盾构渣土中化学助剂的环境影响和绿色处理技术.pdf
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1、第41卷第9 期2023年9月文章编号:10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 9-0 0 0 1-0 7市放技术Journal of Municipal TechnologyVol.41,No.9Sep.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.09.001盾构渣土中化学助剂的环境影响和绿色处理技术董紫君 12,吕果1,孙晓辉1,2*,陈子奕1,刘广东3(1.深圳大学土木与交通工程学院,广东深圳5 18 0 6 0;2.深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室,广东深圳5 18 0 6 0;3.中国绿发投资集团有限公司,北京10 0 0 2 0)摘要:
2、盾构法因具有快速、安全等优势而广泛应用于我国城市工程建设。在盾构施工和渣土改良处理中,常需要使用泡沫剂、分散剂和絮凝剂等化学助剂。这些化学助剂的添加,一方面极大地提高了盾构工程的施工效率,但另一方面也带来了潜在的环境影响和危害。总结了目前盾构法施工中常用的化学助剂种类、成分和作用,重点阐述了其对水-土环境的潜在风险,介绍了目前处理盾构渣土的常用绿色技术,并以深圳市地铁14号线绿色施工为案例进行了详细分析,以期使业界进一步关注由盾构渣土中的化学助剂所带来的潜在环境问题,并通过研发、应用环保助剂和绿色施工技术,为盾构隧道工程的可持续发展提供支撑。关键词:盾构渣土;化学助剂;环境影响;绿色处理技术中
3、图分类号:X705Environmental Impact and Green Treatment Technology ofDong Zijun-2,Li Guo,Sun Xiaohui.2*,Chen Ziyi,Liu Guangdong(1.College of Ciwil and Transportation Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China;2.Shenzhen Key Laboratory of Green,Efficient and Intelligent Construction of Undergrou
4、nd Metro Station,Shenzhen 518060,China;3.China Green Development Investment Group,Beijing 100020,China)Abstract:Shield method is widely used in Chinas urban engineering construction because of its advantages of speedand safety.The chemical additives of foam,dispersant and flocculants are often appli
5、ed in shield construction andmuck improvement treatment.The addition of these chemical additives greatly improves the efficiency of shield con-struction on the one hand,but on the other hand,it also brings potential environmental impact and hazards.Thetypes,compositions and roles of chemical additiv
6、es commonly used in shield construction are summarized at pre-sent,the potential risks to the water-soil environment are emphasized.The commonly used green technologies todeal with shield muck are introduced.The green construction of Shenzhen Metro Line 14 is analyzed in detail todraw the industrys
7、attention to the environmental problems that may be caused by chemical additives in shieldmuck and support the sustainable development of shield tunneling projects by the research,application of environ-mentally protection additives and green construction technologies.Key words:shield muck;chemical
8、additives;environmental impact;green treatment technology文献标志码:AChemical AdditivesinShield Muck收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 8基金项目:国家自然科学基金(42 2 7 7 3 7 3、5 2 17 910 8);深圳市科技计划(KCXFZ20201221173413037、K CXF Z 2 0 2 110 2 0 16 40 13 0 2 0、Z D S Y S 2 0 2 00923105200001);绿发集团技术开发项目(SGLN0000KXJS2000118)作者简介:董紫君,女,
9、特聘研究员、高级工程师,博士,主要研究方向为环境污染控制。通讯作者:孙晓辉,男,特聘研究员、副教授,博士,主要研究方向为固废资源化。引文格式:董紫君,吕果,孙晓辉,等.盾构渣土中化学助剂的环境影响及绿色处理技术 .市政技术,2 0 2 3,41(9):1-7.(DONGZJ,LYUG,SUN X H,et al.Environmental impact and green treatment technology of chemical additives in shield muckJ.Journal of municipal techno-logy,2023,41(9):1-7.)2盾构法
10、被广泛应用于我国城市地铁、综合管廊、跨海隧道等地下工程建设。由于我国城市建设规模不断扩大,产生的渣土量也逐日攀升。在盾构法施工过程中,为了保持开挖和出土顺畅,防止刀盘出现“结泥饼”等现象,通常要在土壤中添加化学助剂以改善土性 1。目前,我国盾构渣土的处置方式仍以露天堆填为主。随着日晒雨淋,盾构渣土中残留的化学助剂,尤其是其中的有害化学物质会渗入周围土壤和地下水中,造成环境污染,这值得我们高度重视。2 0 2 1年3 月18 日,国家发改委与多部门联合颁发了关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见,提出了建筑废弃物绿色、高效、高质、高值、规模化利用的发展新目标。因此,明确盾构施工中常用的化
11、学助剂及盾构渣土可能带来的环境影响,可以有力地推动大宗固废综合利用的绿色发展 2 。笔者总结了目前盾构渣土中使用和添加的化学助剂,分析了其对水土环境的影响,介绍了目前盾构渣土处理的绿色技术,以期业界能更多关注盾构渣土中化学助剂引起的潜在环境问题,更多地开发和使用绿色施工技术。1盾构渣土中的化学助剂1.1斤盾构施工现状近年来,国内各大中型城市均在大力推进城市轨道交通工程建设。截至2 0 2 1年底,中国大陆地区50个城市共计开通了城市轨道交通运营线路2 8 3条,运营线路总长已达9 2 0 6.8 km,其中地铁运营线路7 2 0 9.7 km,占比高达7 8.3%。预计“十四五”规划期间,中国
12、城市轨道交通运营里程将会新增5 0 0 0 km,年均新增约10 0 0 km,总里程将达到1.3 万km3。目前,我国城市轨道交通工程建设常用的盾构施工方法包括土压平衡盾构施工和泥水盾构施工Tab.1 Types and effects of chemical additives for shield muck种类成分十二烷基醚硫酸钠(SLES)、十二烷基氯化铵、动植物泡沫剂蛋白类表面活性剂等常用的无机分散剂有硅酸盐类和碱金属磷酸盐类分散剂(例如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠等);有机分散剂包括纤维素衍生物、聚羧酸盐类、古尔胶等 5 包括聚合物、润滑剂、填充剂。聚合物有聚乙烯、聚丙耐磨剂烯
13、等,润滑剂有硅油、液体石蜡等,填充剂有硅酸盐等Journal of Municipal Technology表1盾构渣土化学助剂种类和作用作用可以降低水的表面张力,通过与加压空气混合产生大量均匀又稳定的泡沫5 ,润滑土体,提高流动性、止水性,防止黏附,使盾构排土顺畅减小黏性渣土的黏附性,防止渣土絮凝或附聚的发生,降低刀盘、土仓等“结泥饼”现象的发生概率 6-7 用于减少盾构机械刀盘与地层之间的摩擦,减少刀盘磨损第41卷2种。盾构施工中,较短的距离内通常会遇到多种地质状况。为了提高盾构施工效率,降低刀盘磨损并保证施工安全,盾构技术人员需对刀盘前端和土仓内的渣土进行改良 4。土压平衡盾构施工中常用
14、的药剂包括泡沫剂、分散剂、耐磨剂和絮凝剂等,泥水盾构施工中则主要使用膨润土、分散剂和耐磨剂。2 种盾构施工方法所用的主要化学助剂见图1。目前,我国在隧道建设环境评价中尚未对这些化学助剂的使用与危害性作出相应评估。以泡沫剂为例,作为盾构施工中的常用化学助剂,其对黏土质和泥岩类地质具有良好的分散特性,可极大地提高渣土排出效率。然而,传统的泡沫剂多采用乙氧基壬基酚类和月桂基聚氧乙烯类表面活性剂作为主要组分,其环境微生物降解性能差,无法适应当前的环境保护要求。因此,在盾构施工中需要寻求更加环保、具有可持续性的替代品和化学助剂污染防治方法,以减少盾构施工对环境的影响。泡沫剂分散剂耐磨剂絮凝剂a)土压平衡
15、盾构图12 种盾构施工方法所用的主要化学助剂Fig.1 The main chemical additives by the two shield methods1.2盾构施工中常用的化学助剂盾构施工过程中常用的化学助剂主要包括泡沫剂、分散剂、耐磨剂、絮凝剂和膨润土等 5 。这些化学助剂的成分、作用和适用地层均存在差异,见表1。黏性较大的地层各种地层膨润土分散剂耐磨剂b)泥水盾构适用地层各种地层第9 期种类最常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺(PAM)、羧甲基纤维絮凝剂素(CMC)、聚阴离子纤维素(PAC)等膨润土以蒙脱石为主要矿物成分2化学助剂的环境影响2.1对土壤和动植物的影响盾构渣土自身颗粒细小、
16、含水率高,如果处理不当,极易造成环境污染和安全隐患。此外,泡沫剂、分散剂等化学助剂的使用,在保持泥浆乳化状态的同时,也使泥浆中存在表面活性剂等污染物。盾构渣土在垃圾填埋场堆填消纳时,采取的污染隔离措施通常较为简单,导致渣土中的高分子添加剂、重金属、有机合成材料等成分极易渗入土壤,污染周围环境 8 。盾构泡沫剂的配方组分大部分来自于不能降解的石油化工原料及其衍生物。这些难以降解的污染物可以在土质中存留较长时间,并可能向其他界面发生迁移转化。在盾构施工过程中,泡沫剂在土壤中的用量通常为0.13.0 L/m。以泡沫剂中常见成分十二烷基醚硫酸钠(以下简称“SLES”)为例,其在泡沫剂中含量通常为10%
17、5 0%,因此SLES在盾构渣土中的预计质量分数为40 5 0 0 mg/kg9。有研究表明:表面活性剂可能具有一系列的环境危害性,包括对水生生物的毒性和在食物网中存在生物累积的可能性等 10 。Mariani 等 11 使用生物测定法研究了SLES的生态毒性,结果表明:当这种表面活性剂在土壤中的体积分数大于2 L/m时,高体积分数的表面活性剂可对生物群的生长产生抑制作用(约为6 1.6%)。化学助剂中的油脂类辅料大多含有塑化剂、矿物油等有毒、有害物质。其中,塑化剂是典型的环境激素,可通过干扰生物体的内分泌系统影响其生长发育;矿物油是国内外均高度关注的具有持久性、蓄积性和生物毒性的物质。在隧道
18、盾构开挖工程中,如果不密切监测泡沫剂的使用情况,就可能对生活在土壤中及附近的生物群产生有害影响。虽然大多数化学助剂的成分能够通过土壤实现生物降解,但其生物降解能力各不相同。例如,脂肪醇聚氧乙烯硫酸钠(以下简称“AES”)的最终生物降解率为95.5%12 ;脂肪醇聚氧乙烯醚(以下简称“AEO”)中氧乙烯基数量最多的AEO54降解率为董紫君等:盾构渣土中化学助剂的环境影响和绿色处理技术成分止渣土在螺旋输送机口处发生喷涌具有很强的吸水性和黏性,可以改善盾构渣土的流动性和稳定性,减少盾构机工作中的阻力62.91%13,聚丙烯酰胺在自然条件下会缓慢降解,生成各种低聚物和丙烯酰胺单体 14。同时,土壤中微
19、生物的丰度不同,化学助剂的降解速率也不一样,某些残留部分及其降解产物仍然有可能会对土壤造成一定的污染 15 。2.2对水体和周边环境的影响地铁主要是地下构筑物,在南方地区几乎均在地下水位线以下施工和运行。如果施工中防渗层处理不当,盾构管片外涂抹的矿物油和塑化剂会随着渗水进入地下水中,并随着弥散作用在地下水中扩散造成污染,进而可能危害农作物和人体健康。阴离子表面活性剂是泡沫剂的主要成分之一。现有研究表明:浓度极低的表面活性剂也极易在水中产生不易消除的泡沫,影响水体环境美观的同时,还会在水体表面形成隔离层,影响水气交换,进而导致水质变臭、变差。含有表面活性剂的生活污水直接排人水系中,不仅危害水生生
20、物的生长,而且还会抑制其他有毒物质的降解,导致水质污染,严重破坏自然生态平衡 16-17 。一些水生生物(例如微藻、细菌、甲壳类动物和鱼等)和一些陆地生物(例如蠕虫、植物等)被用于评估阴离子表面活性剂SLES的生态毒性。众多学者的研究结果均表明,水生生物较陆生生物对SLES残留物更为敏感,SLES对于水域生态环境的影响也更为突出 15,18 。李安娜 19 的试验结果表明:阴离子表面活性剂 SLES对斑马鱼的胚胎发育有明显的抑制作用,对囊胚期胚胎(发育3 h)和原肠胚期胚胎(发育 6 h)的LCso值分别为0.6 19 1、3.2594mg/L,远低于国家允许的工业废水阴离子表面活性剂排放标准
21、规定的10.0 mg/L。阴离子表面活性剂一方面可以通过鱼鳃与鱼皮肤蛋白结合生成复合物质,另一方面当表面活性剂质量浓度较低时,可进入鱼的血液、肾脏等内脏部位,并在胆囊、肝脏等部位富集,产生毒性效应,影响其生理功能,严重时可造成鱼类死亡 2 0 。三聚磷酸钠是常见的分散剂成分,可使水生植物大量繁殖,水含氧量降低,水质富营养化,进而严3续表作用可以将渣土内颗粒聚团,形成一定大小的絮团,从而降低了渣土的含水比和流动性等性质,以防适用地层渗透性较大的富水地层细粒含量少和透水性高的地层4重影响周围的生态环境 2 1。此外,盾构渣土对周边环境和居民也有可能造成不良的影响。2 0 15 年,长沙市跳马镇由于
22、雨水冲刷堆放于废弃矿洞中的盾构渣土,产生了甚至有二三层楼高的大量泡沫,并随风散播,引起人们恐慌。城管部门为此紧急下令停工1周,并通过环保手段解决了该问题 2 2 。3盾构渣土污染防治技术研究3.1绿色环保助剂基于前述原因,国内外许多研究人员都在寻找既拥有出色的土壤改性能力,又不会对环境造成污染的化学助剂。易被环境微生物快速、高效降解,将是盾构泡沫剂技术发展的重点方向。如何能在既保证泡沫剂基本改良功效和强分散性能的同时,又实现泡沫剂全组分的快速环境生物降解,成为目前呕待解决的技术问题。王德乾等 2 3 开发了一种生态友好型盾构泡沫剂,即采用椰油丙基酰胺氧化铵作为两性离子表面活性剂,主要原材料椰油
23、醇来自于天然植物提取的椰子油,无毒无害,可生物降解,属于可再生资源,且在发泡倍率、半衰期和植物存活性等3 项测试中均表现优异。白建军等 2 4 研发了一种通过生物发酵制得的易降解环保型分散泡沫剂,整个泡沫剂体系中有机物的2 d降解率达9 0%以上,且气泡半衰期达3 5 min,减少了泡沫剂的使用量,进一步提升了改良渣土的环保特性。3.2设立助剂降解区和防渗层设立助剂降解区和牢固的防渗层也是阻控化学助剂污染环境的一个重要方法。Grenni 等 9 模拟测试了2 种盾构泡沫剂随着时间推移(0、7、14、2 8 d)的生物毒性,得出了泡沫剂的风险指标,并表明当风险水平降低至可接受值时,便可继续对盾构
24、渣土进行下一步资源化处理。Finizio等 2 5 建议在盾构施工后,把渣土堆放到特定的助剂降解区,直到其中有机污染物被土壤完全降解为止。这是一个保护环境的解决方案。在盾构渣土降解的不同时期进行生态毒理学测试,可以确定渣土何时达到安全标准,并安排后续的其他处理,以尽可能避免对环境或水生生物造成伤害。此外,还可以根据盾构渣土后续的资源化处理方向来调整盾构渣土的降解时间。例如,如果以骨料形式再用于混凝土、建筑和基础设施建设,其环境污染的可能Journal of Municipal Technology水体 3 0 。处理含表面活性剂的污废水,主要使用2 类常第41卷性可忽略不计,无需采取风险缓解措
25、施;如果盾构渣土及其产物被用作靠近水体的道路或采石场的填充材料时,其污染物降解目标则应侧重于防止与水生环境接触,为此需要在沥青和土壤层下铺设复合衬垫(低渗透屏障),避免渗滤液迁移到地下蓄水层或附近的河流。3.3固化/稳定化技术固化/稳定化技术是一种通过物理、化学或生物的方式,将固体废物中的有害物质固定或转化成化学性质不活泼的形态,以防止其在环境中迁移和扩散,从而降低污染物的环境风险。在有机污染土壤修复中,固化/稳定化技术被广泛应用。研究人员发现,在固化/稳定化过程中添加化学氧化剂,将有机污染物降解到一定程度后再进行固化/稳定化处理,可有效提高处理效果 2 6 。例如,马福俊等 2 7 利用水泥
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- 盾构 渣土 化学助剂 环境 影响 绿色 处理 技术