0 引 言
随着我国地下工程建设大量开展，工程渣土作为工程建设的“副产品”引起了越来越多的重视。全国在建的盾构隧道预计将产生2.25亿m3工程渣土，渣土处置费预计将需要582亿元。大量未经处理的工程渣土堆积，会侵占土地污染土壤和水体[1，2]。2000年菲律宾某渣土场发生滑坡，产生渣土体积为1.6万m3，导致330人死亡；2005年印度尼西亚某渣土场滑坡，导致147人死亡；2015年深圳光明事件发生的主要原因是盾构渣土无序消纳，造成77人遇难，10万多m2的工业园区被吞噬[3]。大量工程渣土的无序处理与无效利用，会制约城市发展。目前，国内大规模投入生产的建筑垃圾资源化生产线很少，资源化利用率大约为10%，与其他国家资源化指标相差很大[4]。
《城市建筑垃圾管理规定》是我国颁布的第1部建筑垃圾相关规定，规定中明确指出了建筑垃圾的处置活动。目前，我国建筑垃圾资源化率较低，而且建筑垃圾产生量逐年增长，如图1所示，因此要大力推动建筑垃圾资源化的发展。根据《循环发展引领行动》报道，到2020年，我国城市建筑垃圾资源化处理率要达到13%[5]。目前，已有部分地区开始着手验收工程渣土资源的分类和综合应用，《河南省人民政府关于加强城市建筑垃圾管理促进资源化利用的意见》中规定，加强建筑垃圾再生产品的应用推广，加大政府的扶持力度；《北京市关于进一步加强建筑废弃物资源化》建议建筑垃圾产生现场实施资源化利用[6]，规定了建筑垃圾处置费。住房城乡建设部发布的《建筑垃圾处理技术规范(征求意见稿)》中规定，建筑垃圾减量应从源头实施，工程渣土、工程泥浆、工程垃圾和拆除垃圾应优先就地利用。国家在“十三五”规划中继续推进建筑垃圾的合理处置，完善建筑垃圾的全过程监管平台[7]。国家及社会对建筑“副产物”的重视，急需一个完整的渣土处理体系，合理地规划渣土的处理处置过程，为绿色工程建设提供参考。
—建筑垃圾产量。
图1 2012—2017年中国建筑垃圾年产量[4]
Figure 1 Annual production of construction waste in China in 2012—2017
1 工程渣土的处理现状
随着政府大力推进建筑垃圾资源化利用，《再生节能建筑材料财政补助资金管理暂行办法》《绿色建筑行动方案》《深圳市建筑废弃物减排与利用条例》政策相应出台，已有大量企业着眼于建筑垃圾的资源化利用生产，但对于工程渣土的资源化利用还缺乏相应政策推动实施。我国大部分城市地铁隧道施工采用盾构掘进，按洞径6 m估计，松散系数取1.5[8]，每千米地铁盾构隧道施工至少产生4.5万m3的渣土。
土压平衡施工会使用膨润土、泡沫剂等添加剂产生经过改良之后的流塑性渣土(见表1)，渣土中含有大量流动性泥浆，渣土含水量明显增加，运输途中易带来泄漏、撒落运输不便等问题，且常规的建筑渣土处理场地很难接纳。盾构渣土中的水分来自于岩土层含水和施工注入的添加剂，如湖南某地铁线产生的盾构渣土含水率为10%～40%[9]。目前，盾构渣土的处理方式以堆放、填埋为主，导致盾构过程中的高分子添加剂、重金属等成分流入到周边环境中造成严重危害。
表1 盾构渣土中改良添加剂种类及作用[10]
Table 1 Types and effects of modifying additives in shield soil
改良添加剂种类作用膨润土 提高和易性(补充洗粒成分)丙烯类(树脂)提高吸水性,吸收自由水淀粉纤维素(CMC、纸浆渣)增黏(黏结流动化,减少分离)多糖类负离子类乳胶防止喷发,防止黏附泡沫剂润滑土体,提高流动性混合添加剂综合提高渣土流动性,止水性
处理盾构渣土面临的主要问题是：1)盾构渣土含水量高，不易运输；2)含有泡沫剂等有害污染物；3)使盾构渣土不易脱水，在堆存过程中易形成滑坡，从而影响堆土场的安全堆放。我国地层复杂多样，不同施工条件与地质条件下产生的工程渣土种类也不同[11]。一般渣土处理方法主要分为自然风干法、化学固化法、过滤分离法3种[12]。盾构渣土中氧化物元素含量高，有机质及其他营养物质含量极低，其成分决定了渣土资源化路径的多样性。
2 工程渣土资源化分析
2.1 工程渣土资源化处理模式
针对工程渣土处理减量化、无害化、资源化的原则，本文提出以资源化为核心的工程渣土处理流程。渣土处理的最终产物为砂石和泥饼，砂石骨料可用作建材基础，泥饼通过成分分析后进行种植土制砖或烧陶粒。环境指标检测可确定工程渣土的环境影响，通过采取相应的修复手段，实现渣土的无害化处理。渣土的不同处理模式可有效解决盾构渣土不易运输、堆体易滑坡的问题，分析渣土的污染成分，添加相应药剂或修复处理，可提高渣土处理的效率和质量。图2为工程渣土的资源化处理模式。
图2 工程渣土的资源化处理模式
Figure 2 Recycling treatment models for engineering slag
2.2 环境检测指标
为了进一步确定工程渣土的环境属性，探究其资源化途径的去向，本文对地铁盾构土中的pH、重金属元素等指标性质进行检测，并与GB 36600—2018《土壤环境质量风险建设用地标准》、GB 15618—2018《土壤环境质量风险农业用地标准》对比，判断其是否满足要求，确定渣土后续资源化路径中是否可用作建设回填土和农业用土。
我国地层复杂多样，地质情况在一定程度上决定了隧道施工产生盾构渣土构成。本文样品采于长沙市地铁施工盾构渣土。采样过程依据HJ/T 20—1998《工业固体废物采样制样技术规范》，选用简单随机的采样方法，工具选用取样铲，样品保存在铝盒中，冷藏存放。样品中重金属元素采用ICP-OES方法检测、pH采用玻璃电极法检测。
表2为长沙市盾构土样品检测结果。可知：盾构渣土均呈弱碱性，主要是由于盾构施工过程中碱性泡沫剂的加入及部分地区的土壤背景呈碱性。样品中均含有Cr、Pb、Cu、Cd、As元素，样品均未超过建设用地标准和农业用地标准。因此，长沙地铁项目盾构土资源化途径可用做农用种植土和建设用土。盾构土一般产生于地下25～30 m的土层，不受外界污染，渣土中重金属含量主要来自土壤背景重金属含量。
表2 长沙市盾构土样品检测结果
Table 2 Test results of shield soil samples from Changsha mg/kg
样品名称pHw(Cr)w(Cu)w(As)w(Cd)w(Pb)长沙盾构土8.75113.8721.0818.070.1511.00GB 36600—2018———60.0065.00800.00GB 15618—2018—250.00250.0025.000.60170.00
2.3 工程渣土生产砂石骨料
工程渣土中的砂石分离后，骨料筛分机将振动筛分出的粗颗粒和细颗粒砂砾进行打磨制砂，满足要求的粗、细砂石骨料分开堆放。依据资源化再生砂石质量等级不同将砂石分为3种情况：1)A类砂石:可完全替代天然石、人工砂石;2)B类砂石:含泥量及泥块含量、压碎值、坚固性、针片状合量及级配等关键性指标较差，可部分替代天然砂石；3)C类回填料：此类砂石一般产生于强风化泥质粉砂岩，级配较好，但强度较差。
图3 砂石产生流程
Figure 3 Sand production process
2.4 泥饼烧制陶粒
长沙市地铁施工盾构渣土样品共取样8个，分别为处理前盾构土、灰色盾构土、黄色处理前盾构土、黄色处理后盾构土、红色处理前盾构土、红色处理后盾构土、处理后盾构土、建设用土。通过图4、表3可以看出各样品之间的差异较大，灰色土样的矿物成分与其他3种土样差距较大，其中石英的质量分数为32.9%，钠长石含量为8%，含铁矿物绿泥石为11.4%，高岭石仅为5.3%，云母石为38.4%。实验所用泥饼的主要矿物组成为石英、长石、方解石以及云母石(图5a)。从XRD图谱中可以看出处理后的盾构土样品中，石英含量明显减少，其百分率分别从60.1%降至43.4%；67.4%降至30%，60.4%降至43.2%，其他矿物组成相应的升高(图5b)。
盾构渣土烧制陶粒是利用高温烧制把渣土中的无机物及重金属固化在陶粒之中。样品1—8为长沙盾构土中各氧化物的相对含量，由表3可知工程泥饼成分中SiO2含量均>69%,这表明工程渣土中的SiO2能够为陶粒提供足够的黏度；Al2O3含量较低，总
图4 盾构渣土处置前后的XRD谱图
Figure 4 XRD atlas of shield muck before/after treatment
表3 盾构渣土中各氧化物含量占比
Tabel 3 Content of each oxidant in shield muck samples %
样品SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2O171.0416.333.441.341.853.141.18270.8616.253.391.461.843.141.17369.8017.133.901.352.122.971.07470.2716.943.491.552.093.131.08569.9117.193.741.332.203.011.04670.2017.053.661.332.163.001.03770.2316.953.601.362.103.021.06869.5717.023.871.312.093.191.09
体在16%～17%，样品差异很小。此类渣土制作陶粒时，应该添加其他含Al2O3原料，以满足陶粒的稳定性要求。工程渣土Fe2O3含量均在3.39%以上,能够为渣土陶粒膨胀提供足够的产气量。工程渣土的助熔成分(CaO+MgO+Na2O+K2O)含量均>7.50%。若陶粒膨胀气量不够时需要秸秆作为添加剂，其内部含量最多的是有机物，其中有机碳含量达到90%以,可补充陶粒内部的产气成分[13],为陶粒膨胀提供足够的膨胀气体。
2.5 泥饼制砖
泥饼制砖是用泥饼辅以粉煤灰和底泥。制备的烧结砖具有传统砖的强度和抗水性，且泥饼中含有絮凝剂等有机物，焙烧过程会产生气孔，降低砖体抗压强度，提高砖体隔热保温性能。烧结砖是砖坯晾干后在900～1000 ℃条件下保温4 h后烧结成型；非烧结砖成型主要依靠水泥和石灰的水解和水化反应、颗粒表面的离子交换和团粒化作用，以及高压物理机械作用。图5为泥饼制砖流程。
图5 泥饼制砖流程
Figure 5 Flowchart of brick making process using mud cake
2.6 泥饼制作种植土
黏土是泥饼的主要成分，也是种植土的重要组成部分，具有良好的保水、保肥能力。盾构土中的有机质含量较高，符合植物生长的要求。盾构泥饼再用为种植土时需降低土壤容重，增加孔隙度、水分和空气含量，以满足植物对土壤肥力因素的要求。再生种植土是将盾构泥饼中加入土沙、砾石、木屑、泥炭、枯叶等，辅以有机质含量高的发酵粪肥、发酵餐厨垃圾以及发酵园林废弃物等。
3 工程渣土资源化经济效益分析
3.1 砂石骨料的经济效益分析
以长沙市地铁5号线盾构施工某标段为例，进行工程渣土资源化经济效益分析，该项目主要地层为淤泥质黏土和粉砂[14]。标段盾构施工长度约为4.6 km，盾构直径为6.28 m。根据工程地勘报告中土层分析得知，粉砂土层占比约为20%，淤泥质黏土占比约为80%。在淤泥质黏土中，砂石占比的估算公式见式(1)：
(1)
式中：Ip为塑性指数,%;IL为液性指数，%。其中Ip=6.5,IL=1.34，因此K=6.9%。粉砂土中砂石的占比为30%，因此在整个管廊工程的施工过程中产生的砂石比例大约为11.2%。盾构渣土产生量见式(2)：
V=πr2×L
(2)
式中：r为盾构隧道设计半径，m;L为盾构区间长度,m。施工产生盾构渣土的体积V=142412 m3，其中产生的砂石体积为V0=28482 m3。全国砂石的平均价格为200元/m3，因此在施工过程中砂石产生的经济效益大约为570万元。
3.2 泥饼资源化经济效益分析
以长沙市地铁盾构项目为例，盾构产生的泥饼约为12万m3，处理相应盾构泥饼需花费约60万元。通过盾构泥饼的资源化处理可增加泥饼的经济效益，以盾构土烧结P型多孔砖为例，1000块烧结块砖所需盾构土的体积约为1.6m3[8]，该项目产生的泥饼可烧制多孔砖的产量约为750万块，以市场价计多孔砖价格，产生的直接经济价值约为800万元，同时可节省渣土堆放场地约6万m2。此外，泥饼和粉煤灰在高温条件下可烧制陶粒市场价格为160元/m3，每立方米消耗盾构土约为0.8 m3。假设40%的泥饼用来烧制多孔砖，10%的泥饼用来烧制陶粒，剩余的泥饼外运至渣土厂，最终产生的经济效益约为200万元。泥饼资源化在产生经济效益的同时，还解决了盾构土堆积、无序排放的问题，促进经济绿色发展，具有很高的社会效益。
4 结 论
工程渣土处理是我国快速发展所面临的重大社会问题：
1)文章提出了工程渣土资源化处理模式，为渣土的后续处理提出参考。对长沙市地铁施工渣土进行环境指标检测分析，初步确定渣土用于建设用土和农业用土的资源化途径。
2)提出砂石骨料的生产流程，通过对泥饼的成分测定，为泥饼烧制陶粒提供可行性分析，并对泥饼制砖和再生种植土提出了理论分析。
3)以长沙市地铁建设产生的工程渣土为背景，预测砂石的产生量及相应的经济效应，根据地铁盾构泥饼烧砖、陶粒的处理途径，预测了其经济效益。
[1] LEE J Y, MOON S H, YI M J, et al. Groundwater contamination with petroleum hydrocarbons, chlorinated solvents and high pH: implications for multiple sources[J]. Quavterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeol, 2008,41: 35-47.
[2] KALBE U, BERGER W, ECKARDT J, et al. Evaluation of leaching and extraction procedures for soil and waste[J]. Waste Management, 2008,28(6): 1027-1038.
[3] 广东深圳光明新区渣土受纳场“12·20”特别重大滑坡事故调查报告[J].中国应急管理,2016(7):77-85.
[4] 任昕彤. 建筑垃圾源头减量城市规划策略研究[D].北京：北京建筑大学,2019.
[5] 李腾. 建筑垃圾资源化产业发展研究[D].重庆：重庆大学,2011.
[6] 曹政. 北京:发布建筑废弃物资源化综合利用意见[J].工程建设标准化,2018(4):33.
[7] 张利军.西安市建筑垃圾渣土资源再利用研究[J].环境工程,2017,35(5):122-124.
[8] 朱考飞,张云毅,薛子斌,等.盾构渣土的环境问题与绿色处理[J].城市建筑,2018(29):108-110.
[9] 张书经,阳栋,谭立新,等.盾构渣土的含水率特征及脱水技术研究[J].中国水土保持,2019(8):37-42.
[10] 闫鑫.土压平衡盾构掘进中泡沫改良砂土的实验研究[D].北京：北京工业大学，2009.
[11] RAFFAELE V,CLAUDIO O,DANIELE P. Soil conditioning of sand for EPB applications: a laboratory research[J]. Tunneling and Underground Space Technology,2007,23(3)：308-317.
[12] 徐道亮. 土压平衡盾构高含水量渣土出渣技术研究[D].长沙：中南大学,2014.
[13] 张腾飞,荣辉,刘志华，等.900密度等级渣土陶粒的制备及性能研究[J].新型建筑材料,2017,44(1):109-113.