给予了解决方案,为解决渣土装运
污染城市环境问题提供了借鉴.但依然存在一些问
题,如存渣斗、放渣斗无法应对结泥饼的问题,可添
加冲水装置来解决,渣土运输车也仅能把盾构渣土
移出施工场地,可以尝试在将渣土处理设备设置于
运输车辆内部,使其具有一定的渣土处理能力.26
江苏建筑职业技术学院学报
第19卷
河海大学⑺针对上述问题发明了一种用于盾
构法隧道开挖的泥水分离车,包括污泥罐、泥水分
离装置和收集池,污泥罐安装在泥水分离车的底
部,泥水分离装置设置在污泥罐内,收集池设置在
泥水分离车的车厢后部.其用于收集泥水分离装置
分离处理后的泥渣,可以一次性收集泥浆、分离过
滤、运输渣土等,全程自动化.降低了劳动强度,方
便高效.
3盾构渣土的综合利用技术研究
3.1盾构渣土配制掘进泥浆
南京纬三路过江通道在竖井施工和盾构始发
段掘进过程中产生了大量废弃的黏土,工程盾构段
约40%的地层是粉细砂地层,该地层对泥浆指标要
求较低,可以利用废弃黏土来配制掘进泥浆.姜腾
等⑷采用填土、淤泥质粉质黏土、膨润土分别与泥
浆增黏剂混合配浆,通过测定泥浆的滤失量和成膜
质量以及现场施工监测数据验证利用盾构渣土配
置掘进泥浆是完全可行的.但需要根据盾构过程中
的地层变化对泥浆配比做岀快速调整,确保盾构渣
土配制的掘进浆液可满足盾构掘进的使用.此方案
能够较好的对盾构渣土进行回收利用.减少盾构掘
进过程中对膨润土以及增黏剂的需求,具有较高的
经济性和环保意义.
中国铁建重工集团⑷在2015年公开了一种土压
平衡盾构机的渣土回收利用方法.土压平衡盾构机在
刀盘对地层开挖并将得到的渣土输送至开挖舱,开挖
仓内对渣土筛分得到符合掘进泥浆使用粒径的渣土,
将渣土与泥浆进行搅拌后重新送回开挖仓作为盾构
掘进泥浆•此方案在盾构过程中直接对渣土进行筛分
利用,节约施工成本同时更加高效、环保.
3.2盾构渣土作为同步注浆砂源
在地铁盾构施工过程中将产生大量渣土,将盾
构渣土作为同步注浆砂源将大大降低渣土处理费
用以及环境污染.在南京地铁10号线越江盾构隧
道工程中,粉砂、细砂地层中,泥水盾构经过处理分
离的渣土经过处理之后,所配置的浆液其初凝时
间、流动度、稠度及泌水率等指标均能够满足特殊
地段同步注浆浆液要求.李雪等「切研究发现,提高
胶砂比、灰粉比能够提升同步注浆浆液的抗压、抗
剪强度•此方案很大程度的对盾构渣土进行再利
用,对环境保护做出一定贡献,同时节约工程成本,
但仅对粉砂、细砂地层中盾构渣土进行了研究,其
他地层中的盾构渣土再利用作为同步注浆砂源的
可行性还有待研究.
3.3盾构渣土用于制作陶粒
陶粒作为一种人造轻骨料,在建筑行业应用广
泛,陶粒制作主要是以黏土、页岩、煤肝石、粉煤灰、
污泥及工业固体废弃物等为原料,张卓等〔⑴对盾构
渣土免烧免蒸陶粒制作做研究,主要通过对烘干磨
制后的盾构渣土添加粘结剂和固化剂进行固化养
护.最终形成陶粒.研究发现,制备的陶粒有效固化
了盾构渣土中重金属离子,可以避免其对水质的污
染.亦为节能环保的处理盾构渣土提供了新的途
径.但也存在一定问题,实验成果并未得到实际工
程的应用,且仅对固化重金属离子效果做了测定,
其物理力学指标以及陶粒的工程应用未作表述,还
需进一步探讨.
谢发之等对盾构渣土制备陶粒及陶粒的除磷
性能进行了研究,研究发现,使用盾构渣土为主要
原料.固体废弃物稻草秸秆粉末为造孔剂,氧化镁
为改性剂,通过烧结法制备了一种盾构渣土基碳复
合陶粒.当盾构渣土、稻草秸秆粉末和氧化镁质量
比为7 : 2 : 1,在最佳烧结条件700 烧结可得到
除磷性能最佳的陶粒.此方法为盾构渣土的再利用
提出一种新的思路.有重要的现实意义.但其烧制
过程中需要700 °C的高温,并不环保,且也仅处于
试验阶段,其具体的工程应用价值需验证.
3.4盾构渣土用于混凝土骨料
张亚洲等]⑷以南京纬三路过江通道工程为背
景,盾构穿越很长一段含有砾砂、卵石和砂岩地层,
施工过程中将产生大量废弃的砾砂、卵石及破碎风
化岩,且废弃土较大粒径颗粒含量多,不再适用于
配制壁后注浆材料•通过对废弃渣土采用不同掺配
比例进行了颗粒级配、力学性能等指标检测,进行
不同掺配比例试验,获得满足混凝土拌制的砂、卵
砾石集料,选用水胶比0. 42、砂率32%、水泥用量
375 kg/m3、砂子 596 kg/n?、碎石 1 268 kg/m3、水
157 kg/m3.外加剂4. 13 kg/m3配制的混凝土坍落
度为40 mm, 7 d和28 d抗压强度分别为
34. 7 MPa,41. 4 MPa,抗折强度为 5. 42 MPa,用于
管片场工区场内道路、堆场硬化以及各工区临时便
道施工,单方面节约成本366万元,经济效益显著,
同时能够极大地避免了材料浪费、废弃土外运造成
的环境污染问题.
3.5盾构渣土用于生产砖块
锦佳环保科技有限公司〔“-⑸于2017公布了一
种盾构渣土免烧砖的制成专利,主要以盾构固渣、
熟石灰、煤灰、水泥、土壤固化剂为原材料压制而
成•其抗压强度为12. 4-14. 2 MPa.使盾构渣土资第3期
陶祥令,等:盾构渣土物理力学性质及绿色利用技术进展
27
源化,无害化,减少地铁施工固废的排放.免烧砖的
养护龄期不少于28 d,相对于烧结砖将会对养护场
地和制作工期提出要求,但能够减少烧结砖时的燃
料使用,更加环保.另一项专利公布了盾构渣土烧
结砖的制成技术,以盾构干化土、盾构固渣、煤肝石
为原料压制成型烧结而成.较免烧砖抗压强度有所
提升,为18〜25 MPa,制作周期短,节省大量的养
护时间与场地.
姜军、尹宝党〔灼通过对广州地铁18、22号线盾
构区间的岩土取样,进行全面的原料物理、化学试
验分析和进行配比小型试验,得出了盾构渣土可以
制作烧结砖、盾构渣土固废循环利用制作新型墙材
是可行的结论.具体工艺流程为:原料采运一原料
陈化处理一成型及切码运〜干燥与焙烧〜成品打
包与库存.通过对盾构渣土制作新型墙材的理论
研究,形成了理论验证,为盾构渣土制作新型墙材
提供了理论支撑,也为盾构渣土固废循环利用提
供了新思路.
3.6盾构渣土作为粗颗粒的应用
盾构渣土通过筛分,其中细颗粒可以被用于掘
进泥浆或同步注浆材料,而粗颗粒通过张亚洲等
的实际工程应用,其与建筑渣土相比,具有粒径均
匀、材料单一的特点,可适用面更加广泛,为盾构渣
土粗颗粒的应用提供了新的思路.宋广信^等对建
筑渣土夯扩桩技术做了研究,推出了建筑渣土夯扩
桩这种新的地基处理方法,以建筑渣土为原料.经
重锤夯扩形成扩大头的钢筋混凝土短桩,并采用了
配套的减隔振技术,具有扩大桩端面积和挤密地基
的作用.单桩竖向承载力设计值可达500-700 kN,
该建筑垃圾夯扩桩比桩基和天然地基造价节省
10%〜20%,建筑垃圾夯扩桩的工期缩短1/3以
上,有十分明显的社会效益与环保效益.
4结论
1) 分析盾构渣土的成分得到:盾构渣土与直接
开挖渣土最大的不同就是其中含有多种添加剂,通
常具有孔隙率大、含水量高、渗透系数不均匀等特
点.由盾构渣土基本物理力学性质分析,渣土中改
良剂的添加率越高,渣土抗剪强度越降低.越接近
流塑性状态.
2) 盾构渣土的绿色处理技术研究得到盾构渣
土绿色处理的难点是脱水设备占地面积较大、非自
动化、低效且成本较高以及渣土装运过程中会对城
市造成污染,现有处理技术不够完善.
3)盾构渣土可通过合理筛分进行再利用,用于
掘进泥浆、同步注浆、制作陶粒、制作混凝土骨料、
生产砖块以及类似建筑渣土的更广泛应用.
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(责任编辑:梁赛平)

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