絮凝剂对含残余泡沫的EPB盾构废弃渣土原位再生潜力的影响机制研究

针对EPB盾构施工中大量含泡沫废弃渣土难以高效回收的难题，研究人员系统探究了有机/无机絮凝剂(CPAM/NPAM/APAM/PACL)对渣土消泡-絮凝-脱水行为的影响，揭示了PACL最优脱水性能但泡沫抑制效率最低的特性，建立了TSS与MC的线性负相关模型，为盾构渣土绿色再生提供了理论依据和技术支撑。

　　

随着中国城市地铁建设的迅猛发展，盾构施工产生的废弃渣土处理已成为严峻的环境挑战。仅过去十年，中国地铁隧道工程就产生了超过2.7亿立方米的渣土，这些高含水率、低机械强度的废弃物传统上采用填埋处理，不仅造成资源浪费，更引发地质灾害——2016年深圳渣土填埋场滑坡事故导致77人死亡。特别是在采用土压平衡(EPB)盾构时，为改善渣土流动性而添加的泡沫剂会残留于废弃物中，使得常规絮凝脱水工艺效率低下。如何实现含泡沫渣土的高效原位再生，成为当前隧道工程可持续发展的关键瓶颈。

厦门地铁3号线工程团队联合学术机构，在《Soils and Foundations》发表研究，通过改良的实验室絮凝压滤装置，系统评估了四种絮凝剂（阳离子聚丙烯酰胺CPAM、非离子聚丙烯酰胺NPAM、阴离子聚丙烯酰胺APAM和聚合氯化铝PACL）对含残余泡沫渣土的消泡-絮凝-脱水行为影响。研究采用残余泡沫高度、消泡率(DFR)、抑泡率(AFR)、总悬浮物(TSS)、浊度、含水率(MC)和zeta电位(ZP)等指标，结合纳米粒度分析和扫描电镜(SEM)技术，首次揭示了不同类型絮凝剂在含泡沫渣土处理中的效能差异和作用机制。

关键技术方法包括：构建几何相似比为1/50的实验室级絮凝槽模型，模拟现场动态絮凝过程；采用改进的压力过滤装置（空气压力100kPa，停留时间20分钟）评估脱水性能；通过便携式浊度计、玻璃纤维膜过滤和Zetasizer Pro分析仪分别测定TSS、浊度和ZP；利用场发射扫描电镜观察压滤饼微观结构。

研究结果部分：
4.1 有机/无机絮凝剂对消泡-絮凝-脱水特性的影响
NPAM和APAM能显著降低泡沫高度(H_f)和液面高度(H_s)，其中NPAM使DFR最大降低36.48%。PACL在0.08wt%剂量时达到最佳脱水效果（MC=73.91wt%），但泡沫抑制效率最低。CPAM因阴离子表面活性剂(AES)的电荷中和作用而表现最差。

4.2 渣土干质量(MDM)的影响
当MDM增至30wt%时，NPAM处理的混合物无法分层。PACL的TSS和浊度增幅分别达936.30%和2474.95%，远高于NPAM。MC随MDM增加呈非线性变化，NPAM处理的MC在20wt% MDM时出现峰值(130.43wt%)。

4.3 细粒含量(FC)的影响
FC在0-50wt%范围内，PACL和NPAM的DFR分别提升34.16%和36.48%。NPAM的AFR在30wt% FC时达到峰值6.85vol%。PACL的TSS和浊度最大增幅为76.14%和33.95%，而NPAM呈现先升后降趋势。

4.4 微观结构分析
PACL和NPAM的絮体平均尺寸分别在0.04wt%和0.08wt%剂量时达到峰值1761nm和3108nm。SEM显示NPAM和APAM在压滤饼表面形成聚合物薄膜，包裹大量絮体。

4.5 絮凝与脱水指标的关联性
建立TSS与MC的线性负相关模型(R²=0.80-0.88)，证明絮凝效率与脱水效率存在此消彼长的关系，CPAM因斜率最大(635.53)表现最差。

该研究创新性地提出：PACL虽具有最优脱水性能，但其泡沫抑制能力不足；NPAM在泡沫控制方面表现突出但脱水效率较低。这种"效率悖论"说明实际工程中需根据MDM、FC动态调整絮凝剂配比。研究建立的定量关系模型为EPB盾构渣土处理工艺优化提供了重要依据，对实现"双碳"目标下的建筑废弃物资源化具有显著意义。特别是发现CPAM不适用于含泡沫渣土处理的结论，纠正了当前工程实践中普遍存在的认知误区。未来研究可进一步探索机械参数（搅拌速度、过滤压力）与絮凝剂协同作用机制，推动隧道工程向绿色化、智能化方向发展。