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盾构渣土高效率处置与资源化利用关键技术研究
一、研究背景
01 盾构渣土现状
近年来，我国城市化进程不断加快，建筑垃圾产量持续增长，其中约一半以上建筑垃圾为工程渣土。其资源化利用率低、大量堆积、填埋不仅挤占良田，污染水土资源、空气环境，甚至会造成严重的二次灾害，对生态环境与安全带来重大挑战。在国家“碳达峰、碳中和”、大宗固体废弃物综合利用及“无废城市”建设的政策导向下，做好工程渣土的利用工作是提升建筑垃圾资源化率的关键。
随着粤港澳大湾区建设以及深圳中国特色社会主义先行示范区建设的加速，珠三角城市地下轨道交通的建设也加速推进，据测算，未来10-15年该区域新增地铁里程将达2700公里，预计产生约1.35亿立方盾构渣土。然而，渣土消纳场地审批困难，盾构渣土还存在环境二次污染、引发潜在的危害等问题，盾构渣土的资源化利用已刻不容缓。
02 盾构渣土特性
在盾构施工中，为改善渣土的流动性、降低刀盘扭矩与磨损、优化掘进参数并提高掘进效率与成型质量，常需向土仓内添加泡沫剂或高分子聚合物等改良材料。
具体而言，对于细颗粒含量高的粘性土地层，通常采用泡沫剂来降低土体的粘附性，提高其和易性；对于砂层、卵石层等无粘性土地层，则多使用高分子聚合物（如膨润土、纤维素等），以增强土体的黏聚力与止水性，保持开挖面稳定。
施工后，外排的工程渣土中会残留这些添加剂。若渣土未经处理直接堆放，其中的泡沫剂、分散剂等化学物质可能随雨水淋溶下渗，对地下水及地表水造成污染。同时，残留的泡沫剂在雨水冲刷下易产生大量持续泡沫，不仅影响周边环境与正常作业，也可能引发公众疑虑。此外，由于添加剂保持水分的作用，渣土在堆放场中会长期处于高含水率、高流动性状态，存在边坡失稳、滑坡等安全隐患。
武汉地铁施工泡沫剂外溢
盾构现场泥浆压滤处理系统中的泡沫
盾构机穿越不同岩性地层，盾构渣土中石、砂、泥的比例及性质随着地层岩性的变化而变化
珠江三角洲水资源配置工程盾构隧洞总长度83.5 km，其中土压平衡盾构长度46.25km，泥水平衡盾构长度37.25 km。经工程设计土石方平衡后本工程淤泥质弃渣101.29万 m³(自然方)，一般土方弃渣151.11万 m³(自然方)，盾构土方弃渣量470.21万 m³(自然方)，石渣量310.02万 m³(自然方)，将弃渣折算成堆方共计1364.36万 m³。本团队依托珠三角水资源配置工程进行了盾构渣土资源化利用的研究。
二、盾构渣土高效分选体系的建立
光明段渣样：细度模数2.59，属中砂二区
顺德段渣样：细度模数0.79，属超细砂
渣土颜色、含水率、砂石含量、级配、强度等差别较大，原材料的剧烈波动也极大增加了渣土资源化处理的难度
针对土压平衡法及泥水平衡法，分别建立专属分选系统，将渣土分选为石子、砂子和泥饼，降低成分波动并实现减量化。分选时添加消泡剂、絮凝剂等药剂，结合针对性工艺完成无害化处理，重金属含量等指标达标。
工程现场-出渣口设置的渣土分选系统
在进一步在资源化处置过程中，免烧产品可实现污染物直接固化，烧结产品可实现污染物高温分解或固化。项目目前基本实现了渣土的分选处理，实现了渣土的减量化处理，兼具环境与经济效益。
三、盾构渣土资源化产品方案
01 分选产物应用
盾构渣土经高效分选后可以得到石子、砂子、渣泥三类产物，为更好实现废料高值化转化，团队针对性制定资源化利用方案，相关产品性能均符合对应标准要求。
分选出的砂子、石子及渣泥
1）石子资源化利用
石子作为混凝土骨料，可制备普通混凝土、自密实混凝土、透水混凝土及混凝土预制构件，强度可达C60 等级。在压碎值方面，虽然不满足混凝土原料标准，但可用于路基回填。此外，石子经破碎处理后，可以制备机制砂，降低孔隙率并提升筒压强度。
自密实混凝土
透水混凝土
石子用于路基回填
石子制作梁、板、柱等结构部件
2）砂子资源化利用
作为建筑用砂，砂子可用于制备普通混凝土、自密实混凝土、砂浆、透水砖、人行道地砖、灰砂砖、水泥混凝土砌块、免烧砖等。与石子一样，如果指标不满足建筑用砂标准时，可以用于路基回填。更进一步，砂子经粉磨制备成石粉，用于水泥砌块、免烧砖制备。
砂子制作免烧 砖砂子粉磨制备石粉
砂子制作透水砖 砂子用于普通混凝土
盾构渣土（泥饼）因其以氧化硅和氧化铝为主的稳定化学成分，具有广泛的资源化利用前景。它可直接作为免烧砖的主要原料，或作为工程回填土用于道路等交通工程，实现低成本、大批量处理。此外，它还可进一步加工用于生产各类建筑材料，如墙体材料、建筑陶瓷、多孔陶粒，以及作为水泥活性掺合料，甚至改良为种植用土，实现了从废弃物到多功能建材的转化。
02 资源化产品
1）水泥混凝土用活性掺合料：低碳又高效
渣土中含有的高岭石，经高温锻造后会转化为片高岭土，将其用作水泥混凝土掺合料，不仅拥有优秀的活性系数，能提升混凝土性能，还能显著降低生产过程中的碳排放，为建筑行业绿色转型添砖加瓦，助力环保目标实现。
渣土制备水泥活性掺合料
2）人造石：分级利用，零浪费
颗粒直径小于16 目的盾构渣土，可用于制作低强度洞石、地面材料或岩板，适配多种装修场景；颗粒直径大于16 目的盾构渣土，则能用于生产低性能地板，从源头避免浪费，让每一份渣土都发挥价值。
3）市政用地坪砖、草地砖：贴合标准，拓展应用
以盾构渣土为原料制成的市政用地坪砖、草地砖，完全符合市政行业标准，质量可靠。这一创新应用，不仅为市政建设提供了性价比更高的材料选择，也进一步拓宽了盾构渣土的资源化利用场景，推动市政工程与环保理念深度融合。
4）免烧砖：适配场景多样
渣土掺量70% 时强度满足 MU15 等级，掺量 80% 时满足 MU10 等级，系统优化胶凝材料、外加剂配比，减碳降耗效果显著，是免烧砖的好原料。
干泥制成免烧砖流程
5）陶瓷原料：优化性能，品质出众
渣泥除铁后可烧制成建筑陶瓷。通过磁选法去除渣土中的铁元素后，其可作为优质陶瓷原料。在烧成温度不变的前提下，只需适当增加保温时长，就能让陶瓷的抗折强度大幅提高，仿古陶瓷砖抗折强度49MPa，同时吸水率稳定保持在0.01% 的超低水平，兼顾性能与品质，为陶瓷行业提供了新型环保原料。
6）多孔陶粒：建筑与绿植同护
作为工程用土，用于交通工程回填，还可大批量处理泥饼，成本较低。通过压滤泥饼还可以制备种植用陶粒，具有保水保肥、抗板结抗干旱的作用，作物长势优于普通土壤。
建筑用大陶粒及种植用陶粒土壤
7）多孔陶瓷：性能优越，应用广泛
借助有机模板法、原生发泡法等先进技术，盾构渣土成功转化为多孔陶瓷。这类多孔陶瓷不仅质地轻盈，更具备出色的强度——相比市面同类产品，强度提高了6-10倍，抗折性能也显著提升。
渣泥制备多孔陶瓷
团队开发出的晶须增强多孔陶瓷
凭借上述优势，开发出多种多孔陶瓷，广泛应用于吸声降噪、保温隔热、催化剂载体、吸音、保水、保肥料等领域，具有广泛应用前景，为多个行业的环保升级提供新方向。
四、总结与展望
本研究针对盾构渣土处置难、资源化利用率低等突出问题，系统开展了从高效分选到高值化利用的全链条关键技术研发与示范。通过建立适配于土压与泥水平衡盾构的专用分选体系，成功将成分复杂、波动大的盾构渣土转化为石子、砂子、渣泥（泥饼）三类规格化原料，实现了渣土的减量化与无害化预处理。
在此基础上，本研究提出并验证了多层次、多渠道的资源化产品方案：
•大宗利用：分选出的砂、石可直接用于制备各类混凝土、砂浆、路基回填等，技术成熟，消纳量大。
•高值转化：针对传统难以处理的渣泥（泥饼），开发了包括水泥活性掺合料、免烧砖、陶瓷砖、多孔陶粒、多孔陶瓷、人造石等在内的多元化产品路径，实现了从废弃物到绿色建材的跨越。
•协同降碳：资源化产品在生产过程中显著降低了天然资源消耗与碳排放，如活性掺合料、免烧砖等产品，为建筑行业绿色低碳转型提供了切实可行的解决方案。
本技术的成功应用表明，盾构渣土并非“废弃物”，而是可规模化利用的“城市矿产”。通过科技赋能，可实现生态环境保护、城市安全运行与循环经济效益的多赢。未来，随着技术标准的完善、产业链的打通及政策支持的加强，盾构渣土资源化利用技术有望在全国轨道交通、地下工程等领域广泛推广，为“无废城市”建设与“双碳”目标的实现贡献重要力量。
