建筑垃圾中盾构渣土无害化及资源化技术应用

刘烨煊

（中铁环境科技工程有限公司，湖南 长沙 410000）

引言

盾构渣土属于建筑垃圾中的工程渣土类。随着我国交通建设的发展，越来越多的铁路、公路、地铁等道路及轨道建设如火如荼的开展，因此地下隧道工程的施工势必会产生大量的盾构渣土。根据中国城市轨道交通协会公布信息，截止2021 年底我国大陆地区已有55 个城市开通了城市轨道交通，其中在建地铁线路5093.1km，规划建设地铁线路4937.3km，全国盾构渣土处理市场巨大。

由于盾构施工工艺的需要及掘进地层的地质特性，导致盾构渣土含水量高[1]、不易运输、含有表面活性剂等有害污染物[2]的危害。因此，成稀泥样或泥浆样的盾构渣土，在堆存过程中易形成滑坡，从而影响堆土场的安全堆放。另外，盾构施工过程中，为保护刀盘、增加土壤流塑性，还会加入表面活性剂（俗称“泡沫剂”）等有机化合物，由于表面活性剂会吸附于盾构渣土中[3]，然后随着盾构渣土转移入渗到土壤、地表水中，并发生一系列物理、化学、生物反应，或为植物根系吸收，或被微生物合成吸收，造成土壤、地表水和地下水污染，从而破坏自然环境、影响居民生活。

由于对盾构渣土的危害及存在问题认识不足，因此我国对盾构渣土的处理处置起步较晚，目前还未形成系统化、规范化、标准化的技术体系和标准文件，也缺少系统的盾构渣土处理实用技术，已有的盾构渣土处理方式主要集中在简单的筛分、脱水，外运填埋。本文以广东省深圳市地铁14 号线某盾构区间产生盾构渣土的处理为例，通过盾构渣土无害化、资源化处理技术工程应用情况的介绍，降低盾构渣土的堆存规模和处理难度，以期能为盾构渣土处理提供参考，为盾构渣土处理技术的推广应用奠定基础。

1 项目概况

深圳市地铁14 号线某盾构区间，区间长度约5876.68m，区间隧道线外径约6.7m，左右隧道间距为10.08～39.33m，隧道埋深为11.4～67.0m，隧道底板高程为2.477～33.120m，拟采用复合式盾构法施工，盾构量约为每日20 环。隧道施工主要穿过地层大部为第四系海积、冲洪积及残积土层，下覆基岩以燕山期花岗岩为主，局部产出震旦系变质砂岩及石炭系大理石；垂直分带较明显，淤泥与淤泥质砂厚度为17.0～19.6m，中粗砂厚度为5.0～9.6m，下伏残积土层厚度为20～30m，土质多为砂质粘性土。

2 项目渣土背景值调查

盾构渣土来源于地下工程盾构施工，复杂的地层地质情况和盾构施工过程中添加的化合物，使得盾构渣土的成分复杂。为确定盾构渣土无害化、资源化的处理工艺，以及为盾构渣土处理后的最终消纳处置提供方向，因而需对盾构渣土的背景值进行调查。这样，不仅能有针对性的对盾构渣土进行高效处理工艺设计外，还有利于对盾构渣土进行源头分类减量，降低盾构渣土处理处置的成本。

调查的主要内容为2 个方面，一是确定各类盾构渣土的检测指标，分析其组分；二是对盾构渣土可能出现的环境风险进行判定和分析，提出相应的管控手段。盾构渣土背景值的主要调查因子为物理性指标和化学性指标，其中物理性指标主要包括颗粒组成、含水率等，化学性指标主要包括表面活性剂、重金属（Cd、Cr、Pb、As、Hg）、石油烃等。取不同掘进深度产生的盾构渣土的3 个样本进行盾构渣土背景值分析，详见表1。通过检测可知，项目工程分析的3 个渣土样本含砂量（粗、中细砂）介于39.07%～56.28%之间，表面活性剂含量介于30.6～45.3mg/kg 之间，重金属和石油烃均未检出。

表1 盾构渣土背景值分析表

3 项目产生量及规模

3.1 盾构渣土产生量

本文施工段采用1 台盾构机单向掘进，盾构直径6.98m，环长1.5m，掘进工作量8～10环/d。单台盾构机掘进盾构渣土产生量Qn ，按式（1）计算[4]。

式中Qn—第n条盾构机掘进隧道盾构渣土预测产生量，m³；dn—第n条盾构机掘进隧道直径，m；In—第n条盾构机掘进隧道掘进距离，m。

通过以上数据测算，本方案隧道截面积38.26 m2，施工断面方量57.40m3/ 环，单台盾构机平均每天出土量约在459.2～574m3/d。

3.2 项目规模设计

该区间施工段盾构渣土产生量约在459.2～574m3/d 之间，盾构渣土平均含砂率≥40%。设计采用现场处理方式，盾构渣土处理能力设计为50m3/h，按12h 工作制，最大处理量约为600m³/d。

4 处理要求及目标

4.1 盾构渣土

盾构渣土处理后，泥饼含水率＜40%，渣土中表面活性剂去除率达90%以上，泥饼中相关物质含量满足资源化利用要求。

4.2 分离水相

盾构渣土处理过程中的分离水相处理后，达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准中的相关指标，且处理过程中的水可以回用，节约处理成本。

4.3 筛分砂砾

盾构渣土分离出的砂含水率＜10%，并且参照《建设用砂》（GB/T 14684-2011）中规定采用亚甲蓝值测定方法和亚甲基蓝快速试验方法测定砂石的含泥率≤5%。

5 处理工艺设计

5.1 处理工艺流程

盾构渣土多相分级处理技术由渣土制浆、两级砂砾筛分、加药处理、深度脱水、水处理及回用依次串联组成，如图1 所示。利用盾构渣土中不同的颗粒级配、泥浆的流动性，通过加入药剂对盾构渣土中泡沫剂进行无害化处理，通过颗粒分级筛分和挤压脱水降低盾构渣土的含水率、筛分出盾构渣土中可利用成分，实现盾构渣土的无害化和资源化。

图1 含表面活性剂盾构渣土处理工艺流程图

5.1.1 渣土制浆

渣土经过加水稀释搅拌后（稀释后泥浆的比重控制在1.3g/cm³左右），将粘性大、且含砂石骨料的盾构渣土加水制成泥浆。

5.1.2 砂砾筛分

5.1.2.1 一级筛分成流朔状态的渣土，通过振动筛分离出4.75mm 以上的粗大砾石等。

5.1.2.2 二级筛分

经过一级筛分后的筛下物，≤4.75mm的砂石泥浆，经泵送入二级筛分设备，通过滚筒筛和旋流分离等设备，筛分出砂石粒径（0.075～2mm）的中细砂骨料。中细砂骨料经过洗砂、脱水流程后，经过皮带运输机进入到堆砂区。

5.1.3 加药无害化处理

筛分分离后的粒径小于0.075mm 的泥浆，由泵送入加药搅拌罐中，加入表面活性剂无害化药剂。根据小试试验确定化学药剂的药剂配方、添加量和搅拌反应时间，对盾构渣土进行无害化处理。

5.1.4 深度脱水

将通过无害化处理后的泥浆中加入絮凝剂进行浓缩分离后，由泵送入板框压滤机进行深度脱水处理，排出的泥饼含水率＜40%，泥饼直接落入板框压滤机下方泥饼区。

5.1.5 水处理及回用

分离后的水相进入水处理池，通过加入絮凝剂、表面活性剂处理药剂等，进一步深度去除转移入水相中的表面活性剂等有害化合物，并将水相中的悬浮物固体与水相分离；处理后的澄清水相回用于盾构渣土制浆单元或施工现场清洗用水；分离后的固相底泥，通过脱水干化装置处理后，填埋或者随盾构泥饼用于制备深加工产品。

5.1.6 干化泥饼最终处置

经深度脱水后的压滤泥饼，可用于制作砖、烧结制品、种植土等产品，进行资源化利用[5][6]。

5.2 主要处理技术参数

综合对深圳市地铁14 号线某盾构区间渣土的背景值分析、盾构渣土产生量和处理规模的设定、盾构渣土处理要求及目标的设定，结合设计的工艺技术路线，项目主要处理工艺技术参数见表2。

表2 主要工艺技术参数表

5.3 主要处理设施设备

该项目含1 条盾构渣土无害化、资源化处理线。处理线由1 个制浆池、1 个螺旋上料机、1 个振动筛、1 个滚筒筛、1 个多功能洗砂一体机、1 个加药处理罐、2 个絮凝浓缩罐、2套板框压滤机、1 套水处理设施及4 条传输带组成。处理系统总设备功率约为510kWh，处理系统设备总占地面积约为360 m2，项目设备平面布置如图2 所示。

图2 项目设备平面布置图

6 处理效果分析

系统连续稳定运行后，定期对进料盾构渣土中泡沫剂、含水率、产泥量等指标进行抽检，进料盾构渣土性质较为稳定，详见表3。

表3 盾构渣土处理前进料检测值

6.1 盾构渣土无害化效果

通过盾构渣土多相分级处理系统连续4个月正常运行条件下，根据盾构渣土处理效果的抽检结果可知，盾构渣土经过处理后的干化泥饼含水率均低于40%，满足渣土外运的含水率要求，详见图3；干化泥饼中泡沫剂残留量均低于5mg/kg，泡沫剂的去除率达到90%以上，详见图4。此外，经分离后进入水处理系统的水相，处理后泡沫剂含量均小于5mg/L，满足GB 8978-1996 一级标准要求，可回用于渣土制浆、现场清洗用水或外排等。

图3 盾构渣土中水分去除情况

图4 盾构渣土中泡沫剂去除情况

6.2 盾构渣土资源化效果

盾构渣土经处理后，筛分出的砂石含水率＜10%，含泥量≤5%，达到GB/T 14684-2011 中规定的Ⅲ类标准要求，可用作砂石骨料；渣土经处理后形成的干化泥饼的含水率小于40%、泡沫剂去除率达到90%以上，可用于制砖、烧结制备、种植土等。项目盾构渣土分离后砂石骨料及干化泥饼如图5 所示。

图5 盾构渣土处理后资源化产品图

7 能源消耗分析

7.1 能耗种类及数量分析

项目盾构渣土无害化、资源化处理线运行时的能源消耗主要是电和水，其中水主要用于补充砂石骨料分离所带走的水份。项目水、电消耗情况如表4 所示。

表4 水、电消耗表

7.2 能耗指标及分析

7.2.1 项目能耗及计算根据项目的水、电消耗情况，对项目的能耗指标进行计算分析，结果如表5 所示。

7.2.2 本项目能耗指标

根据表5 和产品方案，经分析计算得出项目的年综合能耗为27.51tce、年电力消耗量为214.2 MWh（折合26.33tce）、年自来水消耗量为4.6kt（折合1.18tce)。

7.2.3 项目能耗分析

虽然项目所处理的含表面活性剂盾构渣土，目前还没有其行业规定的能耗指标，但在项目的设计中却贯彻了节约与合理利用能源的指导思想，采取了一系列行之有效的节能措施，因此项目能实现环保节能的目的，并符合节能设计规范。

结语

结合深圳市地铁14 号线某区间盾构施工产生渣土的实际情况，通过对盾构渣土的背景值分析，设计制定了盾构渣土的处理规模及处理技术路径。经处理后，盾构渣土中泥饼含水率能够降低至40%以下，盾构渣土中表面活性剂（俗称“泡沫剂”）的去除率能达到90%以上，处理后出水满足GB 8978-1996 一级标准要求，分离出的砂石骨料满足GB/T 14684-2011 的相关等级标准要求，实现了对盾构渣土的无害化、资源化。

表5 主要能源和含能工质的品种及年消耗量