隧道油砂弃渣处置原则与方法

赵天彪

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000）

0 引言

油砂一般是指黏度大、密度高，包含沥青、砂、富矿黏土以及水的混合物，也被称为沥青砂或焦油[1]。一般情况下油砂埋深较大，浅表工程施工中不易遇到，因此，从工程的角度对油砂进行的研究较少，相关的研究成果也很少。

连接西安市和成都市的西成客运高速铁路穿越龙门山断裂带前缘地区时，多座隧道在施工过程中遇到油砂，并且隧道的长度普遍较长，含油砂的地层段占隧道总长的比重大，施工过程中开挖出来的油砂弃渣量很大。油砂中油气含量差别较大，施工过程中处理方式也不相同。尤其对于油气含量较大的隧道线路段，油砂弃渣中含有大量的原油、天然气、沥青和地下水，处理的难度比较大，处理不当就会给大气、地下水、地表水和土壤植被等造成严重危害[2]。

文章以西成客运专线上穿越油砂地层的黄家梁隧道为例，介绍隧道油砂的基本情况，提出油砂岩弃渣的处置原则，探讨油砂岩弃渣的处置方法，以期为类似隧道施工提供参考。

1 隧道油砂概况

黄家梁隧道位于广元市剑阁县下寺镇与金子山镇之间，隧道的起始里程是DK431+931，终点里程是DK443+313，总长为11382m。隧道不同位置处埋深差异较大，最大埋深处约265m，洞身浅埋处仅约20m。

黄家梁隧道处于龙门山北段推覆体构造带内，穿越侏罗系中统沙溪庙组和下统白田坝组的含油砂地层。据野外露头和钻孔岩心的实测数据揭示：研究区内的油砂地层分布差异较大，不同区域油砂层数不同，总的油砂厚度也不相同，统计出所有勘探钻孔中油砂的平均总厚度约为18.81m；油砂的岩性以中-粗岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，粒径普遍为0.2～0.5mm，分选和磨圆度均为中等；油砂岩石中的物性变化较大，孔隙度平均值约为14.34%，渗透率平均值约为11.85×10-3μm2，为中高孔中渗储层；油砂中的含油率普遍较低，平均约为2.1%，但不同位置处油砂的含油率差别较大，尤其是DZ-HJL-07和DZ-HJL-08两个钻孔中还有稠油流出，而部分钻孔中仅仅显示油浸；钻孔过程中对钻孔进行有毒有害气体检测，不同钻孔检测结果差别较大，含有油砂的钻孔，通常能够检测出有毒有害气体，其中钻孔DZ-HJL-07和DZ-HJL-08检测的天然气最大浓度达到2.525%和2.845%，气体主要成分为甲烷和硫化氢，远超高瓦斯隧道判定的界限值。

2 油砂岩弃渣处置原则

2.1 安全至上

无论是油砂岩弃渣还是普通土石方弃渣，安全处置都是最重要，也是施工时首要考虑的原则。考虑到运输成本和时间限制，个别隧道土石方弃渣甚至可能存在自然倾倒、未按规定碾压以及堆放松散等问题，暴雨或地震作用下容易失稳，诱发崩塌、滑坡和泥石流等灾害。黄家梁隧道附近地貌类型以低山区为主，沟壑纵横，降水充沛，油砂岩弃渣处置场地的选择尤其要注重安全。此外，黄家梁隧道油砂岩弃渣中含有原油、天然气、地下水等有害物质，对环境易造成危害，较普通土石方弃渣更易形成安全隐患。

2.2 节约用地

西部山区交通建设的桥隧比非常高，就西成客运专线全线桥隧占比超过90%，穿越秦岭的隧道群全长134km，超过10km的特长隧道有7座，施工产生的土石方弃渣量非常大。就黄家梁隧道而言，全长超过11km，单座隧道的土石方弃渣量就非常大，需要大量的场地用于处理和堆放弃渣，极易造成大量土地占用。而油砂岩弃渣由于含有大量的有毒有害物质，直接利用的可能性较小，处理后再利用的技术要求高、难度较大。因此，如何在更少占用土地的情况下合理处置油砂岩弃渣就显得尤为重要。

2.3 经济高效

油砂岩弃渣处置方式多种多样，不同的处理方式耗费的时间和投入的资金不同。黄家梁隧道延伸长，油砂岩弃渣量比较大，另外，附近层峦叠嶂，山高坡陡，便道难建，如何经济高效地处置油砂岩弃渣也是需要重点考虑的问题。

2.4 注重环保

油砂岩弃渣中含有的原油、天然气和地下水等，处置不当会给环境造成严重危害。油砂岩孔隙和裂隙中的天然气会缓慢渗出，容易形成硫化氢气体的集聚，影响周边环境。油砂岩弃渣直接堆放，孔隙和裂缝中的原油和地下水不经处理，容易在降雨情况下渗入地下水或者进入地面径流，污染地下水的水质，破坏地表水的生态环境，影响水中浮游生物的正常生长。原油进入土壤后，容易破坏土壤的结构，降低土壤的透水性和渗水性，造成土壤污染，影响植被的生长，不利于土地的可持续利用。黄家梁隧道附近植被茂盛，径流发育，雨水充沛，油砂岩弃渣的处置，需要重点考虑环保问题。

2.5 合理分类

根据黄家梁隧道中的油砂含油率测试可知，不同位置处油砂中的含油率差别较大，因此对油砂应进行合理分类，施工时能更好地采取相应的处理措施。根据含油率的大小可将油砂分为饱和油、含油、油浸三种类型。针对饱和油的油砂，应重点处理；对于含油的油砂可根据时间和成本灵活处理；而油浸的油砂可简单处理。针对不同类型的油砂采用不同的处置方法，有利于减少资金的投入和时间的消耗。

2.6 统筹兼顾

油砂岩弃渣的处置是一项重要且复杂的系统工程，需要综合考虑多方面的因素。根据隧道施工地段油砂中油汽水的含量、周围施工环境等因素，制定出相应的处理措施；或许对于某个方面的考虑不能达到最优，但是最后的处置措施应能达到整体最优。

（1）纸质货币的发行需要成本，数字货币的应用将会大大降低货币的制造成本及流动成本。如果实现数字货币普及，对生态系统保护也是十分有利。

3 油砂岩弃渣处置方法

3.1 直接掩埋

原油浸染类型的油砂岩，弃渣中含有的原油和沥青等物质较少，施工过程中可以将弃渣采取直接掩埋的处置方法。直接掩埋的处置方法包含如下步骤：

第一步是选择掩埋的场地。根据施工时所处的位置和周围的具体环境条件，尽量实现就近掩埋，降低运输成本；同时，掩埋场地要充分考虑周围地表水和地下水的流动情况，以及暴雨季节坡面水流和汇聚水流的流向，尽量避开地表水和地下水流汇聚点和暴雨水流易冲刷点，防止水流将油砂岩中的有毒有害物质带走，进入附近的水环境；另外，从环境保护的角度来说，尽量避免占用有茂密植被的山坡和可耕种的土地，最好选择空旷且少植被的场地。

第二步是掩埋场地的防渗漏处理。确定好具体掩埋位置后，需要重点处理场地的渗漏问题。目前，主要采取防渗膜或者防渗混凝土对堆放场地的底部和四周进行防渗处理。

第三步是弃渣的碾压。按照规范要求，必须对弃渣进行严格碾压。通过碾压，一方面可以将弃渣压实，预防降雨或者地震等带来的影响，避免出现滑坡或者泥石流等危险；另一方面，碾压后的弃渣体积会减小，可以减少占用堆放场地，有利于节约用地。

第四步是弃渣场表面处理。场地表面处理非常重要，可以采用防渗膜将表面掩盖，避免雨水侵入，也可以覆盖松软耕土，种植植被，恢复地表生态环境，结合黄家梁隧道附近的具体环境情况，主要采用覆土植被的方式。

直接掩埋的程序相对简单，技术难度小，花费时间少，费用也较少。

3.2 除油后掩埋

对于饱含原油和含油油砂岩弃渣，重点是除去油砂中的有毒有害物质。由于有害气体相对较少，只要不直接大量堆放，气体就难以聚集，不易造成直接的气体危害。因此，重点就是弃渣中原油的处理。目前，对于原油处理的方法可以分为物理法、化学法和生物法。

3.2.1 物理除油法

物理法除油是对油砂中的原油进行萃取，将砂体与原油分离，再进一步处理，具体的处理流程如下：

（1）在隧道附近选择合适的处理场地，在场地位置建造多个大型混凝土处理池，在比处理池更低的位置处建立大型的汇水池。处理池底部可采用钢丝网状镂空，也可利用渗透性较强的碎石，在处理池底部埋置管道或者开挖沟渠，能够让处理池中的流体向下流动，最终流入汇水池。

（2）选择经济高效的萃取剂。目前施工中可供选择的萃取剂种类较多，比如由Petroteq能源公司开发的低沸点溶剂，该溶剂由疏水、亲水和多环烃组成，能把油砂中99%的烃类溶解。

（3）将油砂岩弃渣运输到处理场地，并堆放在处理池内，然后将萃取液按照一定比例与水混合后，以冲洗方式对油砂岩弃渣进行淋浴，混合液就会溶解油砂中的绝大部分原油，最后，溶解了原油的混合液流入到汇水池。

（4）将处理了原油后的油砂岩弃渣运走。（5）重复进行以上步骤，处理新开挖出的油砂岩弃渣。进入汇水池的混合液体可进一步采用物理、化学或生物法进行处理。采用物理法除油的原理简单，但是实际操作难度较大，需将油砂岩弃渣进行多次装载和运输，所需时间较长，机械和人力需求量较大，最终处理费用较高。

3.2.2 化学除油法

化学除油法与物理除油法有许多类似的地方，都需要专门的处理池、汇水池等，最大的差别在于物理法添加的是萃取剂，主要作用是溶解油砂中的原油，而化学法主要添加的是化学试剂，主要用来与原油中的烃类物质发生化学反应。常用的方法是化学氧化法，主要是通过将氧化剂与水混合加入到处理池，让氧化剂与烃类化合物进行氧化还原反应，将油砂中原油所包含的大分子化合物分解成分子较小的可以被微生物所降解的小分子有机化合物和部分无机化合物，可以减小原油对环境的危害。待化学反应完成后再将油砂岩弃渣运走。

反应后的化学混合液进入汇水池，可采用物理法、化学法或生物法进一步处理。化学法除油的原理相对复杂，操作难度较大，也需要经过多次运输，化学试剂消耗量大，化学反应所需时间较长，最终的处理费用很高。

3.2.3 微生物除油法

微生物除油法就是通过改变微生物外部生活环境和依照微生物的遗传变异规律提高原油降解速度和程度，这种方法具有手段多样化、降解程度高、代谢旺盛且代谢无毒害的特点，被认为是最有生态保护价值、最有应用前景的原油去除最彻底的方法。

微生物除油法可以在处理池中进行，完成后再将弃渣运走，但是这样花费的时间较长，过程复杂，费用较高，不利于大量处理油砂岩弃渣，好处是经过处理后的弃渣可以再利用。

微生物除油法还可以先选择油砂岩弃渣的掩埋场地，场地选择方法如直接掩埋法中所述，并且也要对场地周围进行防渗处理；然后选择微生物，能够除油的微生物种类很多，但必须考虑处理场地的气候、温度、湿度、酸碱性等条件，培育合适的微生物；之后是将油砂岩弃渣堆放到预定掩埋场地，碾压密实后再投放适量的微生物，微生物通过不断的降解原油中的物质生存、繁殖，直至将原油降解完；最后再进行堆放场地表面的处理。

经过物理法、化学法和生物法除油的油砂岩弃渣可以进行掩埋处理，掩埋方法同直接掩埋法一致。

3.3 除油后的弃渣再利用

通过物理法和化学法除油后的油砂岩弃渣不便于重新利用，因为都存在除油不彻底的情况，经过生物除油法处理的油砂岩弃渣可以再利用。一是对于混凝土强度要求不高的地区，可以利用处理后的油砂岩弃渣作为骨料制作混凝土；二是作为工程填料，山区交通项目受地形影响，本身对土石方原料有着巨大的需求，这些工程填料大多需要外运和采购，经济成本高，将弃渣中的骨料替代天然骨料用于路基工程已有成熟的经验，前景广阔；三是生产环保型建材，利用弃渣做原料生产环保型建材的技术和市场正在迅速发展，产品性能也能满足相关要求，可以弥补建材工业大量消耗自然资源的损失。

4 结束语

油砂岩弃渣在处置过程中，要统筹兼顾安全至上、节约用地、经济高效、注重环保和合理分类的原则；油砂岩弃渣处置时可以采用直接掩埋的方法，也可以采用物理除油、化学除油、生物除油后再掩埋的方法，还可以将生物除油法处置后的油砂岩弃渣作为混凝土骨料、工程填料、建材原料进行再利用。