地鐵隧道盾構施工泡沫劑對環境的影響

郭建強 趙連軍 趙文文

（南京地鐵建設有限責任公司 江蘇南京 210000）

引言

城市軌道交通是城市交通系統的重要組成部分，在節約能源、解決城市交通擁堵、促進城市發展等方面起到非常重要的作用。隨著我國城市化的快速發展，城市的人口數量不斷增加，城市軌道交通的地位愈發重要。截至2020 年末，我國已有至少45 個城市擁有城市軌道交通系統。而由于當前城市土地資源緊張，城市軌道交通多利用地下空間規劃線路，因此，地鐵建設就成為城市軌道交通的發展重點。

地鐵施工的方法主要有盾構法、新奧法、明挖法、礦山法等。盾構法由于其占用地面資源少、受天氣影響小、挖方量少、施工效率高等特點，成為我國目前地鐵建設主要的施工方法。盾構施工中較常見的施工方法為土壓平衡法。該法適用于粘土土層、卵石層、風化巖地層和砂土地層等多種地層施工，但在復雜地層施工時，會遇到噴泥和涌砂等現象，導致土倉內出現結餅、閉塞等一系列問題，對施工造成不利影響。對土體進行改良是解決這一問題的有效辦法，土體改良劑一般包括礦物類物質、水溶性的樹脂和其他高分子材料、泡沫劑等等。與其他類型的改良劑相比，泡沫劑在土體中有較強的適用性，能夠讓盾構機在多種地層中順利掘進，減少盾構機刀具磨損，避免土倉內出現堵塞，提高掘進速度和推進效率，降低施工成本，因此在盾構施工中得到廣泛使用。

盾構施工所用的泡沫劑主要是由一種或多種表面活性劑與穩定劑、滲透劑等復配而成。目前國內對于盾構施工中添加至土體內的泡沫劑幾乎沒有回收或處理的方法，主要靠在自然環境中降解來消除，因此有必要針對泡沫劑對自然環境的影響進行研究和探討。本文以南京至句容城市軌道交通工程一標段為例，對該標段使用的盾構泡沫劑物化特性、毒性、可降解性等性質和對環境的影響進行研究分析。

1 泡沫劑主要組分

南京至句容城際軌道交通工程一標段所用泡沫劑為淡黃色透明狀液體，密度為1.020g/m3（25℃），水溶性強。泡沫劑主要組分包括脂肪醇聚氧乙烯硫酸鈉（AES）、椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）和聚丙烯酰胺（PAM），此外還包括水和極少量無機鹽。

2 泡沫劑各組分的性質

2.1 脂肪醇聚氧乙烯硫酸鈉（AES）

脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）是一種烷基硫酸鹽的改性產物，由脂肪醇聚氧乙烯醚與三氧化硫反應酸化后，再使用相應的堿中和制得。外觀為淺黃或白色凝膠狀膏體，結構式為RO（CH2CH2O）nSO3Na。AES 由于在分子結構中嵌入了聚氧乙烯鏈，因此同時具有陰離子和非離子表面活性劑的部分特性，其潤濕性、水溶性和起泡性要強于一般的烷基硫酸鹽，但刺激性要比烷基硫酸鹽低。AES 在日化用品中有廣泛的應用，如洗浴液、洗手液和香波中，也可以作為抗靜電劑、乳化劑、潤濕劑、分散劑、潤滑劑、滲透劑和軟化劑的成分，應用于金屬加工、紡織、造紙和農藥等工業領域之中。AES 的LD50（半致死量）在4000mg/kg～10000mg/kg 之間[1]，屬于毒性很低的物質。與大部分陰離子表面活性劑相比，AES 對皮膚的刺激性很低，但AES 如未經稀釋，會對眼睛造成較嚴重的刺激。在自然環境中，AES 的結構會發生變化，從大分子逐步降解成CO2、NH3和H2O 等小分子，從而導致AES 的物理性質和化學性質發生變化。在有氧條件下，AES 能以很快的速度完全降解。例如C12AE3S，穩定期內初級生物降解率為99.2%，顯示AES 可以通過生物降解的方式來除去；而最終生物降解率為95.5%，表明其具有很強的生物降解能力，且在自然環境中能夠實現最終生物降解[2]。

2.2 脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）

脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）是非離子表面活性劑當中應用最廣、發展最快的品種之一，其結構式為RO（CH2CH2O）nH，性狀一般為無色液體或蠟狀物。其中n 為環氧乙烷的加成數，n 越大，分子中的氧原子數量越多，與水就能形成更多的氫鍵，水溶性就越強。AEO 的碳鏈長度、環氧乙烷加成數及分布對其物理性質、化學性質和應用性能有很大影響。當碳原子數為7 至9，氧乙烯基數量n 為5 時，這種脂肪醇聚氧乙烯醚稱作滲透劑（JFC），在工業領域被廣泛使用。

AEO 被認為是毒性最低的一類表面活性劑[3]，對環境十分友好，還具有不錯的生物降解能力。研究表明，在好氧和厭氧條件下，AEO 都會發生降解，但厭氧條件下的降解率略高于好氧條件。而且氧乙烯基數量越小，AEO 越易降解。例如AEO2在厭氧條件下發生初級生物降解，6 小時后降解率能達到90%，氧乙烯基數量最多的AEO54降解率也能達到62.9l%[4]。因此AEO 屬于易生物降解的非離子性表面活性劑。

2.3 椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）

椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）性狀為透明的淡黃色液體，性能溫和，刺激性小，使用時能夠產生大量且穩定的泡沫，且具有調節黏度及殺菌作用，因此廣泛用作潤濕劑、洗滌劑、殺菌劑及增稠劑等。CAB 分子結構中，正電荷是由氮原子上的固定鍵合產生的，其季氮原子上連有一個帶負電荷的羧酸取代基團。由于季銨基的強電子誘導作用，羧基都以鹽式基團存在[5]，因此CAB 屬于一種兩性表面活性劑。

根據對鼠類的急性口服毒性LD50的測定，CAB結果為6.45mL/kg，與乙醇的LD50（6670mg/kg）接近[6]，毒性較低。此外CAB 刺激性較低，將CAB 與陰離子表面活性劑復配使用時，也可以觀察到陰離子表面活性劑的刺激性顯著降低。這種現象稱之為兩性表面活性劑對陰離子表面活性劑的解毒性。同時CAB也具有良好的生物降解性，密閉瓶試驗中BOD28/DOC值至少達到60%，而在改良法OECD 篩選試驗中，至少可以消除70%DOC（最終降解度）[7]。

2.4 聚丙烯酰胺（PAM）

聚丙烯酰胺（PAM）是一種線型高分子聚合物，性狀為白色無味的顆粒或粉末，無腐蝕性，可溶于水，不溶于乙醇，具有良好的熱穩定性、絮凝性、粘合性、降阻性和增稠性。聚丙烯酰胺本身為低毒或無毒，然而用于制備聚丙烯酰胺的單體丙烯酰胺（AM）有一定的毒性，會對神經系統造成一定的損傷，人體中毒后會表現出四肢乏力、運動失調、肌肉疼痛甚至萎縮等癥狀，因此很多國家均規定了聚丙烯酰胺工業產品中的丙烯酰胺含量限值，丙烯酰胺殘留量限值一般規定在0.05%～0.5%，用于工業和城市污水的凈化處理時，一般允許丙烯酰胺殘留量在0.2%以下，用于直接飲用水處理時，丙烯酰胺殘留量需在0.05%以下[8]。聚丙烯酰胺在化學、物理及生物因素的作用下，會分解成小分子或簡單分子，甚至進一步分解為CO2、H2O 及硝酸鹽。而在自然條件下，聚丙烯酰胺會發生緩慢降解，生成各種低聚物及丙烯酰胺單體。由于丙烯酰胺單體的毒性，可能對環境和人體造成間接或直接危害，因此研究聚丙烯酰胺在自然環境中的降解，對其應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較快進行生物降解，分解出的單體丙烯酰胺可在土壤中繼續降解，并為土壤微生物提供碳源。有研究表明30℃時將丙烯酰胺加入到花園土后，降解非常迅速。5 天后已無法檢測到丙烯酰胺單體存在，同時丙烯酰胺的分解產物還為土壤提供氮源和碳源[9]，有利于土壤內微生物的生長。

3 泡沫劑對環境的影響

泡沫劑在地鐵隧道盾構施工過程中會部分殘留在土壤里，可能改變原土壤的性質，提高原土壤的含水率。如果泡沫劑的組分可降解性差，或者泡沫劑的組分及其降解產物毒性較強，會對土壤造成污染。而盾構施工開挖出的渣土泥漿中若含有大量泡沫劑，也會導致盾構渣土泥漿脫水困難，渣土的流塑性變強，在堆土場堆放時易滑坡，引發安全和環境問題。此外在穿越水體處進行盾構施工時，若地層含有囊狀沼氣，沼氣可能會夾帶土壤中部分泡沫劑通過地層的孔隙溢出進入水體中，不但會引發公眾關注，如果泡沫劑中含有毒性強、高污染的物質，還會對地表水環境造成污染。因此，盾構施工所用的泡沫劑應當具有降解性好、組分及其降解產物低毒或者無毒等特征，方可在施工中避免造成對環境的負面影響。

通過對南京至句容城際軌道交通工程一標段使用的泡沫劑各組分性質分析可知，該標段所用泡沫劑主要成分毒性低，具有良好的可降解性，對環境友好，降解的最終產物主要為CO2和H2O。為更好的了解該泡沫劑組分降解過程，根據泡沫劑組分均為有機物這一特點，本文對南京至句容城際軌道交通工程一標段盾構開挖的渣土存放不同時間后的有機碳（TOC）濃度進行監測。結果如表1、圖1 所示。

表1 不同存放時間的盾構渣土有機碳（TOC）含量一覽表

圖1 不同存放時間的盾構渣土有機碳（TOC）含量曲線圖

由表1 的監測數據及圖1 可以看出，隨著盾構渣土存放時間變長，渣土中的TOC 的含量迅速降低，存放7 天后渣土中的TOC 含量就減少了82.2%（減少5.1g/kg），而存放15 天后渣土中的TOC 含量更是已經低于檢出限。由此可知，南京至句容城際軌道交通工程一標段所用的泡沫劑各組分在土壤中具有良好的可降解性，不會對環境造成污染。

結語

地鐵工程作為大型基礎建設項目，施工期間對沿線環境的各種影響不容小覷。本文結合南京至句容城際軌道交通工程一標段的工程實際情況，針對地鐵隧道盾構施工使用的泡沫劑對環境的影響進行了研究和分析，結果表明，該標段所用的泡沫劑環境友好、可降解性強，對環境不會造成污染。地鐵工程進行盾構施工時，應優先考慮選擇低污染、低毒或無毒且降解性強的泡沫劑，避免泡沫劑的組分在土壤中長期殘留。地鐵施工單位也應合理使用泡沫劑，盡量避免施工過程中過量使用泡沫劑，同時在穿越或靠近水體處進行盾構施工時，也應事前擬定施工方案并嚴格執行，防治泡沫劑影響地表水環境。