盾构隧道废弃渣土回收利用关键技术研究

刘志峰

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

0 引言

随着我国经济的迅速发展，岩土工程施工规模日益增大。岩土工程尤其是盾构隧道施工通常会产生大量的废弃渣土。大量的废弃渣土不经处理直接丢弃不仅会造成严重的环境污染，还会影响渣土外运的效率，进而影响到施工进度和施工质量。因此，必须对废弃渣土进行筛分处理，将废弃渣土中的泥渣分离出来后再回收利用。

在地铁隧道施工过程中，需要建大量的渣土池来存储废弃渣土，再逐步处理。通常，地铁施工现场多位于市区，有的甚至在繁华的商业及交通地带，渣土池的存放不仅占用了宝贵的施工场地，而且影响了施工进度和现场环境。此外，外运未经处理的废弃渣土会造成施工场地及运输道路的污染等一系列环境问题。尽管市场上已存在大量的废弃渣土分离设备，但其使用功能有限，工作效率较低，无法满足盾构隧道工程施工需求。因此，寻找一种高效率、低成本而且环保的废弃渣土处理措施和工艺是非常迫切的。

结合深圳地铁10号线雪象站~甘坑站区间隧道施工项目，对盾构隧道废弃渣土回收关键技术进行研究。通过开发一种新型渣土筛分设备，提高渣土筛分的工作效率，降低处理成本。渣土采用筛分设备处理，减少了渣土对施工现场及外运时对城市道路的环境污染。渣土经过筛分处理后得到，碎石、细砂、泥饼和水，碎石、细砂、泥饼经过处理后可用于车站顶板覆土的回填，水可作为车站混凝土养护用水及场地内清洁用水。通过废弃渣土回收利用，达到了保护施工环境、提高施工生产效率、降低施工成本的目的。

1 工程概况及重难点分析

1.1 工程概况

深圳市轨道交通10号线1012-1B标包括两站一区间，雪象站（原雪象北站）、雪-甘区间以及甘坑站。雪-甘区间长达2.4 km，其中有1 km为盾构法隧道，1.4 km为矿山法隧道。沿线场地内建构筑物主要为坂澜大道、依云山庄、托坑水库、平南铁路、华南警犬基地、清平高速以及区间终点附近的秀峰工业园。区间附属包括中间风井1座，联络通道4处，分别为1号联络通道、2号联络通道兼中间风井、3号联络通道、4号联络通道。其中2号联络通道设置于中间风井中，距离雪象站约1160m，既作为盾构吊出井，又作为矿山法区间隧道渣土外运井。区间线路最小曲线半径为500m，最大纵坡为14.453‰，隧道覆土埋深约为5 m~87 m。盾构法隧道段采用两台土压平衡盾构机施工，盾构管片宽1.5m，厚0.3m，内径5.4m，外径6m，每环隧道衬砌由3块标准管片、2块邻接管片和1块封顶块管片组成，管片采用通用管片错缝拼装。雪甘区间沿线通过地区的原始地貌主要为丘陵地貌。地形起伏大，高程100～250m，沟谷发育，坡面段树木成林，杂草丛生，植被覆盖好，总地势东高西低。地层分别为：1）第四系全新统人工堆积层（Q4ml）：按填土填料成分不同分为①1、①5 2个亚层，①1素填土：红褐、褐黄色、灰黑色、灰色，坚硬～硬塑，主要成分为黏性土。①5杂填土：灰褐色、杂色，松散～稍密，稍湿，主要成分，主要成分为碎砖块、碎石块等建筑垃圾。2）第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl），按照颗粒级配或塑性指数可分为7个亚层。④1淤泥，④4黏土，④5粉质黏土，④7粉砂，④10粗砂，④11砾砂，④12圆砾土。3）第四系上更新统坡积层（Q3dl），按照颗粒级配或塑性指数可分为2个亚层。⑥1黏土，⑥2粉质黏土。4）残积层（Qel）。由花岗岩风化残积形成，按照其大于2mm颗粒含量（%）可分为⑦1砾质黏性土1个亚层。⑦1砾质黏性土。5）燕山期花岗岩（γ53）。本区间下伏基岩为燕山期花岗岩，褐黄、肉红、黄褐色，中粗粒结构，块状构造，主要成分为石英、长石及暗色矿物。钻探揭露按风化程度可分为⑧1全风化花岗岩、⑧2强风化花岗岩、⑧3中等风化花岗岩和⑧4微风化花岗岩4个亚层。6）根据其赋存介质的类型，沿线地下水主要有两种类型：1）第四系地层中的孔隙潜水，主要赋存于冲洪积中砂、砾砂层和残积砾（砂）质黏性土层中；2）基岩裂隙（构造裂隙）水，主要赋存于块状强风化、中等风化带及断裂构造裂隙中，略具承压性。

1.2 重难点分析

土岩复合地层中采用盾构法进行隧道开挖时，容易产生大量的废弃渣土，及时外运渣土是重点；未废弃渣土对施工场地及运输道路造成环境污染，有效处理废弃渣土避免环境污染是难点；传统渣土处理设备工作效率低、处理成本高，提高处理效率、降低成本是难点。

2 废弃渣土回收利用技术

2.1 工艺原理

盾构隧道废弃渣土回收利用施工工法的核心原理是废弃渣土中各组份的粒径不同，利用不同孔径的过滤网对废弃渣土进行筛分后可以分离得到粗颗粒、细颗粒及泥浆，泥浆经泥浆脱水设备分离出水和泥饼。

图1~图3分别是废弃渣土筛分设备的俯视图、正视图和左视图。该设备主要构件包括泥浆过滤装置，泥浆收集池，细颗粒收集池，粗颗粒收集池，纵向滚轮，横向滚轮，滑板，横向皮带轮，纵向皮带轮，粗颗粒过滤网。

图1 废弃渣土筛分设备俯视图

图3 废弃渣土筛分设备左视图

其中，泥浆过滤装置用于分离废弃泥浆中的泥渣和泥浆；泥浆收集池设置于泥浆过滤装置的下方，用于收集通过泥浆过滤装置滤网的泥浆和水；纵向滚轮设置于泥浆过滤装置的一侧，纵向滚轮将分离的泥渣转移至第一滑板上；第一滑板一端设置于纵向滚轮一侧，另一端设置横向皮带轮的上方，分离的泥渣通过第一滑板下滑至横向皮带轮上；横向皮带轮的一端设置于纵向滚轮一侧，另一端设置于粗颗粒过滤网的上方，分离的泥渣通过横向皮带轮传送至粗颗粒过滤网上，粗颗粒过滤网用于分离泥渣中的粗颗粒、细颗粒；横向滚轮设置于粗颗粒过滤网下方，横向滚轮将分离的细颗粒转移至第二滑板上，再通过第二滑板下滑至细颗粒收集池中；纵向皮带轮一端设置粗颗粒过滤网的底部，另一端在粗颗粒收集池上，粗颗粒依靠下滑力滑落至纵向皮带轮上，通过纵向皮带轮传送至粗颗粒收集池。

泥浆过滤装置是由4块等腰梯形钢板组成的漏斗形装置，梯形钢板的斜边依次焊接围成一圈。沿四块梯形钢板上方的底边布设直径200 mm的第一水管，第一水管远离梯形钢板的一侧均匀开孔，在倾倒废弃泥浆的同时不断喷水，有助于泥浆的过滤，同时有助于泥渣顺利下滑至纵向滚轮。在梯形钢板下方底边围成的底面安装一张倾斜的第一过滤网，倾角为45°，泥浆和水能透过第一过滤网下沉至泥浆收集池，而泥渣依靠下滑力滑至纵向滚轮中。

图2 废弃渣土筛分设备正视图

通过调节泥浆过滤装置内1号水管水流流速和龙门吊机钢丝缆绳下放速度v来调节废弃泥浆的初始体积含水量，使调节后的废弃渣土的体积含水量≤0.15，这样既能使废弃渣土顺利过滤，也能节约水资源。以及分离后的泥渣通过纵向滚轮转移至横向皮带轮上，随后横向皮带轮通过电机驱动将泥渣传送至粗颗粒过滤网，通过控制粗颗粒过滤网上方2号水管水流流速和横向皮带轮的速度v来调节单位体积泥渣配水量，这样既能使泥渣中的细颗粒和粗颗粒顺利分离，也能节约水资源。过滤后的细颗粒通过横向滚轮转移至细颗粒收集池中，过滤后的粗颗粒通过纵向皮带轮转移至粗颗粒收集池。经阳光晒干后的粗颗粒和细颗粒可以作为车站顶板、路基回填料等二次使用。

2.2 施工工艺流程及施工步骤

盾构隧道废弃渣土回收利用施工工法的工艺流程如图4所示。废弃渣土经泥浆过滤池过滤后分成泥渣和泥浆，泥渣经粗颗粒过滤网过滤后分成粗颗粒和细颗粒，泥浆经泥浆脱水设备分离出水和泥饼，泥饼经简单处理后可用于绿化场地的种植土，水可用于车站主体结构混凝土养护、施工场地清洗以及洒水降尘等。

图4 工艺流程图

废弃渣土分离主要有以下5个施工步骤。第一步，测定废弃渣土台车内废弃渣土的初始体积含水量。

式中：为废弃渣土的体积，即存放废弃渣土台车的容积；V为废弃渣土中水的体积。废弃渣土台车是带有两个吊环的开口矩形水箱，两个吊环可供龙门吊机吊装使用。

第二步，将废弃渣土倒入泥浆过滤装置，通过调节1号水管流量和龙门吊机钢丝缆绳下放速度v来调节废弃渣土的初始体积含水量，使调节后的废弃渣土体积含水量不小于0.15。1号水管流量如公式（2）所示。

式中：为1号水管中水流流速，可由阀门控制；为1号水管截面大小。

龙门吊机钢丝缆绳下放速度v如公式（3）所示。

式中：为将装置内的废弃渣土倒入泥浆过滤装置所需时间；为将装置内的废弃渣土全部倒入泥浆过滤装置后钢丝缆绳下放的长度。调节后的废弃渣土体积含水量如公式（4）所示。

当遇到以下2种情况时，需要调整和v，使调节后的废弃渣土体积含水量≥0.15。1）当＜0.15时，废弃渣土的体积含水量太小，控制1号水管的阀门来增大水流流速。2）当＜0.15时，废弃渣土的体积含水量太大，关闭1号水管的阀门。

第三步，利用纵向滚轮将过滤后的泥渣转移至横向皮带轮，并调节横向皮带轮的运送速度，确定单位时间内横向皮带轮运送泥渣的体积。单位时间内横向皮带轮运送泥渣的体积如公式（5）所示。

式中：为位于皮带上的粗细颗粒的横截面面积；v为横向皮带轮的运送速度。

第四步，利用粗颗粒过滤网对泥渣进行过滤，并通过调节2号水管流量和横向皮带轮的运送速度v来调节单位体积泥渣配水量，使调节后的单位泥渣配水量处于0.15~0.40。2号水管流量如公式（6）所示下。

式中：表示2号水管中水流流速，可由阀门控制；表示2号水管截面大小。

单位体积粗细颗粒配水量如公式（7）所示。

第五步，细颗粒和粗颗粒回收利用。细颗粒回收利用是指通过横向滚轮将过滤后的细颗粒从过渡池转移至细颗粒收集池，然后利用反铲挖掘机将细颗粒从细颗粒收集池中转移至地面，经阳光晒干后的细颗粒可以作为混凝土细骨料使用。粗颗粒回收利用是指通过纵向皮带轮将过滤后的粗颗粒运送至粗颗粒收集池中，经阳光晒干后的粗颗粒可以作为混凝土粗骨料使用。

泥浆经泥浆脱水设备分离出清水和泥饼，泥饼经简单处理后可用于绿化场地的种植土，水可用于车站主体结构混凝土养护、施工场地清洗以及洒水降尘等。

3 施工效果

在深圳轨道交通10号线1012-1B标盾构区间隧道工程中，用该设备及施工方法处理废弃渣土约56000 m，分离得到粗颗粒约11000 m，细颗粒约17000 m，泥饼8000 m，水13000 m。

4 结论

盾构隧道废弃渣土回收利用是通过废弃渣土筛分设备及其施工方法，提供一种适用于废弃渣土回收利用的筛分设备。设备的主要特征为，盾构施工产生的废弃渣土经过泥浆过滤装置的过滤后，变成泥浆和泥渣2个部分。泥浆沉淀在泥浆收集池，泥渣通过纵向滚轮转移至横向皮带轮上，随后横向皮带轮通过电机驱动将泥渣传送至粗颗粒过滤网，经粗颗粒过滤网过滤后的泥渣变成粗颗粒和细颗粒两部分。细颗粒通过横向滚轮转移至细颗粒收集池中，粗颗粒通过纵向皮带轮的传送转移至粗颗粒收集池。泥浆再经过传统的泥浆分离设备，分离出泥饼和水。

与现有技术相比，该设备及其施工方法简单可靠，使用成本低，工作效率高。对盾构施工产生的废弃渣土进行筛分处理后，可实现粗颗粒、细颗粒、泥饼和水的二次利用，同时减少环境污染，加快施工进度，提升施工质量，对岩土工程施工有重要的意义。