盾构隧道泥渣脱水处理技术研究综述

王树英, 管少祥, 倪准林, 杨泽斌

(1. 中南大学土木工程学院, 湖南 长沙 410075; 2. 中南大学隧地工程研究中心, 湖南 长沙 410075;3. 中南大学轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410075)

0 引言

盾构法作为一种机械化程度高、相对安全、高效快速的隧道施工方法,已被广泛应用于城市轨道交通、市政公路、综合管廊、输电输气管道、排水管网等工程项目建设中。但在盾构施工中,通常会排出大量的泥渣。仅在2020年,我国在建的地铁盾构隧道产生的泥渣总量已超过2.25亿m3,预计泥渣处理费用将高达582亿元[1]。中国对于每年产生的巨量盾构泥渣在减量化、无害化处理与资源化再利用的技术标准及产业规模方面相对滞后,许多地方处理方式仍以堆放、填埋为主,由此易引发如下一系列环境和安全问题。

1)在泥渣运输过程中容易出现扬尘、撒漏现象[2-3]; 2)堆填泥渣会占用大量土地,堆填场地日趋紧张,以致泥渣管理难以满足城市环保管制规定,从而导致停工整改或处罚[4]; 3)盾构泥渣为满足掘进需求通常具有一定流动性,且不同地层物源的泥渣外运堆积后内部不均匀性显著,使得其堆填体稳定性较差,直接堆填存在安全隐患[5-6]; 4)盾构泥渣中含有部分改良剂,长期堆置时地表水入渗会将各种添加剂带入土壤中,污染水土环境。对盾构渣土的高效无害化、减量化、资源化处理[7-8]成为当前及未来一段时间必须解决的难题。

减量化是盾构渣土处理及便于后续资源化利用的重要环节,对盾构泥渣主要是通过将其内部来自于掘进时掺入的较多改良剂溶液与地层本身的大量水分脱除以达到减量的目的,所以脱水技术决定了盾构渣土处置的效率与成本。本文从盾构泥渣特性及其赋水机制出发,归纳常用脱水性能评价指标,对目前现阶段的盾构泥渣脱水处理技术进行总结分析,指出现有技术存在的问题,并对未来发展方向提出思考与展望。

1 盾构泥渣性质及其赋水机制

1.1 盾构泥渣组成、分类与状态

盾构泥渣一般是一种含有砂、土、石以及改良剂等的高含水率混合物,其中改良剂可分为水、泡沫剂、分散剂、黏土矿物、絮凝剂等[9]。由于原始地层的差异以及不同施工方法与使用的改良剂差异,导致了不同工程的盾构泥渣成分与性质差异较大。有学者根据颗粒组成、击实后锥度仪贯入指数、含水率、流动状态,将盾构泥渣按性质分为砂砾类、砂砾土类、硬黏土类、黏土类、渣泥类以及泥浆类6种[10]。按照来源,盾构泥渣一般可分为泥水平衡盾构泥浆和土压平衡盾构泥渣,二者的区别主要在于含水状态不同。另外,土压平衡盾构泥渣含有泡沫、絮凝剂、分散剂等改良剂。泥水平衡盾构通常会排出含水率较高、流动性较大的泥浆;而土压平衡盾构泥渣的含水率一般在液限附近,其具有一定的流动性并呈流塑状。盾构泥渣实物如图1所示。

(a) 泥水平衡盾构泥浆[11]

(b) 土压平衡盾构泥渣

土压平衡盾构泥渣性质除了受原地层影响外,还受注入的改良剂的影响。在黏土地层开挖时会在直接注水或添加泡沫、分散剂等改良剂后形成软泥状的渣土;在以粉砂、砂及砂卵石等为主的粗颗粒地层开挖时,一般需要添加泡沫剂、絮凝剂等改良剂增强土的抗渗性与塑流性,其排出的高含水率渣土待泡沫消散后进行简单的滤水便可达到原砂土状态进行再利用;在一些岩层中开挖时,除泥岩地层产生的渣土呈泥状,其他大部分风化岩层都会产生接近于砂质土状态的渣土。 此外,在一些特殊情况下,比如盾构不满舱施工时,会有比较多的地下水进入压力舱,其与掘削土混合后会形成泥浆排出[12]。泥水平衡盾构通常会产生混有各类颗粒含水率较高的泥浆,其一般通过初步筛分得到包含有粉砂、砂以及砂卵石等的粗颗粒渣土及细颗粒泥浆这2类产物。筛分出的粗颗粒可以直接回收利用,而剩余的泥浆一般采用压滤机、离心机等机械设备脱水形成较为干燥的泥渣排出,少数工程也会直接在储泥场地中放置[13]。

1.2 盾构泥渣性质

盾构泥渣的物理力学性质主要包括颗粒级配、含水率、塑流性、渗透性、抗剪强度、压缩性等[9]。

1)颗粒级配与含水率。颗粒级配与含水率作为盾构泥渣的基本物理性质,对泥渣的状态具有重要影响。粒径小于5 μm的黏土颗粒由于其表面电性所结合的水分很难在重力作用下排出,如果吸附结合水含量超过20%,渣土大多会呈现软泥状。含水率大于50%时,黏粒含量较多渣土会呈现泥浆状。对于处于这些状态的泥渣,一般需要调理改性并脱水处理后才能进行运输、堆放与利用,否则易引发外运过程中的撒漏以及渣土弃纳场中的倒溃、滑坡等安全问题。

2)塑流性。为确保渣土能够顺利排出,盾构泥渣需要具有合适的塑流性,目前评价泥渣塑流性的主要方法有坍落度法、流动度法和稠度法,对于黏性泥渣还会使用黏稠指数法。由于掘进的需要,排出的盾构泥渣通常具有一定的流动性,这对于后续外运以及填放都十分不利,特别是在一些泥渣乱倒的现象中,盾构泥渣乱流极易造成道路、航道以及水利设施等的堵塞。

3)渗透性。为防止螺旋输送机喷涌、开挖面失稳等问题,盾构土舱内的泥渣需要具有较好的止水性。黏性地层的泥渣本身具有较低的渗透性,而粗颗粒地层由于泡沫等改良剂的注入,渣土内孔隙被有效填充,阻塞了排水通道,减小了渣土渗透性,改良后的盾构渣土的渗透系数一般至少控制在10-5m/s以下[9]。对于具有低渗透性的盾构泥渣,不仅会降低脱水效果,在堆放时还会导致地表的排水与泄洪能力下降,容易引发雨季的洪涝灾害。

4)抗剪强度。为减小隧道掘进时土压平衡盾构的转矩,改良后的渣土需要有较小的抗剪强度,其不排水抗剪强度一般为10～25 kPa。这使得盾构泥渣颗粒结构松散,颗粒分散的渣土孔隙通道会更小从而使脱水性能下降。需要一定的固化改性才能使之具有一定强度,进而用于基础加固或用作建筑材料。

5)压缩性。盾构渣土具有一定的压缩性,以便在螺旋输送机转速和掘进速度变化时一定程度上抑制土舱压力的波动[14]。压缩性越好,越有利于盾构施工中掌子面的压力控制,土舱压力波动性就越小。但压缩性太好时,容易在渣土长期堆填中造成体积变化与塌缩,存在安全隐患,并且高压缩性土不利于道路、堤防、地基等填方利用。常通过压滤的方式脱水并压实渣土,以降低其压缩性。

1.3 盾构泥渣赋水机制

盾构隧道泥渣中的水分除了来源于原地层中土体本身含有的水分外,其余水分一定程度上来源于泥水盾构注进泥浆或是为了土压盾构渣土改良所注入的改良剂中的水分。根据土颗粒表面受静电作用的强弱,泥渣中的水分可划分为自由水、结合水与结晶水[15],由于结晶水所占比例较小且对后续泥渣的再利用影响较小,脱水处理主要针对的是自由水与结合水。对于黏土类泥渣,其黏粒含量较高,可吸附许多结合水,且土中含有较多细小孔隙,通过毛细作用可存有大量水分,脱水性能较差;对于砂、砾类泥渣,其粗颗粒含量较多,本身吸附的结合水较少,同时颗粒间孔隙较大,渗透性高,透水性强,水分容易从孔隙中流失,可赋存水分较少,脱水性能较好;包含有这2种的混合类泥渣,其赋水性能介于二者之间,在脱水时要通过多道工序进行处理。

盾构泥渣除了土颗粒本身的赋水特性外,改良剂也会对泥渣的持水特性带来一定的影响。泡沫剂通过发泡产生的泡沫与渣土混合后会填充土粒间孔隙,可以显著提高改良渣土的抗渗性[16]。在用泡沫和膨润土共同改良后,泡沫在土体中占用了渗流通道,膨润土可在土颗粒间胶结和固结形成“滤饼”形态的低渗透性薄膜,二者同时作用能够堵塞渗流通道使渗透系数降低[17]。在盾构掘进中,提高泥渣的抗渗性能保证开挖面的稳定,但对于工后脱水处理来说,残余的泡沫会填充孔隙使泥渣的渗透系数减小,泥渣内赋存水分增多,造成脱水效率降低。同样像黏土矿物等改良剂会使泥渣黏粒含量增多,降低泥渣渗透系数,脱水性能下降。絮凝剂类的改良剂会使土颗粒之间的连结聚团,增大颗粒间的孔隙通道,提升脱水性能,因此絮凝剂常作为泥渣脱水调理剂。

2 盾构泥渣脱水性能评价指标

从目前国内外研究来看,对于盾构泥渣的脱水性能还没有较为统一而系统的评价指标体系。结合目前污泥、矿泥等脱水性能的评价指标以及盾构泥渣的性质来看,归纳了用于衡量盾构泥渣脱水性能的常用指标,包括有过滤比阻(specific resistance to filtration,SRF)、毛细吸水时间(capillary suction time,CST)、渣土沉降速率、渗透系数以及经过真空抽滤、板框压滤和离心脱水等试验后泥渣的含水率。

2.1 过滤比阻

过滤比阻(SRF)是指在某恒定压力下单位质量的土在单位过滤面积上过滤时的阻力,表示泥渣过滤特性的综合性指标,可以反映脱水性能的好坏[18]。一般来说,泥渣的比阻越大,其过滤性能越差,脱水性能就越差。比阻通常采用如图2所示比阻测定仪进行测定。基于卡门过滤基本方程式,推导出的比阻值计算如式(1)所示。

(1)

式中:r为比阻值,s2/g;p为过滤压强,g/cm2;A为过滤面积,cm2;b为t/V值与V值呈直线关系的斜率,s/cm6(其中,V为滤液体积,cm3;t为过滤时间,s);μ为滤液黏度,g/(cm·s);ω为所得固体物质质量与抽滤液体积之比,g/cm3。

图2 比阻测定仪[19]

2.2 毛细吸水时间

毛细吸水时间(CST)是指泥渣中的水在吸水滤纸上渗透一定距离所需要的时间,用来表征渣土的脱水性能。为保证试验结果的准确,实际常采用台式毛细吸水时间测试仪进行测定。Dentel等[20]使用CST评价污泥脱水性能,一般CST越小,表示泥渣的脱水性能越好。毛细吸水时间一般适用于存在较多毛细孔隙的细颗粒泥渣,而对粗颗粒含量高的泥渣脱水性能评价效果较差。由于SRF与CST存在较强的正线性相关性,往往可根据具体实际情况取其一对泥渣的脱水性能进行评价。SRF与CST能很好地反映板框压滤脱水效果,但不能较好地预测离心脱水效果[21]。

2.3 沉降速率

对于泥渣的沉降速率一般用泥渣在量筒中静置时固液分界面高度随时间变化的快慢来表示,泥渣的沉降性能可以反映其脱水性能,沉降速率越快,泥渣的脱水性能越好,该指标一般适用于含水率较高的泥浆。李春林等[18]通过沉降速率变化来分析研究聚丙烯酰胺类有机絮凝剂对高黏粒含量废弃盾构泥浆脱水性能的影响。吴幼权等[22]采用复合絮凝剂CAM-CPAM调理污泥并以脱水率及沉降速率为主要评价指标,得出其投加量为30 mg/L时,脱水率为90%以上,沉降速率达0.155 cm/s,污泥脱水性能得到显著改善。

2.4 渗透系数

渗透性作为盾构泥渣的基本性质,也可用来反映泥渣的脱水性能,具体通过渗透系数这一参数来表征。一般来说,在采用离心、压滤等机械法或电渗法脱水时,泥渣渗透系数越大,渗透性越强,泥渣脱水效果也越好。常采用渗透仪测定渗透系数。詹良通等[23]采用压滤设备对盾构泥浆进行脱水,将每段时间内泥浆平均厚度作为渗流路径长度,采用常水头渗透公式计算每个时间段内的等效渗透系数,用以反映泥浆整体的脱水性能,等效渗透系数

(2)

式中:V1、V2分别为每段时间间隔初、末的滤失量,mL;H1、H2分别为每段时间间隔初、末的泥浆液面高度,cm;p0为设备所用气压压力,MPa;γw为水的重度,kN/m3;A为泥饼断面面积,cm2;t为时间间隔长度,min。

2.5 含水率

经压滤、抽滤、离心等方法脱水后的泥渣含水率最能直观地反映泥渣的脱水性能,泥渣脱水后的含水率越低,代表其脱水性能越好。孙晓辉等[24]为研究絮凝剂聚丙烯酰胺调理后盾构泥浆的脱水性能,通过板框压滤后的泥饼含水率来判断脱水效果,结果表明絮凝剂调理后泥饼含水率比未调理时泥饼含水率由47.38%降至26.03%。

针对不同状态与性质的盾构泥渣,需要选择合适的脱水性能评价指标。盾构泥渣脱水性能评价指标适用性如表1所示。

表1 盾构泥渣脱水性能评价指标适用性

3 盾构泥渣脱水处理技术

当前,盾构泥渣脱水处理主要方法为借助振动筛、除砂器、除泥器进行固液分离和颗粒多级筛分,利用压滤机、离心机再对细颗粒泥浆进行脱水。此外,有些地方也会采用露天堆放晾晒或加热的方式进行脱水。其他还有针对粗颗粒土的真空预压法、针对低渗透性黏粒土的电渗法等一些具有针对性的脱水方法。依照各类脱水方法的原理可分为机械脱水、干化脱水以及渗流脱水。

3.1 机械脱水

机械脱水的原理是利用各类机械对泥渣这类固液混合物施加外力,从而迫使其中的自由水分离。其在矿业、化工、污泥等固体废弃物处理领域广泛使用,该方法的高效低能耗性使其目前成为盾构泥渣的常用脱水方式。泥渣机械脱水处理流程主要是采用振动筛分离较粗的碎石,包含一级和二级的2级旋流洗砂系统分离砂和粉粒,其中,泥浆可直接筛分,而含水率相对较小的渣土需要加入大量水再进行筛分,筛分后剩余泥浆若脱水性能较差还需加入絮凝剂等进行改性调理,最后,采用压滤机、离心机等进行泥水分离。

3.1.1 处理工艺

泥渣物料通过给料机分料至振动筛,经过振动筛分后分离粒径大于2 mm的粗骨料,细砂、粉粒、黏粒和水通过筛下溜槽进入洗砂系统;经过一级和二级叶轮洗砂机及水力旋流器将粒径在0.075～2 mm的细砂洗出,降低砂中含泥量,分离出较为干净的细砂; 溢流与筛分下来的泥浆进入调理系统通过药剂进行改性调理,调理后的高含水率泥浆泵入压滤系统或离心系统,压滤或离心后形成粒径小于0.075 mm的低含水率泥渣与清水,清水可在系统中循环利用。泥渣机械脱水处理工艺流程如图3所示。泥渣机械脱水处理工艺如图4所示。

图3 泥渣机械脱水处理工艺流程图

图4 泥渣机械脱水处理工艺[25](单位: mm)

3.1.2 处理设备

3.1.2.1 振动筛

振动筛是盾构泥渣脱水处理系统中的关键设备,由振动电机工作产生周期性的惯性力,迫使筛箱、筛网和弹簧等部件在底座上进行间歇振动,其主要用于将渣土中2 mm以上的粗骨料和2 mm以下的细骨料及细颗粒相互分离。

3.1.2.2 旋流器与洗砂机

旋流器可以将粒径为0.075～2 mm的固体颗粒分离出来,其通过利用泥浆中固、液相各颗粒所受的离心力大小不同进行分离。旋流器上部呈圆柱形,形成进口腔,侧部有1个切向进口管,由旋流渣浆泵输送来的泥浆沿切线方向进入腔体内。顶部中心有涡流导管,处理后的泥浆由此溢出。壳体下部呈圆锥形,底部为排砂口,洗砂从中排出至洗砂机[2]。洗砂机由电动机驱动,带动水箱中的叶轮在水中连续旋转,搅拌翻转,不断地冲刷清洗带泥的砂粒,同时上部用清水进行冲洗。二者共同构成的旋流洗砂系统(见图5)能得到含泥量较低的细砂材料。

图5 旋流洗砂系统[26]

3.1.2.3 压滤机

压滤机主要是对颗粒粒径小于0.075 mm的泥渣进行深度脱水,常用的泥渣脱水压滤机包括板框压滤机和带式压滤机2种。

1)板框压滤机是由多块滤板、滤框交替排列叠合组成的固液分离装置(见图6(a)[27]、6(b)[28]),在滤板和滤框间夹有如滤布等过滤介质,每2块滤板与二者间的滤框构成1个滤室。浆料在输料泵的压力下被打入滤布间的滤室中,在压力作用下大部分自由水通过滤布流出,留下的泥渣颗粒形成含水率较低的泥饼。板框压滤机操作压力一般为0.4～0.6 MPa[29],进行深度脱水时板框压滤机的过滤压力为1 MPa左右[30]。在板框压滤的过程中,泥渣的脱水一般分为2个阶段: 在泥渣进料过程为过滤脱水阶段,在压榨过程为压缩固结脱水阶段[31]。板框压滤机的固液分离效果好且适用范围广,但其属于循环间歇运作,整体处理效率一般,且泥渣容易堵塞滤布,粗颗粒容易刺破滤布,使滤布更换频繁,主要适用于泥渣量小或泥渣处理周期较为宽裕的工程[32]。

(a) 结构示意图[27]

(b) 实物示意图[28]

2)带式压滤机是一种利用上下2条滤带对泥渣缓慢加压脱水的压滤装置(见图7(a)、7(b)[33]),在经过楔形预压区、低压区和高压区由小到大的挤压力、剪切力作用下泥渣被逐步挤压,其大部分自由水会被滤脱,剩余泥渣会形成含水率较低的泥饼。带式压滤机因其泥渣处理量较大、工作连续、操作简单且占地面积较小,所以脱水效率好于板框压滤机。但是得到的脱水后泥渣的含水率一般会高于板框压滤机,脱水效果受泥渣性质的影响较大[34],耗能更高且维护成本也较高,因此其一般用于方量较大的大型工程,泥渣连续脱水时效益较好。

(a) 结构示意图

(b) 实物示意图[33]

3.1.2.4 离心机

离心机是泥渣脱水处理的常用机械,工程中常用的离心机为卧螺离心机,其是基于固体颗粒与水在离心场中分层的离心沉降原理的一种泥渣脱水设备(见图8[35])。泥渣中的固体颗粒由于密度较大,在离心力的作用下紧贴在转鼓内壁形成1层固环层,之后在转鼓与螺旋形成的差转速下由推料器逐渐推至排渣出口排出。由于液体容重较小,其会在固体层的内侧再形成1层液体层后逐渐流向转鼓大端随溢流孔排出。江君等[36]研究了卧螺离心机对城市污泥脱水效果,经处理后的污泥泥饼在对比得到的离心机最优运行工况下含水率可降至58%左右。任欣等[37]的研究表明,分离因数、离心机的差转速等因素均能影响脱水的效果,其中分离因数是衡量离心机分离脱水性能的一个关键指标,随着分离因数增大,脱水效果就越好。卧螺离心机具有处理能力强、效率高、占地少、可持续运行作业、污染较小等诸多优点,但其不能处理含有较大粒径颗粒的泥渣,该类泥渣易造成机器磨损与堵塞。

(a) 结构示意图

(b) 实物示意图

压滤机与离心机这类机械用于处理经筛分后流动性大且黏粒含量少的泥水盾构泥浆会有较好的脱水效果,而土压平衡盾构泥渣中常混合有较多的细颗粒与砂砾、碎石等粗颗粒,且渣土流动性相对较低呈现一定的流塑性,里面的粗颗粒无法直接筛去,需要加入一定的水进行稀释,再使用压滤机或离心机对筛分后的泥浆进行脱水。而对于黏粒含量较多的盾构泥渣,为保证较好的脱水效果,往往需要进行一定的改性调理去改变渣土的孔隙结构与持水特性,再进行机械脱水。

3.1.3 改性调理剂

为增强盾构泥渣的脱水性能,使得一些仅靠机械作用难以降低含水率的泥渣也能高效脱水,需要通过添加外加剂改变泥渣的物理力学特性,促进固液分离以达到增强脱水性能的目的。常用的调理剂为絮凝剂与表面活性剂。

3.1.3.1 絮凝剂

絮凝剂是改善泥渣脱水性能的一种常用调理剂,一般分为有机絮凝剂与无机絮凝剂2类,盾构泥渣脱水处理中常用的有聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等。絮凝剂的分子链中含有一定量的极性基团,可以吸附悬浮在水中的固体颗粒,并在颗粒间架桥形成大块凝结物。其有加速悬浮液中颗粒的沉淀,增大泥渣内孔隙通道,加快固液分离,促进过滤的效果,能有效将土体颗粒周围的毛细水与部分弱吸附水转变为游离水脱出,并且使用絮凝剂能有效提高泥渣的压缩性,提高脱水速率[38]。絮凝剂调理前后泥渣状态对比见图9[39]。陈斌等[40]对铝土矿矿泥絮凝沉降脱水技术进行了概述,得出阴离子型聚丙烯酰胺用于铝土矿矿泥絮凝沉降有明显优势。王海良等[41]研究了有机-无机复掺絮凝剂对盾构废泥浆脱水效果影响,得出针对盾构泥浆脱水的有机与无机絮凝剂的复配掺量。任俊等[42]以太湖疏浚底泥为对象,选择5类复合絮凝脱水药剂采用土工管袋进行脱水试验,最后得出有机聚合物类和有机-无机复合类药剂脱水效率较好,分别使淤泥含水率降至40.56%和32.16%。絮凝剂对含水量较高的泥浆或渣土具有较好的脱水效果,但其却无法有效分离泥渣中的结合水。

3.1.3.2 表面活性剂

表面活性剂的分子结构兼具亲油(疏水)基和亲水(疏油)基2个部分,能吸附在两相界面上,呈单分子排列,使溶液的表面张力降低,这是其能提升泥渣脱水性能的重要因素[43-45]。相对于一般絮凝剂来说,表面活性剂对界面性质的影响更大,表面活性剂加入到泥渣中,会增大固/液界面接触角,减小泥渣毛细压力,其还会破坏压缩土颗粒表面的结合水化膜,使泥渣内的结合水更容易脱去并扩大颗粒周围毛细管半径,进一步提升脱水速率与减少滤饼含水率。Chen等[46]对比了两性离子表面活性剂十二烷基二甲基胺乙内酯与传统的无机调理剂FeCl3、CaO在相同试验条件下对污泥脱水的改善效果,结果表明十二烷基二甲基胺乙内酯可以明显提高污泥的脱水性和过滤性。吴姁等[19]研究了十六烷基三甲基溴化铵和十二烷基苯磺酸钠对焦化污泥脱水性能的影响和作用机制,经过调理后的污泥的比阻明显下降,脱水性能增加。采用表面活性剂对渣泥进行调理,能够提高固液分离效率[47]。土压平衡盾构掘进中一般都需注入以具有较大起泡性的表面活性剂为主要成分的泡沫剂发泡制成的泡沫进行渣土改良,这些有一定强度和韧性的残余泡沫会填充阻塞孔隙使脱水效果降低。为避免在调理拌合过程中形成过多泡沫,一般选用起泡性较低的表面活性剂来调理改善泥渣脱水性能。

加入改性调理剂后,可使经过筛分和旋流洗砂系统后得到的细颗粒泥渣脱水性能大大增加,絮凝剂由于价格低廉且污染相对较小目前应用较为广泛,表面活性剂主要用于结合水与毛细水含量较多的黏性泥渣,释放颗粒周围的部分结合水并扩大土粒间毛细管通道以提升泥渣脱水性能。

3.2 干化脱水

干化脱水的原理是将土体中的水分汽化,使其进入大气,其效果主要是受大气与土体交界面处的环境参数控制,包括温度、湿度、液体表面积以及空气流速等,同时也与泥渣的成分、颗粒级配等泥渣自身性质有关。根据热源形式,目前常用的的泥渣干化脱水方法可分为自然干化与热干化。

3.2.1 自然干化

自然干化的原理是利用太阳能与空气流动来加速泥渣的水分蒸发。该方法简单经济,是目前盾构泥渣处理中最常见的方法,但一般需要占用较大的土地资源,干化程度容易受到泥渣的状态、天气条件与地形的影响,晾晒过程易产生扬尘,同时效率较低,脱水周期长,可能需要设置鼓风机等增加空气对流速度来加快脱水的速度[10]。

3.2.2 热干化

热干化的方法是通过外部热源加热来干燥盾构泥渣的方法。实际常采用转筒烘干机(见图10[48])进行,其利用煤、天然气或电能等产生的热量通过旋转加热来对大宗泥渣进行烘干脱水处理。该方法的优点是处理效率较高,单台烘干机泥渣处理量为5～7 t/h,处理后的泥渣含水率一般可降至10%以下,环境污染程度较小,可连续作业,且高温可以去除泥渣中的一些有害有毒物质,但其也存在热能利用效率过低、能源消耗大以致后期实际运营成本较高的缺陷[48]。

图10 转筒烘干机[48]

3.3 渗流脱水

渗流脱水的基本原理是当土体中存在压力水头时,水将从势能较高处向势能较低处移动,从而形成孔隙渗流使土体中的水不断排出。目前常用的泥渣渗流脱水方法有土工管袋法、真空预压法以及电渗法3种。

3.3.1 土工管袋法

土工管袋是一种利用拉伸强度较高的土工织物编织而成的长条枕袋形滤袋(见图11[49]),大小可以根据实际工程情况进行调节。土工管袋具有加固、过滤、隔离、脱水等多种用途。其脱水原理是在袋内部巨大压力作用下使水分排出并留下泥渣中的固体颗粒。同时管袋具有一定的过滤与抗紫外线能力,其脱水周期与管袋的大小成正比[50]。土工管袋脱水法具有施工速度快、泥渣处理量大、造价低、就地取材等优点,在不具备机械脱水条件时会用来对盾构泥渣进行脱水,但其存在占用场地较大、脱水时间一般较长的缺陷。为了缩短脱水时间,往往要对泥渣进行预调理,且该方法一般适用于含粗颗粒较多的泥渣;而对于细颗粒含量较高的泥渣,则需要更长的脱水时间,且脱水后的土较为软弱,无法继续作为填方材料回收使用[32]。

图11 土工管袋[49]

3.3.2 真空预压法

真空预压法[51-52]的原理是将不透气的薄膜铺设在泥渣表面覆盖的砂垫层上,使用抽真空装置通过垫层中的真空滤管与泥渣中的塑料排水板将泥渣中的空气抽出,土体内部会形成真空,产生的气压差将泥渣内的水沿孔隙通道排出。真空预压示意图见图12[51]。真空预压法具有处理泥渣面积大、施工工艺简单、成本低、基本无环境污染等特点。其原本常用于各类地基的排水加固中,目前由于其以上优点在一些盾构泥渣的脱水处理中也得到了一定的使用。但当使用真空预压法处理高黏粒含量的泥渣时,不仅泥渣本身渗透性较差难以排水,而且土体中的黏土细颗粒会随孔隙水迁移至排水板或滤膜周围形成致密的土柱,从而堵塞排水通道造成淤堵现象,严重降低脱水效率[53]。

图12 真空预压法[51]

3.3.3 电渗法

电渗法是指在电场的作用下,土体中插入电极并通入直流电后,土中水分子因自身极性被正离子吸附牵引而不断从阳极流向阴极,逐渐将水疏干进而降低土的含水率的一种脱水方法。由于黏土颗粒表面通常带负电,而带有正电荷的水会向阴极集中并随通道排出,所以电渗法不但能排出土体中的自由水,还可以排出部分受静电场作用的弱结合水。该方法对低渗透性的细颗粒黏土有较好的脱水效果[54];同时由于电渗法的脱水速率与土颗粒大小、孔隙率无关,在高效脱水方面有着较好的应用前景[55]。目前,电渗法在盾构黏性泥渣脱水处理方面有一定应用但还是较少。这是由于电渗法存在金属电极阳极腐蚀、土体脱水不均匀、能耗偏大等缺陷[56]。王俊杰等[57]研发了一种有良好性能、能多层布置的新型导电塑料排水板来代替金属电极,在获得更好的电渗效果的同时还解决了电渗过程中电极腐蚀与电渗后期电极与土体脱开的问题。开展解决电渗法各类缺陷的研究,是电渗法脱水能否广泛应用的关键。

4 盾构泥渣脱水处理的问题与思考

4.1 盾构泥渣脱水处理存在的问题

4.1.1 大量泥渣产生与处理压力增加

随着我国城市化进程的推进,越来越多的盾构隧道工程在建设中产生大量泥渣。这导致泥渣脱水处理的数量逐年增加,处理压力增大。尤其在一些大型城市,隧道工程规模庞大,泥渣产量更大,对脱水处理设备的性能和规模化处理能力提出了更高要求。

4.1.2 脱水设备的能耗高与运维难

目前常用的泥渣脱水处理设备,如压滤机、离心机等,通常需要较高的能耗来完成脱水过程。能耗的增加不仅会造成设备运行成本的上升,还对环境造成一定的压力。同时,这些设备在长时间高负荷运行下,容易出现故障,维护和修复也较为复杂,增加了运维成本和工程周期。

4.1.3 水资源浪费

传统的机械脱水处理方式为了便于对泥渣中的不同粒径颗粒进行分级筛分通常需要消耗大量的水进行稀释、冲洗,虽然有部分被回收但也有较多的水资源被损耗浪费。同时,脱水本身排出的水中许多因掺有泥渣改良剂或改性调理剂而被当作废水直接排出。在一些地区,水资源本来就相对匮乏,这种方式会带来更大的问题。不仅导致水资源的浪费,还会产生大量的废水,对水资源的保护和环境造成负面影响。如何在脱水过程中尽量减少水资源的浪费,提高水资源的利用效率,是一个亟待解决的问题。

4.1.4 处理后泥渣再利用困难

目前,我国对于盾构泥渣脱水过程中产生的粗颗粒砂、石虽然已可以较好地利用,但剩余的细颗粒黏土主要还是采用填埋或堆放等方式进行处理,没有过多的利用手段与消纳场所,从而造成资源的大量浪费。实际上,细颗粒黏土经处理后可以用作注浆材料、免烧砖、植培土等,但目前限于成本、使用范围、再利用的研究和推广还相对滞后等多方面原因,对其开展大规模利用还存在许多困难。

4.1.5 新技术的引领性工程探索太少

新的脱水技术、方法例如电渗-压滤联合脱水[58]、DME(二甲醚,dimethyl ether)深度脱水[59]、超声波脱水[60]等需不断在小试、中试、现场试验等过程中进行验证。目前,我国在盾构隧道渣土与泥浆脱水方面的创新性工程实例非常少,许多研究成果处于试验阶段,工程示范的实例更少。没有案例的验证,许多高效低碳的脱水方法便难以进行推广应用。积极地进行研究和探索,从小规模试验到大范围的工程应用是脱水技术进步的必然过程。

4.1.6 缺乏统一的处理标准和规范

由于盾构泥渣的成分和性质各异,目前缺乏统一的脱水处理标准和规范。不同城市和地区在处理泥渣时可能采取不同的方法和技术,导致脱水效率和处理成本的差异。同时,缺乏统一标准也导致难以比较不同地区的脱水处理效果,不利于经验和技术的交流共享。建立统一的盾构泥渣脱水处理标准和规范,有助于提高整个行业的水平和效率。

4.2 盾构泥渣脱水处理发展的思考

针对目前盾构泥渣脱水处理存在的问题,未来可从以下方面进行改进,并达到产业化、规模化的发展。

4.2.1 脱水设备的智能化

利用传感器实时监测设备运行状态、泥渣含水率、设备健康状况等数据,通过人工智能算法进行分析与判断,实现自动控制和调节设备运行参数,提高脱水效率和稳定性。同时通过数据分析,提前发现设备故障或异常,进行预警和远程维护,避免停机时间和生产损失,降低维护成本。还可通过人工智能算法优化设备的运行模式和能耗分配,实现能耗的最小化,减少能源浪费,降低运行成本。

4.2.2 脱水设备的模块化与规模集成化

将盾构泥渣脱水设备分解为多个独立的功能模块,每个模块负责特定的任务,如给料、加药、固液分离、泥饼收集、水处理等,可以根据实际需求自由组合各个功能模块,提高设备的可扩展性和适应性,以适用于不同规模和类型的工程项目。各个功能模块可以独立维护和更新,降低维护成本和停机时间。同时,模块化设计也方便对设备进行升级,引入新技术和功能。

将智能化和模块化技术应用于整个系统来进行大规模化的泥渣脱水,通过集成规模化设计,实现设备各个模块之间的紧密协同以及高度的自动化,可提高设备整体效率和稳定性。

4.2.3 环保高效的资源化利用

针对盾构泥渣脱水过程中水资源浪费与所得细颗粒泥饼利用率较低的问题,可采取如下措施: 1)在泥渣脱水过程中,可以采用循环水系统,将脱去的水进行收集和净化处理后再次利用。2)优化脱水工艺,尽量减少需要洗涤的次数,减少水资源的消耗。可以考虑采用化学处理或机械振动等技术替代洗涤步骤,降低水耗。3)对排放的含有一定浓度药剂的泥渣处理水进行回收和处理,可以通过一系列分离技术净化水资源,并将其再次利用于脱水过程。4)深度开发细颗粒泥饼进行资源化利用的范围与成本,例如絮凝-固化一体化技术等,尽量减少泥渣成为产品的中间环节,使其成为廉价易得的免烧砖[61]之类的建筑材料、种植土壤、路基材料等。5)政府可以出台相关政策,鼓励企业对细颗粒泥饼进行资源化利用,从而推动盾构泥渣脱水与利用技术的发展和应用。

4.2.4 统一标准与规范

建立统一的盾构泥渣脱水处理标准和规范,包括处理设备的选型、操作要求、处理效果评价指标等,促进行业内技术的标准化和规范化。统一标准,将有助于降低设备的采购和运维成本,提高整体处理效率。

5 结论与展望

5.1 结论

1)盾构泥渣本身的性质与改良剂很大程度上影响了脱水的难易程度,其中高黏粒含量泥渣由于吸附有较多结合水且孔隙通道细小使其脱水困难。采用高效的絮凝剂使颗粒聚团或表面活性剂释放结合水,是行之有效的脱水方法。

2)目前对于盾构泥渣的脱水性能评价指标体系缺乏统一的观点,结合其他领域与盾构泥渣特性总结归纳SRF、CST、沉降速率、渗透系数以及含水率5项用于评价泥渣脱水性能的指标。除了脱水性能评价指标外,脱水后改良剂、调理剂的残留以及泥渣pH值等环境指标也需要同步关注。

3)从现阶段各类盾构泥渣脱水处理技术来看,机械脱水技术目前在黏粒含量较少的盾构泥渣脱水处理方面已较为成熟,且处理过程中筛分出的粗颗粒与细砂能直接利用,但依然存在成本较高的问题。而对于黏粒含量较多的盾构泥渣需加入高效的调理剂改性以增强脱水性能,成本的进一步增加与药剂污染的处理也是需要面对的问题。自然晾晒显然已不能满足效率与环保的要求。热干化脱水虽然适用范围广且脱水较为彻底,但其存在能耗大、成本高的缺陷。渗流脱水技术中的土工管袋法以及真空预压法对渗透性较大的泥渣具有较好的脱水效果,电渗法可适用于低渗透性黏土,但其耗电量大且电极易腐蚀的缺陷目前难以避免。

5.2 展望

目前盾构泥渣脱水处理技术存在的问题主要有设备性能不足、能耗高与运维难、水资源与泥渣利用率低、新技术难以推广应用以及缺乏统一的处理标准和规范进行指导。面对这些问题,我国盾构泥渣脱水技术在标准、方法、设备、政策与市场运行等方面仍然有着广阔的发展空间。

1)在脱水性能以及脱水产品利用需求的框架下,应充分结合相关案例的大数据资源,构建全地层条件、多种施工方式下待脱水的盾构泥渣定量分类与相关技术标准。

2)盾构泥渣的理想脱水性能目标会随地层条件改变而发生动态变化,可以利用深度学习等人工智能方法,形成智能化的泥渣脱水时调理药剂掺量、设备运转参数的动态监控与调整技术。

3)进行脱水机械装备与管理模式升级,构建智能化、模块化与集成规模化三位一体的脱水产业化模式。

4)积极推进盾构泥渣脱水处理中环境友好型、节约能耗型、以废治废型新技术的开发,减少脱水过程中的资源浪费,探索利用绿色材料与方法解决泥渣脱水问题的途径,并积极完善与落实相关鼓励政策。