地铁隧道盾构施工泡沫剂对环境的影响

郭建强 赵连军 赵文文

（南京地铁建设有限责任公司 江苏南京 210000）

引言

城市轨道交通是城市交通系统的重要组成部分，在节约能源、解决城市交通拥堵、促进城市发展等方面起到非常重要的作用。随着我国城市化的快速发展，城市的人口数量不断增加，城市轨道交通的地位愈发重要。截至2020 年末，我国已有至少45 个城市拥有城市轨道交通系统。而由于当前城市土地资源紧张，城市轨道交通多利用地下空间规划线路，因此，地铁建设就成为城市轨道交通的发展重点。

地铁施工的方法主要有盾构法、新奥法、明挖法、矿山法等。盾构法由于其占用地面资源少、受天气影响小、挖方量少、施工效率高等特点，成为我国目前地铁建设主要的施工方法。盾构施工中较常见的施工方法为土压平衡法。该法适用于粘土土层、卵石层、风化岩地层和砂土地层等多种地层施工，但在复杂地层施工时，会遇到喷泥和涌砂等现象，导致土仓内出现结饼、闭塞等一系列问题，对施工造成不利影响。对土体进行改良是解决这一问题的有效办法，土体改良剂一般包括矿物类物质、水溶性的树脂和其他高分子材料、泡沫剂等等。与其他类型的改良剂相比，泡沫剂在土体中有较强的适用性，能够让盾构机在多种地层中顺利掘进，减少盾构机刀具磨损，避免土仓内出现堵塞，提高掘进速度和推进效率，降低施工成本，因此在盾构施工中得到广泛使用。

盾构施工所用的泡沫剂主要是由一种或多种表面活性剂与稳定剂、渗透剂等复配而成。目前国内对于盾构施工中添加至土体内的泡沫剂几乎没有回收或处理的方法，主要靠在自然环境中降解来消除，因此有必要针对泡沫剂对自然环境的影响进行研究和探讨。本文以南京至句容城市轨道交通工程一标段为例，对该标段使用的盾构泡沫剂物化特性、毒性、可降解性等性质和对环境的影响进行研究分析。

1 泡沫剂主要组分

南京至句容城际轨道交通工程一标段所用泡沫剂为淡黄色透明状液体，密度为1.020g/m3（25℃），水溶性强。泡沫剂主要组分包括脂肪醇聚氧乙烯硫酸钠（AES）、椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）和聚丙烯酰胺（PAM），此外还包括水和极少量无机盐。

2 泡沫剂各组分的性质

2.1 脂肪醇聚氧乙烯硫酸钠（AES）

脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）是一种烷基硫酸盐的改性产物，由脂肪醇聚氧乙烯醚与三氧化硫反应酸化后，再使用相应的碱中和制得。外观为浅黄或白色凝胶状膏体，结构式为RO（CH2CH2O）nSO3Na。AES 由于在分子结构中嵌入了聚氧乙烯链，因此同时具有阴离子和非离子表面活性剂的部分特性，其润湿性、水溶性和起泡性要强于一般的烷基硫酸盐，但刺激性要比烷基硫酸盐低。AES 在日化用品中有广泛的应用，如洗浴液、洗手液和香波中，也可以作为抗静电剂、乳化剂、润湿剂、分散剂、润滑剂、渗透剂和软化剂的成分，应用于金属加工、纺织、造纸和农药等工业领域之中。AES 的LD50（半致死量）在4000mg/kg～10000mg/kg 之间[1]，属于毒性很低的物质。与大部分阴离子表面活性剂相比，AES 对皮肤的刺激性很低，但AES 如未经稀释，会对眼睛造成较严重的刺激。在自然环境中，AES 的结构会发生变化，从大分子逐步降解成CO2、NH3和H2O 等小分子，从而导致AES 的物理性质和化学性质发生变化。在有氧条件下，AES 能以很快的速度完全降解。例如C12AE3S，稳定期内初级生物降解率为99.2%，显示AES 可以通过生物降解的方式来除去；而最终生物降解率为95.5%，表明其具有很强的生物降解能力，且在自然环境中能够实现最终生物降解[2]。

2.2 脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）

脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）是非离子表面活性剂当中应用最广、发展最快的品种之一，其结构式为RO（CH2CH2O）nH，性状一般为无色液体或蜡状物。其中n 为环氧乙烷的加成数，n 越大，分子中的氧原子数量越多，与水就能形成更多的氢键，水溶性就越强。AEO 的碳链长度、环氧乙烷加成数及分布对其物理性质、化学性质和应用性能有很大影响。当碳原子数为7 至9，氧乙烯基数量n 为5 时，这种脂肪醇聚氧乙烯醚称作渗透剂（JFC），在工业领域被广泛使用。

AEO 被认为是毒性最低的一类表面活性剂[3]，对环境十分友好，还具有不错的生物降解能力。研究表明，在好氧和厌氧条件下，AEO 都会发生降解，但厌氧条件下的降解率略高于好氧条件。而且氧乙烯基数量越小，AEO 越易降解。例如AEO2在厌氧条件下发生初级生物降解，6 小时后降解率能达到90%，氧乙烯基数量最多的AEO54降解率也能达到62.9l%[4]。因此AEO 属于易生物降解的非离子性表面活性剂。

2.3 椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）

椰油酰胺丙基甜菜碱（CAB）性状为透明的淡黄色液体，性能温和，刺激性小，使用时能够产生大量且稳定的泡沫，且具有调节黏度及杀菌作用，因此广泛用作润湿剂、洗涤剂、杀菌剂及增稠剂等。CAB 分子结构中，正电荷是由氮原子上的固定键合产生的，其季氮原子上连有一个带负电荷的羧酸取代基团。由于季铵基的强电子诱导作用，羧基都以盐式基团存在[5]，因此CAB 属于一种两性表面活性剂。

根据对鼠类的急性口服毒性LD50的测定，CAB结果为6.45mL/kg，与乙醇的LD50（6670mg/kg）接近[6]，毒性较低。此外CAB 刺激性较低，将CAB 与阴离子表面活性剂复配使用时，也可以观察到阴离子表面活性剂的刺激性显著降低。这种现象称之为两性表面活性剂对阴离子表面活性剂的解毒性。同时CAB也具有良好的生物降解性，密闭瓶试验中BOD28/DOC值至少达到60%，而在改良法OECD 筛选试验中，至少可以消除70%DOC（最终降解度）[7]。

2.4 聚丙烯酰胺（PAM）

聚丙烯酰胺（PAM）是一种线型高分子聚合物，性状为白色无味的颗粒或粉末，无腐蚀性，可溶于水，不溶于乙醇，具有良好的热稳定性、絮凝性、粘合性、降阻性和增稠性。聚丙烯酰胺本身为低毒或无毒，然而用于制备聚丙烯酰胺的单体丙烯酰胺（AM）有一定的毒性，会对神经系统造成一定的损伤，人体中毒后会表现出四肢乏力、运动失调、肌肉疼痛甚至萎缩等症状，因此很多国家均规定了聚丙烯酰胺工业产品中的丙烯酰胺含量限值，丙烯酰胺残留量限值一般规定在0.05%～0.5%，用于工业和城市污水的净化处理时，一般允许丙烯酰胺残留量在0.2%以下，用于直接饮用水处理时，丙烯酰胺残留量需在0.05%以下[8]。聚丙烯酰胺在化学、物理及生物因素的作用下，会分解成小分子或简单分子，甚至进一步分解为CO2、H2O 及硝酸盐。而在自然条件下，聚丙烯酰胺会发生缓慢降解，生成各种低聚物及丙烯酰胺单体。由于丙烯酰胺单体的毒性，可能对环境和人体造成间接或直接危害，因此研究聚丙烯酰胺在自然环境中的降解，对其应用的安全性十分必要。土壤中的聚丙烯酰胺在酰胺酶作用下可较快进行生物降解，分解出的单体丙烯酰胺可在土壤中继续降解，并为土壤微生物提供碳源。有研究表明30℃时将丙烯酰胺加入到花园土后，降解非常迅速。5 天后已无法检测到丙烯酰胺单体存在，同时丙烯酰胺的分解产物还为土壤提供氮源和碳源[9]，有利于土壤内微生物的生长。

3 泡沫剂对环境的影响

泡沫剂在地铁隧道盾构施工过程中会部分残留在土壤里，可能改变原土壤的性质，提高原土壤的含水率。如果泡沫剂的组分可降解性差，或者泡沫剂的组分及其降解产物毒性较强，会对土壤造成污染。而盾构施工开挖出的渣土泥浆中若含有大量泡沫剂，也会导致盾构渣土泥浆脱水困难，渣土的流塑性变强，在堆土场堆放时易滑坡，引发安全和环境问题。此外在穿越水体处进行盾构施工时，若地层含有囊状沼气，沼气可能会夹带土壤中部分泡沫剂通过地层的孔隙溢出进入水体中，不但会引发公众关注，如果泡沫剂中含有毒性强、高污染的物质，还会对地表水环境造成污染。因此，盾构施工所用的泡沫剂应当具有降解性好、组分及其降解产物低毒或者无毒等特征，方可在施工中避免造成对环境的负面影响。

通过对南京至句容城际轨道交通工程一标段使用的泡沫剂各组分性质分析可知，该标段所用泡沫剂主要成分毒性低，具有良好的可降解性，对环境友好，降解的最终产物主要为CO2和H2O。为更好的了解该泡沫剂组分降解过程，根据泡沫剂组分均为有机物这一特点，本文对南京至句容城际轨道交通工程一标段盾构开挖的渣土存放不同时间后的有机碳（TOC）浓度进行监测。结果如表1、图1 所示。

表1 不同存放时间的盾构渣土有机碳（TOC）含量一览表

图1 不同存放时间的盾构渣土有机碳（TOC）含量曲线图

由表1 的监测数据及图1 可以看出，随着盾构渣土存放时间变长，渣土中的TOC 的含量迅速降低，存放7 天后渣土中的TOC 含量就减少了82.2%（减少5.1g/kg），而存放15 天后渣土中的TOC 含量更是已经低于检出限。由此可知，南京至句容城际轨道交通工程一标段所用的泡沫剂各组分在土壤中具有良好的可降解性，不会对环境造成污染。

结语

地铁工程作为大型基础建设项目，施工期间对沿线环境的各种影响不容小觑。本文结合南京至句容城际轨道交通工程一标段的工程实际情况，针对地铁隧道盾构施工使用的泡沫剂对环境的影响进行了研究和分析，结果表明，该标段所用的泡沫剂环境友好、可降解性强，对环境不会造成污染。地铁工程进行盾构施工时，应优先考虑选择低污染、低毒或无毒且降解性强的泡沫剂，避免泡沫剂的组分在土壤中长期残留。地铁施工单位也应合理使用泡沫剂，尽量避免施工过程中过量使用泡沫剂，同时在穿越或靠近水体处进行盾构施工时，也应事前拟定施工方案并严格执行，防治泡沫剂影响地表水环境。