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大直径泥水盾构废弃浆渣处置及管理策略研究.pdf
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1、大直径泥水盾构废弃浆渣处置及管理策略研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版收稿日期:2023-10-15修回日期:2023-11-30基金项目:中国铁建科研开发计划(2018-B05);泰山产业领军人才工程专项(tscx202306015);中铁十四局集团有限公司科技研发计划项目(9137000016305598912021A01).作者简介:吴言坤(1974-),男,正高级工程师,主要从事水下盾构隧道工程领域施工、科研与企业管理工作
2、,E-mail:.通讯作者:陈 健(1973-),男,博士,正高级工程师,主要从事水下盾构隧道方面的施工、科研及管理工作,E-mail:.大直径泥水盾构废弃浆渣处置及管理策略研究吴言坤1,2陈 健2,3,4李小冬1苏秀婷2,4(1.清华大学土木水利学院,北京 100084;2.中铁十四局集团有限公司,济南 250101;3.中国铁建水下隧道工程实验室,济南 250101;4.中国海洋大学,青岛 266100)摘要:为了处理泥水盾构施工过程中产生的废弃浆渣,对大直径泥水盾构浆渣特性及处置方法进行总结分析,依托济南济泺路黄河隧道工程,对比分析不同废弃浆渣处理方法的功效。结果表明,絮凝沉淀与带式压滤
3、处理效率最高,板框压滤处理后可直接外运,但对环境有一定影响;针对粉质黏土地层,可考虑优先采用离心及压滤脱水相结合的处理技术。最后,从管理角度提出盾构浆渣处理及再利用的相关建议。关键词:大直径盾构;盾构浆渣;减量化;管理策略中图分类号:U455.1;U455.43文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)01-0229-07DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.023引文格式:吴言坤,陈 健,李小冬,等.大直径泥水盾构废弃浆渣处置及管理策略研究J.现代隧道技术,2024,61(1):229-235.WU Yankun,CHEN Jian,LI Xiaodong,et
4、 al.Study on the Strategy for Disposal and Management of Waste Slag from Large-diameter Slurry ShieldJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):229-235.1引 言随着我国城市轨道交通及越江过海隧道工程的大规模修建,盾构法施工技术因其具有显著优势已成为我国地下工程建设领域不可或缺的关键技术之一1,2。与此同时,盾构施工期间产生的渣土和泥浆也成为城市建筑垃圾的重要来源之一,以深圳地铁为例,2020 年深圳地铁施工产生的盾构浆渣约1.16107m3 3。
5、近年来,我国盾构隧道向着大直径、超大直径、特大直径方向发展,对设备选型、参数配置、操控技术及配套工艺要求也越来越高,产生的盾构渣土和泥浆增多,浆渣成分也更为复杂。另外,盾构施工期间使用的主轴承密封润滑脂、盾尾密封润滑脂、絮凝剂等辅助材料含有部分有毒有害物质,这些物质会随盾构浆渣进入渣土收纳场地,但现有浆渣收纳场地并未对其进行处理,这些辅助材料会随着雨水冲刷进入环境中,进而污染周边环境。当前,大直径泥水盾构工程产生的废弃浆渣仍存在处治难、堆放难、利用难等技术问题。已建成的济南济泺路黄河隧道,开挖直径为15.76 m,产生的废弃浆渣约为2.5106m3;目前正在施工的济南皇岗路黄河隧道开挖直径17
6、.38 m,穿越3 290 m粉质黏土地层,预计产生废弃浆渣3.9106m3。对于大直径泥水平衡盾构而言,如何将巨量废弃浆渣快速高效无害化处理,成为盾构工程面临的重难点之一4。随着我国“一带一路”战略实施及基础建设规划需求不断提升,大直径泥水盾构废弃浆渣利用与处置难题将进一步突显。因此,亟需探索一套经济、社会、环境效益最优的废弃浆渣处置方案及配套的管理策略。本文以济南济泺路黄河隧道粉质黏土地层大直径泥水盾构废弃浆渣为研究对象,通过收集调研泥水盾构废弃浆渣的处置方法,系统梳理泥水盾构废弃浆渣处理的3个阶段,总结分析济南济泺路黄河隧道采用的不同废弃浆渣处置方式,同时提出盾构浆渣处理管理建议。2泥水
7、盾构浆渣特性及处置方法2.1泥水盾构浆渣产生机理及分类2.1.1盾构废弃浆渣产生机理盾构废弃浆渣主要指盾构掘进过程中产生的渣229大直径泥水盾构废弃浆渣处置及管理策略研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024土及泥浆。根据2005年住建部颁发的 城市建筑垃圾管理规定,建筑垃圾定义为“建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其他废弃物”。参照这一个规定,盾构施工产生的渣
8、土和泥浆属于建筑垃圾。对于泥水盾构而言,盾构掘进过程中刀盘切削下的浆渣由进浆管路进入开挖舱,泥浆充分混合后传输至地面处理设备进行泥水分离,尽管现有分离设备可以分离出不同大小的颗粒,但对于颗粒粒径小于20 m的黏土颗粒,筛分或旋流设备无法将其一次性分离,这些黏土颗粒会导致泥浆黏度不断增加。为了调整泥浆的性质以满足施工要求,必须废弃部分比重超过1.3、黏度超过30 s的高浓度泥浆,这些高浓度泥浆与絮凝剂等混合后,采用压滤或高速离心设备进行二次处理,这样就产出了大量废弃浆渣。2.1.2盾构浆渣分类由于原始地层土体性质、施工工艺及施工扰动程度的不同,盾构浆渣在颗粒级配、矿物成分等方面表现出多样性。根据
9、日本 建设发生土利用技术手册,盾构浆渣和泥浆可以根据不同地层颗粒组成及击实后落锥试验贯入指数分为6类5,6,具体分类及依据见表1。表1 盾构浆渣分类5,6Table 1 Classification of shield spoil5,6序号123456盾构浆渣类型砂、砾砂砾土硬黏土黏土渣泥泥浆分类依据粗颗粒的卵石、砾石、砂主要包括砂或砂土,贯入指数qc800 kPa主要由砂土、粉土和部分黏土组成,贯入指数800 kPa qc400 kPa含水率40%80%的黏土,贯入指数400 kPa qc200 kPa以黏土及粉土颗粒为主,含水率80%;贯入指数qc3倍液限,难以沉淀分离由表1可知,大部分浆
10、渣的物理性质与原始地层密切相关。而泥水盾构形成的浆渣含水率往往较高,为方便浆渣外运处理,通常采用絮凝剂与离心机组合的方式降低浆渣的含水率。但现有工艺处理后的浆渣含水率仍为30%50%,尤其对于粉质黏土等软土地层,盾构浆渣具有含水率较高、渗透系数较低等特点。因此,传统建筑垃圾的消纳及资源化再利用方式难以直接用于盾构浆渣处置。2.2泥水盾构浆渣处置方法软土地层条件下泥水盾构开挖产生的废弃浆渣往往含有黏土矿物、高聚物改良材料,属于含水率较高、渗透性较差的流塑状土。对于泥水盾构废弃浆渣的处理方式大致经历了3个阶段:(1)直接排放阶段2000年以前,在大直径泥水盾构施工工法应用初期阶段,渣土分离技术相对
11、不成熟,盾构浆渣的处理方式以直接集中排放、自然晾晒为主,该阶段技术相对落后,且占地面积大,在运输过程中常因泥浆的撒漏而污染市容,对环境造成了一定污染。(2)固液分离阶段2000年至2015年期间,随着国外技术的引进,依托南京长江隧道、武汉长江隧道等工程的建设,盾构浆渣分离技术得到快速发展,中铁十四局集团有限公司联合以黑旋风为代表的专业机构开展了针对泥浆与渣土的快速分离研究。此阶段形成了以大块分离、筛分、旋流等工艺为主的固液分离技术,并不断发展成熟,得到了广泛应用。(3)浆渣处置阶段2016年以后,随着大直径盾构隧道迅猛发展,为实现大直径泥水盾构巨量废弃泥浆的高效分离、废弃泥浆和渣土的再处理,国
12、内相关企业及机构进入了离心脱水、压滤脱水等废浆处理及再利用阶段。离心脱水。离心脱水处理主要是通过离心机、外加剂及配套设备完成(图1)。离心脱水过程中,泥浆置于“离心力”作用场中,在离心力作用下使悬浮液体中固相物料的沉降速度增加。在沉降过程中,在转鼓内壁上会附着密度较大的固体颗粒物,在液压差速器的驱动下螺旋体与转鼓作不等速的相对运动,附着在转鼓内壁上的固体颗粒物不断被分离出来并通过排渣口排出,分离后的清液经过螺旋体螺旋内液层通道从转鼓溢流口排出,最终实现固液分离7。图1 离心脱水原理及设备Fig.1 Principle of centrifugal dewatering and the equi
13、pment230大直径泥水盾构废弃浆渣处置及管理策略研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版 压滤脱水。压滤脱水处理主要利用过滤-压榨的原理,先将泥浆中的大量水分过滤进行分离,然后对过滤后的泥浆施加压力使其发生固结排水,根据处理方式不同,分为板式压滤和带式压滤两种。板式压滤是在外力作用下,将各滤板牢牢地压紧在一起,形成紧密的空腔(图2)。输液泵将固液混合物注入各个腔室,液体穿过滤布、滤板暗孔流出,而固体则在过滤布的阻隔下逐渐积累在滤板间
14、隙中,最终被压成了厚重的滤渣。带式压滤是利用双层网带夹持泥浆,挤压脱水辊施加力量,带式压滤机开始进行固液分离,随着剪切作用的加入,水分逐渐从固体中被挤出8,如图3所示。图2 板框压滤脱水设备Fig.2 Plate-frame pressure filtration dewatering equipment3泥水盾构浆渣无害化处置典型案例3.1工程概况济南济泺路黄河隧道采用双管双层盾构法建造,总长度达4 760 m,其中盾构隧道长度3 890 m,图3 带式压滤脱水设备Fig.3 Belt pressure filtration dewatering equipment接线两侧道路长达870 m
15、,同时还有相关附属工程。采用2台直径为15.76 m的泥水平衡盾构机同时朝着同一方向掘进4。隧道穿越以粉质黏土为主的地层(图4),盾构掘进过程中粒径小于20 m的黏土颗粒无法及时被分离设备分离出来,导致泥浆黏度及密度不断增加。且盾构掘进过程中遇到部分钙质结核地层,刀具切削困难,掘进时间增加的同时刀盘旋转次数增加,进而将渣土研磨成更多无法分离的细颗粒,导致泥浆密度及黏度不断增大,现有筛分、旋流等泥水分离技术无法分离这些黏土颗粒,产生了大量废弃浆渣。现场占用约800亩土地进行泥浆处理,大量废弃浆渣的堆放对周边环境造成的严重污染,同时严重影响施工效率。3.2盾构浆渣基本特性通过室内试验,对济南济泺路
16、黄河隧道粉质黏土地层条件下的泥浆及泥饼的基本性质进行测试,其中泥浆的颗粒级配曲线如图5所示,泥浆及泥饼的基本性质见表2、表3。图4 济南济泺路黄河隧道工程地质剖面示意Fig.4 Engineering geological section of Yellow River Jiluo Road Tunnel in Jinan图5 泥浆颗粒级配曲线Fig.5 Slurry grain gradation curve表2 泥浆基本性质Table 2 Basic properties of slurry比重1.17漏斗黏度/s24土工含水率/%350环境含水/%77.7pH7.1工程上一般将粒径小于5
17、 m的颗粒称为黏粒,从图5可知,该泥浆中黏粒含量为37%。泥浆土工含水率高达350%,通过板框压滤后泥饼土工含水率为45.2%。231大直径泥水盾构废弃浆渣处置及管理策略研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024表3 泥饼含水率Table 3 Moisture content of sludge cake土样种类筛分出泥块板框压滤的泥饼土工含水率/%20.345.2环境含水率/%16.931.2注:土工含水率为水的质量/干土的质量,环境含
18、水率为水的质量/土体总质量。从施工现场废弃泥浆池中取得浆渣样本,经过烘干处理后,采用日立公司生产的型号为S-3 400 N的SEM对盾构浆渣试样进行微观形貌特征扫描,扫描倍数分别取500倍、2500倍、5000倍,扫描结果如图6所示。考虑试样不导电表面电荷易聚集,因此,在试验前需要对试样进行喷金处理。由图6可知,废弃浆渣主要由黏土颗粒和黏土图6 原状泥浆的扫描电镜图Fig.6 SEM image of original slurry絮凝体组成,在不同倍数的电镜中,土颗粒的骨架结构表面均较为光滑,这也导致宏观上盾构废弃泥浆泥质较为细腻,同时黏土颗粒含量较高,在长期浸水环境下,黏粒周围将吸附大量弱
19、结合水,使土体强度快速降低,因此盾构废弃泥浆脱水困难。从图6(a)中可以看出较为明显的“黑点”及细长的“黑线”,这些区域是盾构废弃泥浆土中相邻土颗粒或土颗粒与矿物之间的孔隙,这些孔隙分布没有规律,形状大小也各不相同。3.3盾构浆渣处理功效目前,对于大直径泥水盾构,废弃泥浆处理效率与盾构掘进施工速度不匹配的问题已经严重制约了盾构掘进施工。因此,降低废弃泥浆的产生量,提高废弃浆渣处理效率具有重要意义。该项目现场初期采用了14台板框压滤设备对泥浆进行脱水处理,由于掘进过程中处理能力不能与盾构掘进速度相匹配,于是同时引入了带式压滤机、国产离心机及进口离心机,以对不同设备的处理效率进行对比分析。板框压滤
20、、带式压滤、国产离心机和进口离心机设备脱水参数见表4。由表4可以看出,板框压滤机的运行功率最大为175 kW,其次是离心机(160 kW),最小的是带式压滤机(110 kW)。从占地面积角度,带式压滤机主机占地面积最大,其次是板框压滤机,离心机最小。泥浆经过板框离心机处理之后形成泥饼的环境含水率表4 处理废弃泥浆的不同脱水设备参数Table 4 Parameters of different dewatering equipment forwaste slurry处理方式板框压滤机国产离心机进口离心机带式压滤机功率/kW175160160110主机占地面积/m2782020100土工/环境含水
21、率/%56.47/36.09118.69/54.2784.5/45.899.88/49.97处理效率/(m3h-1)2225304040504060由低到高分别为板框压滤机、进口离心机、带式压滤机和国产离心机。从处理效率角度,板框压滤机处理效率最低,带式压滤机处理效率最高。由于每台机器所需的施工人数不同,带式压滤机操作难度最大,离心机操作最简单。泥饼含水率大小可表征经过压滤处理后产生的泥饼的体积大小,泥饼含水率越低,表明经过处理排出的水分越多,体积收缩越大,形成泥饼体积越小。泥浆经过处理后的含水率差异对泥饼外运处理有较大影响。为了进一步提高成本计算的准确度,需考虑不同泥浆处理方式对泥饼方量的影
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