盾構隧道泥渣脫水處理技術研究綜述

王樹英, 管少祥, 倪準林, 楊澤斌

(1. 中南大學土木工程學院, 湖南 長沙 410075; 2. 中南大學隧地工程研究中心, 湖南 長沙 410075;3. 中南大學軌道交通工程結構防災減災湖南省重點實驗室, 湖南 長沙 410075)

0 引言

盾構法作為一種機械化程度高、相對安全、高效快速的隧道施工方法,已被廣泛應用于城市軌道交通、市政公路、綜合管廊、輸電輸氣管道、排水管網等工程項目建設中。但在盾構施工中,通常會排出大量的泥渣。僅在2020年,我國在建的地鐵盾構隧道產生的泥渣總量已超過2.25億m3,預計泥渣處理費用將高達582億元[1]。中國對于每年產生的巨量盾構泥渣在減量化、無害化處理與資源化再利用的技術標準及產業規模方面相對滯后,許多地方處理方式仍以堆放、填埋為主,由此易引發如下一系列環境和安全問題。

1)在泥渣運輸過程中容易出現揚塵、撒漏現象[2-3]; 2)堆填泥渣會占用大量土地,堆填場地日趨緊張,以致泥渣管理難以滿足城市環保管制規定,從而導致停工整改或處罰[4]; 3)盾構泥渣為滿足掘進需求通常具有一定流動性,且不同地層物源的泥渣外運堆積后內部不均勻性顯著,使得其堆填體穩定性較差,直接堆填存在安全隱患[5-6]; 4)盾構泥渣中含有部分改良劑,長期堆置時地表水入滲會將各種添加劑帶入土壤中,污染水土環境。對盾構渣土的高效無害化、減量化、資源化處理[7-8]成為當前及未來一段時間必須解決的難題。

減量化是盾構渣土處理及便于后續資源化利用的重要環節,對盾構泥渣主要是通過將其內部來自于掘進時摻入的較多改良劑溶液與地層本身的大量水分脫除以達到減量的目的,所以脫水技術決定了盾構渣土處置的效率與成本。本文從盾構泥渣特性及其賦水機制出發,歸納常用脫水性能評價指標,對目前現階段的盾構泥渣脫水處理技術進行總結分析,指出現有技術存在的問題,并對未來發展方向提出思考與展望。

1 盾構泥渣性質及其賦水機制

1.1 盾構泥渣組成、分類與狀態

盾構泥渣一般是一種含有砂、土、石以及改良劑等的高含水率混合物,其中改良劑可分為水、泡沫劑、分散劑、黏土礦物、絮凝劑等[9]。由于原始地層的差異以及不同施工方法與使用的改良劑差異,導致了不同工程的盾構泥渣成分與性質差異較大。有學者根據顆粒組成、擊實后錐度儀貫入指數、含水率、流動狀態,將盾構泥渣按性質分為砂礫類、砂礫土類、硬黏土類、黏土類、渣泥類以及泥漿類6種[10]。按照來源,盾構泥渣一般可分為泥水平衡盾構泥漿和土壓平衡盾構泥渣,二者的區別主要在于含水狀態不同。另外,土壓平衡盾構泥渣含有泡沫、絮凝劑、分散劑等改良劑。泥水平衡盾構通常會排出含水率較高、流動性較大的泥漿;而土壓平衡盾構泥渣的含水率一般在液限附近,其具有一定的流動性并呈流塑狀。盾構泥渣實物如圖1所示。

(a) 泥水平衡盾構泥漿[11]

(b) 土壓平衡盾構泥渣

土壓平衡盾構泥渣性質除了受原地層影響外,還受注入的改良劑的影響。在黏土地層開挖時會在直接注水或添加泡沫、分散劑等改良劑后形成軟泥狀的渣土;在以粉砂、砂及砂卵石等為主的粗顆粒地層開挖時,一般需要添加泡沫劑、絮凝劑等改良劑增強土的抗滲性與塑流性,其排出的高含水率渣土待泡沫消散后進行簡單的濾水便可達到原砂土狀態進行再利用;在一些巖層中開挖時,除泥巖地層產生的渣土呈泥狀,其他大部分風化巖層都會產生接近于砂質土狀態的渣土。 此外,在一些特殊情況下,比如盾構不滿艙施工時,會有比較多的地下水進入壓力艙,其與掘削土混合后會形成泥漿排出[12]。泥水平衡盾構通常會產生混有各類顆粒含水率較高的泥漿,其一般通過初步篩分得到包含有粉砂、砂以及砂卵石等的粗顆粒渣土及細顆粒泥漿這2類產物。篩分出的粗顆粒可以直接回收利用,而剩余的泥漿一般采用壓濾機、離心機等機械設備脫水形成較為干燥的泥渣排出,少數工程也會直接在儲泥場地中放置[13]。

1.2 盾構泥渣性質

盾構泥渣的物理力學性質主要包括顆粒級配、含水率、塑流性、滲透性、抗剪強度、壓縮性等[9]。

1)顆粒級配與含水率。顆粒級配與含水率作為盾構泥渣的基本物理性質,對泥渣的狀態具有重要影響。粒徑小于5 μm的黏土顆粒由于其表面電性所結合的水分很難在重力作用下排出,如果吸附結合水含量超過20%,渣土大多會呈現軟泥狀。含水率大于50%時,黏粒含量較多渣土會呈現泥漿狀。對于處于這些狀態的泥渣,一般需要調理改性并脫水處理后才能進行運輸、堆放與利用,否則易引發外運過程中的撒漏以及渣土棄納場中的倒潰、滑坡等安全問題。

2)塑流性。為確保渣土能夠順利排出,盾構泥渣需要具有合適的塑流性,目前評價泥渣塑流性的主要方法有坍落度法、流動度法和稠度法,對于黏性泥渣還會使用黏稠指數法。由于掘進的需要,排出的盾構泥渣通常具有一定的流動性,這對于后續外運以及填放都十分不利,特別是在一些泥渣亂倒的現象中,盾構泥渣亂流極易造成道路、航道以及水利設施等的堵塞。

3)滲透性。為防止螺旋輸送機噴涌、開挖面失穩等問題,盾構土艙內的泥渣需要具有較好的止水性。黏性地層的泥渣本身具有較低的滲透性,而粗顆粒地層由于泡沫等改良劑的注入,渣土內孔隙被有效填充,阻塞了排水通道,減小了渣土滲透性,改良后的盾構渣土的滲透系數一般至少控制在10-5m/s以下[9]。對于具有低滲透性的盾構泥渣,不僅會降低脫水效果,在堆放時還會導致地表的排水與泄洪能力下降,容易引發雨季的洪澇災害。

4)抗剪強度。為減小隧道掘進時土壓平衡盾構的轉矩,改良后的渣土需要有較小的抗剪強度,其不排水抗剪強度一般為10～25 kPa。這使得盾構泥渣顆粒結構松散,顆粒分散的渣土孔隙通道會更小從而使脫水性能下降。需要一定的固化改性才能使之具有一定強度,進而用于基礎加固或用作建筑材料。

5)壓縮性。盾構渣土具有一定的壓縮性,以便在螺旋輸送機轉速和掘進速度變化時一定程度上抑制土艙壓力的波動[14]。壓縮性越好,越有利于盾構施工中掌子面的壓力控制,土艙壓力波動性就越小。但壓縮性太好時,容易在渣土長期堆填中造成體積變化與塌縮,存在安全隱患,并且高壓縮性土不利于道路、堤防、地基等填方利用。常通過壓濾的方式脫水并壓實渣土,以降低其壓縮性。

1.3 盾構泥渣賦水機制

盾構隧道泥渣中的水分除了來源于原地層中土體本身含有的水分外,其余水分一定程度上來源于泥水盾構注進泥漿或是為了土壓盾構渣土改良所注入的改良劑中的水分。根據土顆粒表面受靜電作用的強弱,泥渣中的水分可劃分為自由水、結合水與結晶水[15],由于結晶水所占比例較小且對后續泥渣的再利用影響較小,脫水處理主要針對的是自由水與結合水。對于黏土類泥渣,其黏粒含量較高,可吸附許多結合水,且土中含有較多細小孔隙,通過毛細作用可存有大量水分,脫水性能較差;對于砂、礫類泥渣,其粗顆粒含量較多,本身吸附的結合水較少,同時顆粒間孔隙較大,滲透性高,透水性強,水分容易從孔隙中流失,可賦存水分較少,脫水性能較好;包含有這2種的混合類泥渣,其賦水性能介于二者之間,在脫水時要通過多道工序進行處理。

盾構泥渣除了土顆粒本身的賦水特性外,改良劑也會對泥渣的持水特性帶來一定的影響。泡沫劑通過發泡產生的泡沫與渣土混合后會填充土粒間孔隙,可以顯著提高改良渣土的抗滲性[16]。在用泡沫和膨潤土共同改良后,泡沫在土體中占用了滲流通道,膨潤土可在土顆粒間膠結和固結形成“濾餅”形態的低滲透性薄膜,二者同時作用能夠堵塞滲流通道使滲透系數降低[17]。在盾構掘進中,提高泥渣的抗滲性能保證開挖面的穩定,但對于工后脫水處理來說,殘余的泡沫會填充孔隙使泥渣的滲透系數減小,泥渣內賦存水分增多,造成脫水效率降低。同樣像黏土礦物等改良劑會使泥渣黏粒含量增多,降低泥渣滲透系數,脫水性能下降。絮凝劑類的改良劑會使土顆粒之間的連結聚團,增大顆粒間的孔隙通道,提升脫水性能,因此絮凝劑常作為泥渣脫水調理劑。

2 盾構泥渣脫水性能評價指標

從目前國內外研究來看,對于盾構泥渣的脫水性能還沒有較為統一而系統的評價指標體系。結合目前污泥、礦泥等脫水性能的評價指標以及盾構泥渣的性質來看,歸納了用于衡量盾構泥渣脫水性能的常用指標,包括有過濾比阻(specific resistance to filtration,SRF)、毛細吸水時間(capillary suction time,CST)、渣土沉降速率、滲透系數以及經過真空抽濾、板框壓濾和離心脫水等試驗后泥渣的含水率。

2.1 過濾比阻

過濾比阻(SRF)是指在某恒定壓力下單位質量的土在單位過濾面積上過濾時的阻力,表示泥渣過濾特性的綜合性指標,可以反映脫水性能的好壞[18]。一般來說,泥渣的比阻越大,其過濾性能越差,脫水性能就越差。比阻通常采用如圖2所示比阻測定儀進行測定。基于卡門過濾基本方程式,推導出的比阻值計算如式(1)所示。

(1)

式中:r為比阻值,s2/g;p為過濾壓強,g/cm2;A為過濾面積,cm2;b為t/V值與V值呈直線關系的斜率,s/cm6(其中,V為濾液體積,cm3;t為過濾時間,s);μ為濾液黏度,g/(cm·s);ω為所得固體物質質量與抽濾液體積之比,g/cm3。

圖2 比阻測定儀[19]

2.2 毛細吸水時間

毛細吸水時間(CST)是指泥渣中的水在吸水濾紙上滲透一定距離所需要的時間,用來表征渣土的脫水性能。為保證試驗結果的準確,實際常采用臺式毛細吸水時間測試儀進行測定。Dentel等[20]使用CST評價污泥脫水性能,一般CST越小,表示泥渣的脫水性能越好。毛細吸水時間一般適用于存在較多毛細孔隙的細顆粒泥渣,而對粗顆粒含量高的泥渣脫水性能評價效果較差。由于SRF與CST存在較強的正線性相關性,往往可根據具體實際情況取其一對泥渣的脫水性能進行評價。SRF與CST能很好地反映板框壓濾脫水效果,但不能較好地預測離心脫水效果[21]。

2.3 沉降速率

對于泥渣的沉降速率一般用泥渣在量筒中靜置時固液分界面高度隨時間變化的快慢來表示,泥渣的沉降性能可以反映其脫水性能,沉降速率越快,泥渣的脫水性能越好,該指標一般適用于含水率較高的泥漿。李春林等[18]通過沉降速率變化來分析研究聚丙烯酰胺類有機絮凝劑對高黏粒含量廢棄盾構泥漿脫水性能的影響。吳幼權等[22]采用復合絮凝劑CAM-CPAM調理污泥并以脫水率及沉降速率為主要評價指標,得出其投加量為30 mg/L時,脫水率為90%以上,沉降速率達0.155 cm/s,污泥脫水性能得到顯著改善。

2.4 滲透系數

滲透性作為盾構泥渣的基本性質,也可用來反映泥渣的脫水性能,具體通過滲透系數這一參數來表征。一般來說,在采用離心、壓濾等機械法或電滲法脫水時,泥渣滲透系數越大,滲透性越強,泥渣脫水效果也越好。常采用滲透儀測定滲透系數。詹良通等[23]采用壓濾設備對盾構泥漿進行脫水,將每段時間內泥漿平均厚度作為滲流路徑長度,采用常水頭滲透公式計算每個時間段內的等效滲透系數,用以反映泥漿整體的脫水性能,等效滲透系數

(2)

式中:V1、V2分別為每段時間間隔初、末的濾失量,mL;H1、H2分別為每段時間間隔初、末的泥漿液面高度,cm;p0為設備所用氣壓壓力,MPa;γw為水的重度,kN/m3;A為泥餅斷面面積,cm2;t為時間間隔長度,min。

2.5 含水率

經壓濾、抽濾、離心等方法脫水后的泥渣含水率最能直觀地反映泥渣的脫水性能,泥渣脫水后的含水率越低,代表其脫水性能越好。孫曉輝等[24]為研究絮凝劑聚丙烯酰胺調理后盾構泥漿的脫水性能,通過板框壓濾后的泥餅含水率來判斷脫水效果,結果表明絮凝劑調理后泥餅含水率比未調理時泥餅含水率由47.38%降至26.03%。

針對不同狀態與性質的盾構泥渣,需要選擇合適的脫水性能評價指標。盾構泥渣脫水性能評價指標適用性如表1所示。

表1 盾構泥渣脫水性能評價指標適用性

3 盾構泥渣脫水處理技術

當前,盾構泥渣脫水處理主要方法為借助振動篩、除砂器、除泥器進行固液分離和顆粒多級篩分,利用壓濾機、離心機再對細顆粒泥漿進行脫水。此外,有些地方也會采用露天堆放晾曬或加熱的方式進行脫水。其他還有針對粗顆粒土的真空預壓法、針對低滲透性黏粒土的電滲法等一些具有針對性的脫水方法。依照各類脫水方法的原理可分為機械脫水、干化脫水以及滲流脫水。

3.1 機械脫水

機械脫水的原理是利用各類機械對泥渣這類固液混合物施加外力,從而迫使其中的自由水分離。其在礦業、化工、污泥等固體廢棄物處理領域廣泛使用,該方法的高效低能耗性使其目前成為盾構泥渣的常用脫水方式。泥渣機械脫水處理流程主要是采用振動篩分離較粗的碎石,包含一級和二級的2級旋流洗砂系統分離砂和粉粒,其中,泥漿可直接篩分,而含水率相對較小的渣土需要加入大量水再進行篩分,篩分后剩余泥漿若脫水性能較差還需加入絮凝劑等進行改性調理,最后,采用壓濾機、離心機等進行泥水分離。

3.1.1 處理工藝

泥渣物料通過給料機分料至振動篩,經過振動篩分后分離粒徑大于2 mm的粗骨料,細砂、粉粒、黏粒和水通過篩下溜槽進入洗砂系統;經過一級和二級葉輪洗砂機及水力旋流器將粒徑在0.075～2 mm的細砂洗出,降低砂中含泥量,分離出較為干凈的細砂; 溢流與篩分下來的泥漿進入調理系統通過藥劑進行改性調理,調理后的高含水率泥漿泵入壓濾系統或離心系統,壓濾或離心后形成粒徑小于0.075 mm的低含水率泥渣與清水,清水可在系統中循環利用。泥渣機械脫水處理工藝流程如圖3所示。泥渣機械脫水處理工藝如圖4所示。

圖3 泥渣機械脫水處理工藝流程圖

圖4 泥渣機械脫水處理工藝[25](單位: mm)

3.1.2 處理設備

3.1.2.1 振動篩

振動篩是盾構泥渣脫水處理系統中的關鍵設備,由振動電機工作產生周期性的慣性力,迫使篩箱、篩網和彈簧等部件在底座上進行間歇振動,其主要用于將渣土中2 mm以上的粗骨料和2 mm以下的細骨料及細顆粒相互分離。

3.1.2.2 旋流器與洗砂機

旋流器可以將粒徑為0.075～2 mm的固體顆粒分離出來,其通過利用泥漿中固、液相各顆粒所受的離心力大小不同進行分離。旋流器上部呈圓柱形,形成進口腔,側部有1個切向進口管,由旋流渣漿泵輸送來的泥漿沿切線方向進入腔體內。頂部中心有渦流導管,處理后的泥漿由此溢出。殼體下部呈圓錐形,底部為排砂口,洗砂從中排出至洗砂機[2]。洗砂機由電動機驅動,帶動水箱中的葉輪在水中連續旋轉,攪拌翻轉,不斷地沖刷清洗帶泥的砂粒,同時上部用清水進行沖洗。二者共同構成的旋流洗砂系統(見圖5)能得到含泥量較低的細砂材料。

圖5 旋流洗砂系統[26]

3.1.2.3 壓濾機

壓濾機主要是對顆粒粒徑小于0.075 mm的泥渣進行深度脫水,常用的泥渣脫水壓濾機包括板框壓濾機和帶式壓濾機2種。

1)板框壓濾機是由多塊濾板、濾框交替排列疊合組成的固液分離裝置(見圖6(a)[27]、6(b)[28]),在濾板和濾框間夾有如濾布等過濾介質,每2塊濾板與二者間的濾框構成1個濾室。漿料在輸料泵的壓力下被打入濾布間的濾室中,在壓力作用下大部分自由水通過濾布流出,留下的泥渣顆粒形成含水率較低的泥餅。板框壓濾機操作壓力一般為0.4～0.6 MPa[29],進行深度脫水時板框壓濾機的過濾壓力為1 MPa左右[30]。在板框壓濾的過程中,泥渣的脫水一般分為2個階段: 在泥渣進料過程為過濾脫水階段,在壓榨過程為壓縮固結脫水階段[31]。板框壓濾機的固液分離效果好且適用范圍廣,但其屬于循環間歇運作,整體處理效率一般,且泥渣容易堵塞濾布,粗顆粒容易刺破濾布,使濾布更換頻繁,主要適用于泥渣量小或泥渣處理周期較為寬裕的工程[32]。

(a) 結構示意圖[27]

(b) 實物示意圖[28]

2)帶式壓濾機是一種利用上下2條濾帶對泥渣緩慢加壓脫水的壓濾裝置(見圖7(a)、7(b)[33]),在經過楔形預壓區、低壓區和高壓區由小到大的擠壓力、剪切力作用下泥渣被逐步擠壓,其大部分自由水會被濾脫,剩余泥渣會形成含水率較低的泥餅。帶式壓濾機因其泥渣處理量較大、工作連續、操作簡單且占地面積較小,所以脫水效率好于板框壓濾機。但是得到的脫水后泥渣的含水率一般會高于板框壓濾機,脫水效果受泥渣性質的影響較大[34],耗能更高且維護成本也較高,因此其一般用于方量較大的大型工程,泥渣連續脫水時效益較好。

(a) 結構示意圖

(b) 實物示意圖[33]

3.1.2.4 離心機

離心機是泥渣脫水處理的常用機械,工程中常用的離心機為臥螺離心機,其是基于固體顆粒與水在離心場中分層的離心沉降原理的一種泥渣脫水設備(見圖8[35])。泥渣中的固體顆粒由于密度較大,在離心力的作用下緊貼在轉鼓內壁形成1層固環層,之后在轉鼓與螺旋形成的差轉速下由推料器逐漸推至排渣出口排出。由于液體容重較小,其會在固體層的內側再形成1層液體層后逐漸流向轉鼓大端隨溢流孔排出。江君等[36]研究了臥螺離心機對城市污泥脫水效果,經處理后的污泥泥餅在對比得到的離心機最優運行工況下含水率可降至58%左右。任欣等[37]的研究表明,分離因數、離心機的差轉速等因素均能影響脫水的效果,其中分離因數是衡量離心機分離脫水性能的一個關鍵指標,隨著分離因數增大,脫水效果就越好。臥螺離心機具有處理能力強、效率高、占地少、可持續運行作業、污染較小等諸多優點,但其不能處理含有較大粒徑顆粒的泥渣,該類泥渣易造成機器磨損與堵塞。

(a) 結構示意圖

(b) 實物示意圖

壓濾機與離心機這類機械用于處理經篩分后流動性大且黏粒含量少的泥水盾構泥漿會有較好的脫水效果,而土壓平衡盾構泥渣中常混合有較多的細顆粒與砂礫、碎石等粗顆粒,且渣土流動性相對較低呈現一定的流塑性,里面的粗顆粒無法直接篩去,需要加入一定的水進行稀釋,再使用壓濾機或離心機對篩分后的泥漿進行脫水。而對于黏粒含量較多的盾構泥渣,為保證較好的脫水效果,往往需要進行一定的改性調理去改變渣土的孔隙結構與持水特性,再進行機械脫水。

3.1.3 改性調理劑

為增強盾構泥渣的脫水性能,使得一些僅靠機械作用難以降低含水率的泥渣也能高效脫水,需要通過添加外加劑改變泥渣的物理力學特性,促進固液分離以達到增強脫水性能的目的。常用的調理劑為絮凝劑與表面活性劑。

3.1.3.1 絮凝劑

絮凝劑是改善泥渣脫水性能的一種常用調理劑,一般分為有機絮凝劑與無機絮凝劑2類,盾構泥渣脫水處理中常用的有聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁、聚合硫酸鐵等。絮凝劑的分子鏈中含有一定量的極性基團,可以吸附懸浮在水中的固體顆粒,并在顆粒間架橋形成大塊凝結物。其有加速懸浮液中顆粒的沉淀,增大泥渣內孔隙通道,加快固液分離,促進過濾的效果,能有效將土體顆粒周圍的毛細水與部分弱吸附水轉變為游離水脫出,并且使用絮凝劑能有效提高泥渣的壓縮性,提高脫水速率[38]。絮凝劑調理前后泥渣狀態對比見圖9[39]。陳斌等[40]對鋁土礦礦泥絮凝沉降脫水技術進行了概述,得出陰離子型聚丙烯酰胺用于鋁土礦礦泥絮凝沉降有明顯優勢。王海良等[41]研究了有機-無機復摻絮凝劑對盾構廢泥漿脫水效果影響,得出針對盾構泥漿脫水的有機與無機絮凝劑的復配摻量。任俊等[42]以太湖疏浚底泥為對象,選擇5類復合絮凝脫水藥劑采用土工管袋進行脫水試驗,最后得出有機聚合物類和有機-無機復合類藥劑脫水效率較好,分別使淤泥含水率降至40.56%和32.16%。絮凝劑對含水量較高的泥漿或渣土具有較好的脫水效果,但其卻無法有效分離泥渣中的結合水。

3.1.3.2 表面活性劑

表面活性劑的分子結構兼具親油(疏水)基和親水(疏油)基2個部分,能吸附在兩相界面上,呈單分子排列,使溶液的表面張力降低,這是其能提升泥渣脫水性能的重要因素[43-45]。相對于一般絮凝劑來說,表面活性劑對界面性質的影響更大,表面活性劑加入到泥渣中,會增大固/液界面接觸角,減小泥渣毛細壓力,其還會破壞壓縮土顆粒表面的結合水化膜,使泥渣內的結合水更容易脫去并擴大顆粒周圍毛細管半徑,進一步提升脫水速率與減少濾餅含水率。Chen等[46]對比了兩性離子表面活性劑十二烷基二甲基胺乙內酯與傳統的無機調理劑FeCl3、CaO在相同試驗條件下對污泥脫水的改善效果,結果表明十二烷基二甲基胺乙內酯可以明顯提高污泥的脫水性和過濾性。吳姁等[19]研究了十六烷基三甲基溴化銨和十二烷基苯磺酸鈉對焦化污泥脫水性能的影響和作用機制,經過調理后的污泥的比阻明顯下降,脫水性能增加。采用表面活性劑對渣泥進行調理,能夠提高固液分離效率[47]。土壓平衡盾構掘進中一般都需注入以具有較大起泡性的表面活性劑為主要成分的泡沫劑發泡制成的泡沫進行渣土改良,這些有一定強度和韌性的殘余泡沫會填充阻塞孔隙使脫水效果降低。為避免在調理拌合過程中形成過多泡沫,一般選用起泡性較低的表面活性劑來調理改善泥渣脫水性能。

加入改性調理劑后,可使經過篩分和旋流洗砂系統后得到的細顆粒泥渣脫水性能大大增加,絮凝劑由于價格低廉且污染相對較小目前應用較為廣泛,表面活性劑主要用于結合水與毛細水含量較多的黏性泥渣,釋放顆粒周圍的部分結合水并擴大土粒間毛細管通道以提升泥渣脫水性能。

3.2 干化脫水

干化脫水的原理是將土體中的水分汽化,使其進入大氣,其效果主要是受大氣與土體交界面處的環境參數控制,包括溫度、濕度、液體表面積以及空氣流速等,同時也與泥渣的成分、顆粒級配等泥渣自身性質有關。根據熱源形式,目前常用的的泥渣干化脫水方法可分為自然干化與熱干化。

3.2.1 自然干化

自然干化的原理是利用太陽能與空氣流動來加速泥渣的水分蒸發。該方法簡單經濟,是目前盾構泥渣處理中最常見的方法,但一般需要占用較大的土地資源,干化程度容易受到泥渣的狀態、天氣條件與地形的影響,晾曬過程易產生揚塵,同時效率較低,脫水周期長,可能需要設置鼓風機等增加空氣對流速度來加快脫水的速度[10]。

3.2.2 熱干化

熱干化的方法是通過外部熱源加熱來干燥盾構泥渣的方法。實際常采用轉筒烘干機(見圖10[48])進行,其利用煤、天然氣或電能等產生的熱量通過旋轉加熱來對大宗泥渣進行烘干脫水處理。該方法的優點是處理效率較高,單臺烘干機泥渣處理量為5～7 t/h,處理后的泥渣含水率一般可降至10%以下,環境污染程度較小,可連續作業,且高溫可以去除泥渣中的一些有害有毒物質,但其也存在熱能利用效率過低、能源消耗大以致后期實際運營成本較高的缺陷[48]。

圖10 轉筒烘干機[48]

3.3 滲流脫水

滲流脫水的基本原理是當土體中存在壓力水頭時,水將從勢能較高處向勢能較低處移動,從而形成孔隙滲流使土體中的水不斷排出。目前常用的泥渣滲流脫水方法有土工管袋法、真空預壓法以及電滲法3種。

3.3.1 土工管袋法

土工管袋是一種利用拉伸強度較高的土工織物編織而成的長條枕袋形濾袋(見圖11[49]),大小可以根據實際工程情況進行調節。土工管袋具有加固、過濾、隔離、脫水等多種用途。其脫水原理是在袋內部巨大壓力作用下使水分排出并留下泥渣中的固體顆粒。同時管袋具有一定的過濾與抗紫外線能力,其脫水周期與管袋的大小成正比[50]。土工管袋脫水法具有施工速度快、泥渣處理量大、造價低、就地取材等優點,在不具備機械脫水條件時會用來對盾構泥渣進行脫水,但其存在占用場地較大、脫水時間一般較長的缺陷。為了縮短脫水時間,往往要對泥渣進行預調理,且該方法一般適用于含粗顆粒較多的泥渣;而對于細顆粒含量較高的泥渣,則需要更長的脫水時間,且脫水后的土較為軟弱,無法繼續作為填方材料回收使用[32]。

圖11 土工管袋[49]

3.3.2 真空預壓法

真空預壓法[51-52]的原理是將不透氣的薄膜鋪設在泥渣表面覆蓋的砂墊層上,使用抽真空裝置通過墊層中的真空濾管與泥渣中的塑料排水板將泥渣中的空氣抽出,土體內部會形成真空,產生的氣壓差將泥渣內的水沿孔隙通道排出。真空預壓示意圖見圖12[51]。真空預壓法具有處理泥渣面積大、施工工藝簡單、成本低、基本無環境污染等特點。其原本常用于各類地基的排水加固中,目前由于其以上優點在一些盾構泥渣的脫水處理中也得到了一定的使用。但當使用真空預壓法處理高黏粒含量的泥渣時,不僅泥渣本身滲透性較差難以排水,而且土體中的黏土細顆粒會隨孔隙水遷移至排水板或濾膜周圍形成致密的土柱,從而堵塞排水通道造成淤堵現象,嚴重降低脫水效率[53]。

圖12 真空預壓法[51]

3.3.3 電滲法

電滲法是指在電場的作用下,土體中插入電極并通入直流電后,土中水分子因自身極性被正離子吸附牽引而不斷從陽極流向陰極,逐漸將水疏干進而降低土的含水率的一種脫水方法。由于黏土顆粒表面通常帶負電,而帶有正電荷的水會向陰極集中并隨通道排出,所以電滲法不但能排出土體中的自由水,還可以排出部分受靜電場作用的弱結合水。該方法對低滲透性的細顆粒黏土有較好的脫水效果[54];同時由于電滲法的脫水速率與土顆粒大小、孔隙率無關,在高效脫水方面有著較好的應用前景[55]。目前,電滲法在盾構黏性泥渣脫水處理方面有一定應用但還是較少。這是由于電滲法存在金屬電極陽極腐蝕、土體脫水不均勻、能耗偏大等缺陷[56]。王俊杰等[57]研發了一種有良好性能、能多層布置的新型導電塑料排水板來代替金屬電極,在獲得更好的電滲效果的同時還解決了電滲過程中電極腐蝕與電滲后期電極與土體脫開的問題。開展解決電滲法各類缺陷的研究,是電滲法脫水能否廣泛應用的關鍵。

4 盾構泥渣脫水處理的問題與思考

4.1 盾構泥渣脫水處理存在的問題

4.1.1 大量泥渣產生與處理壓力增加

隨著我國城市化進程的推進,越來越多的盾構隧道工程在建設中產生大量泥渣。這導致泥渣脫水處理的數量逐年增加,處理壓力增大。尤其在一些大型城市,隧道工程規模龐大,泥渣產量更大,對脫水處理設備的性能和規模化處理能力提出了更高要求。

4.1.2 脫水設備的能耗高與運維難

目前常用的泥渣脫水處理設備,如壓濾機、離心機等,通常需要較高的能耗來完成脫水過程。能耗的增加不僅會造成設備運行成本的上升,還對環境造成一定的壓力。同時,這些設備在長時間高負荷運行下,容易出現故障,維護和修復也較為復雜,增加了運維成本和工程周期。

4.1.3 水資源浪費

傳統的機械脫水處理方式為了便于對泥渣中的不同粒徑顆粒進行分級篩分通常需要消耗大量的水進行稀釋、沖洗,雖然有部分被回收但也有較多的水資源被損耗浪費。同時,脫水本身排出的水中許多因摻有泥渣改良劑或改性調理劑而被當作廢水直接排出。在一些地區,水資源本來就相對匱乏,這種方式會帶來更大的問題。不僅導致水資源的浪費,還會產生大量的廢水,對水資源的保護和環境造成負面影響。如何在脫水過程中盡量減少水資源的浪費,提高水資源的利用效率,是一個亟待解決的問題。

4.1.4 處理后泥渣再利用困難

目前,我國對于盾構泥渣脫水過程中產生的粗顆粒砂、石雖然已可以較好地利用,但剩余的細顆粒黏土主要還是采用填埋或堆放等方式進行處理,沒有過多的利用手段與消納場所,從而造成資源的大量浪費。實際上,細顆粒黏土經處理后可以用作注漿材料、免燒磚、植培土等,但目前限于成本、使用范圍、再利用的研究和推廣還相對滯后等多方面原因,對其開展大規模利用還存在許多困難。

4.1.5 新技術的引領性工程探索太少

新的脫水技術、方法例如電滲-壓濾聯合脫水[58]、DME(二甲醚,dimethyl ether)深度脫水[59]、超聲波脫水[60]等需不斷在小試、中試、現場試驗等過程中進行驗證。目前,我國在盾構隧道渣土與泥漿脫水方面的創新性工程實例非常少,許多研究成果處于試驗階段,工程示范的實例更少。沒有案例的驗證,許多高效低碳的脫水方法便難以進行推廣應用。積極地進行研究和探索,從小規模試驗到大范圍的工程應用是脫水技術進步的必然過程。

4.1.6 缺乏統一的處理標準和規范

由于盾構泥渣的成分和性質各異,目前缺乏統一的脫水處理標準和規范。不同城市和地區在處理泥渣時可能采取不同的方法和技術,導致脫水效率和處理成本的差異。同時,缺乏統一標準也導致難以比較不同地區的脫水處理效果,不利于經驗和技術的交流共享。建立統一的盾構泥渣脫水處理標準和規范,有助于提高整個行業的水平和效率。

4.2 盾構泥渣脫水處理發展的思考

針對目前盾構泥渣脫水處理存在的問題,未來可從以下方面進行改進,并達到產業化、規模化的發展。

4.2.1 脫水設備的智能化

利用傳感器實時監測設備運行狀態、泥渣含水率、設備健康狀況等數據,通過人工智能算法進行分析與判斷,實現自動控制和調節設備運行參數,提高脫水效率和穩定性。同時通過數據分析,提前發現設備故障或異常,進行預警和遠程維護,避免停機時間和生產損失,降低維護成本。還可通過人工智能算法優化設備的運行模式和能耗分配,實現能耗的最小化,減少能源浪費,降低運行成本。

4.2.2 脫水設備的模塊化與規模集成化

將盾構泥渣脫水設備分解為多個獨立的功能模塊,每個模塊負責特定的任務,如給料、加藥、固液分離、泥餅收集、水處理等,可以根據實際需求自由組合各個功能模塊,提高設備的可擴展性和適應性,以適用于不同規模和類型的工程項目。各個功能模塊可以獨立維護和更新,降低維護成本和停機時間。同時,模塊化設計也方便對設備進行升級,引入新技術和功能。

將智能化和模塊化技術應用于整個系統來進行大規模化的泥渣脫水,通過集成規模化設計,實現設備各個模塊之間的緊密協同以及高度的自動化,可提高設備整體效率和穩定性。

4.2.3 環保高效的資源化利用

針對盾構泥渣脫水過程中水資源浪費與所得細顆粒泥餅利用率較低的問題,可采取如下措施: 1)在泥渣脫水過程中,可以采用循環水系統,將脫去的水進行收集和凈化處理后再次利用。2)優化脫水工藝,盡量減少需要洗滌的次數,減少水資源的消耗。可以考慮采用化學處理或機械振動等技術替代洗滌步驟,降低水耗。3)對排放的含有一定濃度藥劑的泥渣處理水進行回收和處理,可以通過一系列分離技術凈化水資源,并將其再次利用于脫水過程。4)深度開發細顆粒泥餅進行資源化利用的范圍與成本,例如絮凝-固化一體化技術等,盡量減少泥渣成為產品的中間環節,使其成為廉價易得的免燒磚[61]之類的建筑材料、種植土壤、路基材料等。5)政府可以出臺相關政策,鼓勵企業對細顆粒泥餅進行資源化利用,從而推動盾構泥渣脫水與利用技術的發展和應用。

4.2.4 統一標準與規范

建立統一的盾構泥渣脫水處理標準和規范,包括處理設備的選型、操作要求、處理效果評價指標等,促進行業內技術的標準化和規范化。統一標準,將有助于降低設備的采購和運維成本,提高整體處理效率。

5 結論與展望

5.1 結論

1)盾構泥渣本身的性質與改良劑很大程度上影響了脫水的難易程度,其中高黏粒含量泥渣由于吸附有較多結合水且孔隙通道細小使其脫水困難。采用高效的絮凝劑使顆粒聚團或表面活性劑釋放結合水,是行之有效的脫水方法。

2)目前對于盾構泥渣的脫水性能評價指標體系缺乏統一的觀點,結合其他領域與盾構泥渣特性總結歸納SRF、CST、沉降速率、滲透系數以及含水率5項用于評價泥渣脫水性能的指標。除了脫水性能評價指標外,脫水后改良劑、調理劑的殘留以及泥渣pH值等環境指標也需要同步關注。

3)從現階段各類盾構泥渣脫水處理技術來看,機械脫水技術目前在黏粒含量較少的盾構泥渣脫水處理方面已較為成熟,且處理過程中篩分出的粗顆粒與細砂能直接利用,但依然存在成本較高的問題。而對于黏粒含量較多的盾構泥渣需加入高效的調理劑改性以增強脫水性能,成本的進一步增加與藥劑污染的處理也是需要面對的問題。自然晾曬顯然已不能滿足效率與環保的要求。熱干化脫水雖然適用范圍廣且脫水較為徹底,但其存在能耗大、成本高的缺陷。滲流脫水技術中的土工管袋法以及真空預壓法對滲透性較大的泥渣具有較好的脫水效果,電滲法可適用于低滲透性黏土,但其耗電量大且電極易腐蝕的缺陷目前難以避免。

5.2 展望

目前盾構泥渣脫水處理技術存在的問題主要有設備性能不足、能耗高與運維難、水資源與泥渣利用率低、新技術難以推廣應用以及缺乏統一的處理標準和規范進行指導。面對這些問題,我國盾構泥渣脫水技術在標準、方法、設備、政策與市場運行等方面仍然有著廣闊的發展空間。

1)在脫水性能以及脫水產品利用需求的框架下,應充分結合相關案例的大數據資源,構建全地層條件、多種施工方式下待脫水的盾構泥渣定量分類與相關技術標準。

2)盾構泥渣的理想脫水性能目標會隨地層條件改變而發生動態變化,可以利用深度學習等人工智能方法,形成智能化的泥渣脫水時調理藥劑摻量、設備運轉參數的動態監控與調整技術。

3)進行脫水機械裝備與管理模式升級,構建智能化、模塊化與集成規模化三位一體的脫水產業化模式。

4)積極推進盾構泥渣脫水處理中環境友好型、節約能耗型、以廢治廢型新技術的開發,減少脫水過程中的資源浪費,探索利用綠色材料與方法解決泥渣脫水問題的途徑,并積極完善與落實相關鼓勵政策。