0 引 言
我国城镇化进程的加快，导致各类建筑垃圾大量产生。据估计，我国建筑垃圾年产生量已高达15亿t，年增长率达8%[1]。而由于缺乏精准管控手段，建筑垃圾的资源化利用率不足5%[2]。其中，大部分的建筑垃圾未经处理，直接运往郊外露天堆放或填埋，占用大量土地资源，影响空气质量、污染水域、破坏市容，对生态环境造成了严重破坏[3-5]。
建筑垃圾量化特征是实现资源化利用的重要步骤。通过相关文献查阅分析，目前国内研究学者通常采用物质流预测、多元回归分析、灰色模型、时间序列预测和ARIMA模型等进行建筑垃圾产量预测，并基于此提出相应的建筑垃圾管控措施。巩柏含等[6]从社会、经济、人口等因素出发建立多元回归分析模型，预测了我国2020年建筑垃圾总量，并从政府、企业、消费者的角度提出建议和措施；周豪奇等[7]采用灰色预测模型，基于已有的建筑垃圾产量资料对我国未来几年的建筑垃圾产量进行预测和分析，提出发展建筑垃圾资源化产业是有效解决建筑垃圾的绿色途径；张红玉等[8]通过建立ARIMA模型对北京市朝阳区的拆除垃圾、新建垃圾和装修垃圾的产量进行了预测，提出朝阳区政府应加大拆除垃圾和装修垃圾无害化和资源化的管理力度。这些传统的建筑垃圾定量预测模型侧重于区域性范围内的建筑垃圾总量预测，笼统地将建筑垃圾分为可回收利用建筑垃圾和不可回收利用建筑垃圾两大类，从宏观的角度上提出建筑垃圾处置和管控措施。然而缺乏针对具体施工工程的建筑垃圾全过程信息统计、发生源特征分析，导致无法实现建筑垃圾发生源精准分类与预测，是造成我国建筑垃圾资源化效率低的瓶颈。
本文针对我国现阶段面临的急需解决的建筑资源紧张和环境问题，以浙江宁波地下管廊施工为研究对象，阐明了施工过程中工程泥浆、工程渣土、废弃混凝土发生源特征，实现这3类建筑垃圾的定量预测，为建筑垃圾高效资源化提供数据支撑。
1 研究对象
浙江省宁波市综合管廊总长约5.3 km，西起世纪大道，东至东外环。明挖段长度约0.7 km，其余段管廊均采用盾构施工，管廊盾构长度约为4.6 km(图1)。本文以Ⅱ标段综合管廊施工为研究对象，施工包括双鹿电池始发井(5号)、聚贤路工艺井(6号)、老盛梅路接收井(7号)、剑兰路工艺井(8号)、东外环始发井(9号)和各井之间的盾构区间。
图1 浙江省宁波市综合管廊施工示意图
Figure 1 General situation of construction of integrated pipe gallery in Ningbo, Zhejiang
2 研究方法与数据来源
2.1 研究方法
本文以典型的地下工程城市地铁和综合管廊为研究对象，基于“工序量化”的思想，通过现场调研，分析不同施工阶段、不同施工工艺以及不同建筑结构建筑垃圾产生来源特征，基于建筑施工设计图建立各类建筑垃圾产生量预测模型。
2.2 数据来源
本文工程泥浆、工程渣土、废弃混凝土在施工中产生的真实数据由运输方提供。工程泥浆、工程渣土、废弃混凝土产生量预测基础数据主要来源于建筑施工设计图纸，相关参数来源于国家标准、地方标准以及现场工作人员经验。
2.3 模型精度验证
本文采用相对误差作为模型精准度的衡量指标。根据目前建筑垃圾管控现状，衡量指标≤20%，即认为该模型的建立有效，如式(1)所示：
δi=|cswi-CSWi|/CSWi
(1)
式中：δi为相对误差；cswi为某种建筑垃圾模型预测值(或运输量)；CSWi为某种建筑垃圾发生量真实值(或运输量)。若δ≤20.0%，则认为该模型建立有效。
3 不同施工阶段建筑垃圾发生种类特征研究
3.1 建筑施工准备阶段
建筑施工准备阶段是施工有条不紊进行的重要保障。建筑垃圾主要在“三通一平”(场地平整、道路保通、水通等)施工活动中产生。由施工前航拍图(图2)可以看出：在施工准备阶段，施工场地较为平整，因此施工方进行场地平整时，建筑垃圾的产生种类主要为工程渣土。
图2 地下综合管廊施工前航拍图
Figure 2 Aerial chart of underground utility tunnel before construction
3.2 围护结构施工阶段
施工场地土壤为软弱场地土，主要由淤泥质土、砂土及软黏土组成。土层性质较差，在外力作用下，土体结构较易受扰动破坏。为满足施工条件，现场采用铺设重载便道和施工便道两种基础设施。在基础设施施工完成后，进行地下连续墙冠梁、第一道砼支撑施工、基坑土开挖，其中建筑垃圾的产生特征见表1，主要以工程泥浆、工程渣土、废弃混凝土块为主，散落的混凝土次之。
表1 围护结构不同施工工序建筑垃圾发生特征
Table 1 Occurrence characteristics of construction waste in construction process
施工工序主要建筑垃圾产生种类导墙施工散落的混凝土重载便道施工散落的混凝土地下连续墙施工工程泥浆散落的混凝土重载便道凿除废弃混凝土地下连续墙超灌凿除废弃混凝土冠梁和第一道砼支撑施工散落的混凝土基坑土开挖工程渣土
1)散落的混凝土：主要由于施工人员操作不当以及混凝土运输车辆施工完成后遗弃产生(图3)。这些散落混凝土随渣土车一起外运，造成资源浪费。
图3 施工现场散落的混凝土
Figure 3 Concrete scattered at the construction site
2)废弃混凝土块：废弃混凝土块不同于的散落的混凝土，其主要由前期的基础设施(重载便道)到后期凿除，以及一些地下设施(地连墙、灌注桩超灌部分)凿除产生(图4)。
图4 废弃混凝土块发生特征
Figure 4 Characteristics of waste concrete blocks
3)工程泥浆：主要产生于地下连续墙施工，与工程渣土混合挖出，一定程度上降低了工程泥浆黏稠性，但含水量依然较高(图5)，该类工程泥浆产生量约等于施工部位体积。
图5 地下非开挖建筑部位施工现场
Figure 5 Construction site of underground trenchless building site
4)工程渣土：基坑施工时采用三轴水泥搅拌桩进行抽条加固，在基坑中掺入8%的水泥浆进行弱加固，建筑垃圾的产生种类主要为泥浆和土壤混合后的工程渣土(图6)。
图6 工程渣土产生特征现场示意图
Figure 6 Schematic diagram of construction characteristics of engineering waste soil
3.3 主体结构施工
地下工程主体结构施工，主要由垫层施工、楼层施工(循环施工)、顶板等施工工序组成。建筑垃圾的产生以废弃混凝土块、散落的混凝土为主(表2)。
3.4 盾构施工阶段
盾构施工阶段主要将盾构机械在地下推进，在开
表2 主体结构不同施工工序建筑垃圾发生特征
Table 2 Characteristics of construction waste in construction process of main structure
施工工序主要建筑垃圾产生种类垫层施工底面垫层铺设散落的混凝土楼层施工(循环施工)底板施工散落的混凝土侧墙施工散落的混凝土顶板顶板施工散落的混凝土顶板砼支撑拆除废弃混凝土块
挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。该施工阶段建筑垃圾的产生主要为工程渣土(混杂泡沫等物质)，外观见图7。
图7 盾构施工工程渣土发生特征
Figure 7 Characteristics of soil residue in shield construction
4 建筑垃圾定量预测模型的研究
4.1 建筑垃圾影响因子分析
根据地下综合管廊全工程施工建筑垃圾发生源特征研究，不同类型建筑垃圾的产生特点有所差异。施工过程中，建筑垃圾主要由工程渣土、废弃混凝土、工程泥浆组成。其中，散落混凝土主要来源于施工损耗，废弃混凝土块主要来源于基础设施凿除/拆除等产生。工程渣土主要在建筑施工准备阶段和围护施工阶段以及盾构阶段产生。根据工程渣土产生特点，建筑垃圾主要产生于场地平整、基坑土以及盾构土，其中影响工程渣土的产生主要由设计规范和规模决定。工程泥浆主要来源于地下连续墙施工时产生，产生量与地下连续墙的体积以及现场处置方法有关。通过建筑垃圾发生源特征研究可以发现，不同种类的建筑垃圾产生主要与建筑施工工序、施工工法以及设计标准有关，基于此建立建筑垃圾分类预测模型。
4.2 数学模型建立
4.2.1 工程渣土数学模型
基于地下管廊施工工序工程渣土发生源特征统计，建立工程渣土定量预测模型如下：
csw1=A1+B1+C1
(2)
式中:csw1为地下管廊施工全过程工程渣土产生量，m3;A1为施工准备阶段产生量，m3；B1为围护结构施工基坑土产生量，m3；C1为盾构阶段工程渣土产生量，m3。
(3)
式中:ai为施工场地不同类型基础设施面积，m2;H为地表原始高度，m;h为基础设施铺设厚度；βi为密实土壤松散系数。
B1=Vβi
(4)
式中:V为基坑设计体积，m3；βi为基坑密实土壤松散系数。
C1=πr2Lβi
(5)
式中：r为盾构机半径，m；L为盾构机推进长度，m；βi为盾构土松散系数。
4.2.2 废弃混凝土数学模型
基于地下管廊施工工序废弃混凝土发生源特征统计，建立废弃混凝土定量预测模型如下：
csw2=A2+B2+C2
(6)
式中:csw2为施工全过程废弃混凝土产生量，m3;A2为施工全过程混凝土损耗量，m3；B2为临时基础设施拆除产生量，m3；C2为地下工程超灌造除量量，m3。
(7)
式中：ai为不同施工工序混凝土使用量，m3；α为混凝土施工损耗系数。
(8)
式中：Si为不同类型临时基础设施截面积，m2；hi为设计厚度或长度，m。
(9)
式中：Si为不同类型地下工程设计截面积，m2；hi为不同类型地下工程设计超灌高度，m。
4.2.3 工程泥浆数学模型
基于地下管廊施工工序工程泥浆发生源特征统计，建立工程泥浆定量预测模型如下：
(10)
式中：csw3施工全过程工程泥浆产生量，m2；Ai为各地下工程结构设计体积，m3。
4.3 数量预测
针对不同类型建筑垃圾发生特点，提取CAD、设计规范中影响建筑垃圾量化特征的设计数据，实现具体施工工程建筑垃圾量化特征的研究。
4.3.1 工程渣土产生量预测
根据建筑垃圾数学模型的相关参数来源，提取设计图相关数据，预测工程渣土产生量。施工准备阶段工程渣土产生量、围护结构基坑土产生量、盾构阶段工程渣土产生量分别见表3、表4和表5。
表3 施工准备阶段场地平整工程渣土产生量
Table 3 Production of soil residue during construction preparation stage
井号施工便道面积a1/m3重载便道a2/m3H/mh1/mh2/mβiA1/m35号2528.301900.301480.126号1605.401606.401043.777号1517.601913.400.500.200.301.3[9]1089.358号1643.502156.101201.559号2103.501357.301173.26合计5988.47
表4 围护结构基坑土产生量
Table 4 Retaining structure foundation pit yield
井号长度/m宽度/m深度/mβiB1/m35号46.614.516.811351.766号26.214.518.87251.167号36.614.516.818915.768号36.614.518.89977.169号46.614.516.811351.76总计48847.60
表5 盾构阶段工程渣土产生量
Table 5 Production of muck in shield tunneling stage
项目盾构机半径r/m盾构机推进长度L/mβiC1/m3盾构3.1719461.5[10]29055.14
其中由于场地土壤类型为软弱场地土，根据设计标准需掺杂8%的水泥产量，水泥浆起凝结作用。因此基坑土开挖过程中取松散系数βi为1。
表6为施工全过程工程渣土产生量。csw1为83891.21 m3，与真实值CSW1 91784.69 m3相比,相对误差为8.6%(<20%)，则该模型在误差范围内，其建立有效。其中，各施工阶段误差为9.2%～11.5%，误差主要来源于土层从上至下的理化性质不同，导致松散系数取值不同。
4.3.2 废弃混凝土产生量预测
根据建筑垃圾产生量预测模型，提取设计图相关数据，预测废弃混凝土产生量。
1)A2：混凝土施工损耗量。施工现场混凝土损
表6 施工全过程工程渣土产生量
Table 6 Muck production in the whole construction process
项目csw1/m3CSW1/m3δ1/%A15988.476592.80 9.2B148847.6052365.20 6.7C129055.1432826.69 11.5合计83891.2191784.69 8.6
耗主要由于施工工人操作以及混凝土运输车辆施工完成后多余遗弃产生，特殊工艺除外。混凝土损耗发生量随机且较少，可忽略。但现场应注重分类、储放，与其他物质一起实现回收。
2)B2：临时基础设施拆除量。地下管廊施工过程中，临时基础设施拆除量主要产生在施工便道、重载凿除和第一道砼支撑拆除环节，提取设计图中CAD相关数据，实现临时基础设施拆除量预测。其中施工便道、重载凿除拆除共产生约4559.71 m3的废弃混凝土(表7)，主要为体积较小的块状物。
表7 施工便道、重载便道拆除量
Table 7 Dismantling quantity area of construction road area/heavy haul
井号施工便道a1/m3重载便道a2/m3h1/mh2/mcsw2/m35号2528.30 1900.30 1075.75 6号1605.40 1606.40 803.00 7号1517.60 1913.400.20 0.30 877.54 8号1643.50 2156.10 975.53 9号2103.50 1357.30 827.89 合计4559.71
砼支撑体积与工作井的设计息息相关，与其他类型的废弃混凝土块产生有所不同，其拆除时主要采用两端切除工艺，产生体积较大的斜砼和直砼。根据其设计参数(图8)，可计算得到该施工工程产生140.88 m3废弃混凝土块(表8)。
表8 砼支撑拆除量
Table 8 Demolition quantity of concrete support
井号截面积S/m2斜砼长度/m直砼长度/m体积/m35号0.49 27.36 41.10 33.55 6号0.49 27.36 13.70 20.12 7号0.49 27.36 27.40 26.83 8号0.49 27.36 27.40 26.83 9号0.49 27.36 41.10 33.55 合计140.88
由表7、表8可知，B2为施工便道、重载便道拆除量和砼支撑拆除量之和，即为4700.59 m3。
3)C2：地下连续墙超灌凿除量(表9)。地下连续墙在混凝土灌注施工后，其顶部混有浮浆、泥渣等杂质，导致墙体上部强度较低。根据规范要求，应予以凿除，凿除高度hi为0.5 m。
图8 工作井设计示意图
Figure 8 The designed schematic diagram of working well
表9 地下工程凿除量
Table 9 Underground engineering chisel capacity
井号截面积Si/m2hi/m体积/m35号62.70 0.50 31.35 6号42.70 0.50 21.35 7号52.70 0.50 26.35 8号52.70 0.50 26.35 9号62.70 0.50 31.35 合计136.75
4)csw2:废弃混凝土产生量(表10)。由表10知：csw2为4837.34 m3,CSW2为5084.00 m3，其相对误差为4.9%(<20%)，认为该模型建立有效。其中，各施工结构废弃混凝土产生量相对误差主要来源于混凝土运输时存在空隙，小于运输车体积，导致预测量<运输量。
表10 废弃混凝土产生量
Table 10 Production of waste concrete
项目csw2/m3CSW2/m3δ/%A2———B24700.594936.404.8C2136.75147.607.4合计4837.345084.004.9
4.3.3 工程泥浆产生量预测
根据施工规范，工程泥浆主要产生在地下工程施工过程中，主要起护壁作用，如：地连墙、桩基等。调研管廊施工建筑垃圾发生源特征，从CAD图中提取地连墙设计参数，代入式(10)。其中工程泥浆产生量见表11，csw3为11435.27 m3，CSW3为11845.27 m3，其相对误差为3.5%，<20%，可认为该模型的建立有效。
表11 工程泥浆产生量
Table 11 Quantity of engineering slurry production
井号地连墙施工体积A1/m3csw3/m3CSW3/m3δ/%5号2407.682407.682489.683.36号1895.881895.881977.884.17号2218.672218.672300.673.68号2260.832260.832342.833.59号2652.212652.212734.213.0合计11435.2711435.2711845.273.5
5 结 论
地下管廊在修建过程中建筑垃圾的产生主要由工程泥浆、工程渣土、废弃混凝土组成，其产生量与地下工程建设规模、设计标准以及施工工法有着密切关系，基于此建立分类定量预测模型，预计产生程渣土为83891.21 m3、废弃混凝土为4837.34 m3、工程泥浆为11435.27 m3。与真实值相比，模型的相对误差分别为8.6%，4.9%，3.5%，均<20%，可认为三类建筑垃圾预测模型建立有效。
通过基于地下管廊建筑垃圾发生源特征研究，建立不同类型建筑垃圾分类定量预测模型，打破具体施工工程建筑垃圾量化特征的不确定性和随机性，弥补了目前我国针对具体施工工程建筑垃圾发生特点的空白。但在不同地区地下工程施工过程中，采用不同的施工工法对建筑垃圾发生源特征的影响不同，而本文未对不同地区、不同施工工法建筑垃圾的发生特点进行充分研究。
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