范 宇

(上海地礦工程勘察有限公司/大都市區(qū)國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，上海 200072)

1 引言

近年來(lái)，重金屬污染事件頻繁發(fā)生，已嚴(yán)重影響到我國(guó)的土壤環(huán)境質(zhì)量和糧食安全。重金屬污染土壤具有成因復(fù)雜、污染范圍廣、治理成本高等特點(diǎn)[1]。尤其是上海地處長(zhǎng)江三角洲，地下潛水位高、地表水系發(fā)達(dá)，淺部存在各類(lèi)填土(雜填土、素填土、沖填土)及暗浜，且不同區(qū)域潛水含水層的地層組合存在顯著差異，水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，加之工業(yè)歷史悠久，土壤不可避免地面臨著嚴(yán)重的污染問(wèn)題。因此，在上海地區(qū)關(guān)于重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的研究也備受關(guān)注。

在原位修復(fù)施工中，修復(fù)藥劑在污染土壤中的分散程度是保證修復(fù)效果的關(guān)鍵，由于上海地區(qū)低滲透性，高黏性土質(zhì)的污染場(chǎng)地較多，修復(fù)藥劑很難與污染土壤中的污染物接觸反應(yīng)，因此可以通過(guò)傳統(tǒng)的巖土施工設(shè)備將修復(fù)藥劑注入到污染土壤中，實(shí)現(xiàn)藥劑與污染土壤的有效均勻混合，從而提升污染場(chǎng)地的修復(fù)效果。如高駿采用高壓旋噴注漿法和深層攪拌法對(duì)南京市某老工業(yè)區(qū)有機(jī)物污染土壤進(jìn)行了修復(fù)[2]，王錦淮等利用高壓旋噴樁和攪拌樁注漿法對(duì)上海市某開(kāi)發(fā)區(qū)的有機(jī)物土壤進(jìn)行了修復(fù)[3]，修復(fù)效果較為理想，但上述技術(shù)在應(yīng)用工程中也存在一系列問(wèn)題未能有效克服，如修復(fù)藥劑腐蝕巖土設(shè)備、修復(fù)后土體的地基承載力不能滿(mǎn)足后期開(kāi)發(fā)需求等。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套壓密注漿-原位固化修復(fù)工藝，采用傳統(tǒng)的壓密注漿技術(shù)，通過(guò)鉆孔的方式，將高濃度的修復(fù)藥劑(或特定的漿液)在一定的預(yù)加壓力下注入污染土體，利用水泥漿液本身的物理固化作用，使污染土體形成低滲透系數(shù)的固化體，將污染物較長(zhǎng)期的封存在一定范圍內(nèi)，進(jìn)而降低污染物遷移性和溶解度的技術(shù)[4]。并成功應(yīng)用于上海城區(qū)某重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)施工中，既保證了土壤的修復(fù)效果，方案切實(shí)有效，也保障了場(chǎng)內(nèi)歷史保留建筑物不受影響，同時(shí)降低了工程造價(jià)，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 壓密注漿-原位固化工藝設(shè)計(jì)

2.1 原位固化藥劑篩選

目前常用的土壤重金屬修復(fù)技術(shù)主要包括挖掘、穩(wěn)定化/固化、化學(xué)淋洗、氣提、熱處理、生物修復(fù)等。其中固化/穩(wěn)定化技術(shù)是一種比較成熟的廢物處置技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于土壤重金屬修復(fù)的工程領(lǐng)域。土壤重金屬固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)指運(yùn)用物理或化學(xué)的方法將土壤中的有毒重金屬固定起來(lái)，或者將重金屬轉(zhuǎn)化成化學(xué)性質(zhì)不活潑的形態(tài)，阻止其在環(huán)境中遷移、擴(kuò)散等過(guò)程，從而降低重金屬的毒害程度的修復(fù)技術(shù)。與其他技術(shù)相比，該技術(shù)具有處理時(shí)間短、適用范圍較廣等優(yōu)勢(shì)。

常用的固化劑可以分為以下4 類(lèi)：①無(wú)機(jī)粘結(jié)物質(zhì)，如水泥[5]、石灰等；②有機(jī)粘結(jié)劑，如瀝青等熱塑性材料；③熱硬化有機(jī)聚合物，如尿素、酚醛塑料和環(huán)氧化物等；④玻璃質(zhì)物質(zhì)。由于技術(shù)和費(fèi)用等方面的原因，水泥和石灰等無(wú)機(jī)材料為基料的固化/穩(wěn)定化應(yīng)用最為廣泛。其中，水泥作為固化劑時(shí)，固化體的組織比較緊實(shí)，耐壓性好；材料易得、成本低；技術(shù)成熟，操作處理比較簡(jiǎn)單；可以處理多種污染物，處理過(guò)程所需時(shí)間較短。因此本文采用水泥作為重金屬污染土壤的固化修復(fù)藥劑。

2.2 原位注入方式篩選

壓密注漿是利用較高的壓力灌入濃度較大的水泥漿或化學(xué)漿液，注漿開(kāi)始時(shí)漿液總是先充填較大的空隙，然后在較大的壓力下滲入土體孔隙。隨著土層孔隙水壓力升高擠壓土體，直至出現(xiàn)剪切裂縫，產(chǎn)生劈裂，漿液隨之充填裂縫，形成漿脈，從而將土體擠密，構(gòu)成了新的漿脈復(fù)合地基，改善了土體的強(qiáng)度和防滲性能，同時(shí)也改變了土體物理力學(xué)性質(zhì)，提高了軟土地基的承載力。

傳統(tǒng)壓密注漿技術(shù)應(yīng)用于原位固化修復(fù)中，與其他修復(fù)技術(shù)(如異位開(kāi)挖修復(fù)、原位注藥修復(fù)、化學(xué)淋洗等)相比，該技術(shù)具有成本低、施工方便、處理后的土強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于修復(fù)上海地區(qū)地層差異顯著的重金屬污染場(chǎng)地[6,7]。

本文以上海城區(qū)某重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)施工為例，因原場(chǎng)地內(nèi)污染區(qū)域內(nèi)有遺留的歷史保留建筑物，無(wú)法進(jìn)行基坑開(kāi)挖，采用壓密注漿-原位固化修復(fù)取代了傳統(tǒng)的基坑開(kāi)挖異位修復(fù)技術(shù)。通過(guò)該項(xiàng)目的成功實(shí)施，從原位鉆孔、到壓密注漿，再到現(xiàn)場(chǎng)采樣進(jìn)行效果評(píng)估，壓密注漿-原位固化工藝既保證了土壤的修復(fù)效果，方案切實(shí)有效，也保障了場(chǎng)內(nèi)歷史保留建筑物不受影響，項(xiàng)目順利通過(guò)了竣工驗(yàn)收。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 壓密注漿-原位固化修復(fù)工藝流程

結(jié)合壓密注漿的基本原理及以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的的壓密注漿-原位固化工藝適用條件如下。

(1)場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜，工期緊張，施工條件、資金有限的場(chǎng)地。

(2)場(chǎng)地覆有較深的雜填土，且污染土體以滲透性較差的粉質(zhì)黏土為主。

(3)污染深度不宜太大，6.0 m以淺為宜，超過(guò)此深度的需通過(guò)工程實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

3 項(xiàng)目概況

3.1 項(xiàng)目信息

該項(xiàng)目場(chǎng)地位于上海市區(qū)，占地面積約46448 m2，歷史上為工業(yè)用地，場(chǎng)地現(xiàn)狀主要為建筑拆除后的空地，局部存在歷史保留建筑物。規(guī)劃作為商業(yè)服務(wù)用地、文化用地及辦公用地，屬于第二類(lèi)用地類(lèi)型。場(chǎng)地四周敏感目標(biāo)有學(xué)校、養(yǎng)老院、居民區(qū)等。不宜采用對(duì)周?chē)h(huán)境影響較大的工藝進(jìn)行修復(fù)。

3.2 場(chǎng)地地質(zhì)

根據(jù)前期場(chǎng)地調(diào)查的最大鉆探深度為12.0 m，根據(jù)鉆孔資料可知，12.0 m以淺范圍內(nèi)的土層主要由填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，鉆探點(diǎn)的穩(wěn)定水位埋深在0.92～2.87 m之間。

3.3 污染狀況

根據(jù)前期場(chǎng)地調(diào)查可知，場(chǎng)地內(nèi)重金屬鉛污染區(qū)域周長(zhǎng)116.4 m，面積535 m2，污染深度為5.5 m；重金屬砷污染區(qū)域周長(zhǎng)101.7 m，面積700 m2，污染深度為2.0 m。兩部分區(qū)域都涉及歷史保留建筑物。其污染物的最高檢出濃度及修復(fù)目標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地污染特征及修復(fù)目標(biāo)值

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況及污染特征，若采用傳統(tǒng)的基坑開(kāi)挖異位固化穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)，在施工中將遇到以下4個(gè)難點(diǎn)。

(1)部分污染區(qū)域位于歷史保留建筑物內(nèi)部，現(xiàn)場(chǎng)地坪破碎、基坑開(kāi)挖等，必然會(huì)對(duì)該建筑物的穩(wěn)定性造成一定影響。

(2)現(xiàn)場(chǎng)涉及大于5.0m的深基坑開(kāi)挖，需編制專(zhuān)項(xiàng)方案并組織專(zhuān)家評(píng)審，周期較長(zhǎng)且安全性有待考慮。

(3)基坑開(kāi)挖、圍護(hù)及支撐、污染土短駁等都需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，項(xiàng)目管理也較為復(fù)雜。

(4)場(chǎng)地位于上海市區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)大量的地坪破碎、開(kāi)挖、藥劑投加、攪拌、污染土短駁等工作，對(duì)周邊敏感目標(biāo)影響較大。

鑒于以上因素，考慮到污染區(qū)域內(nèi)歷史保留建筑物的穩(wěn)定性，以及污染較為嚴(yán)重的深度范圍主要為粉質(zhì)黏土層，結(jié)合以往的工程施工經(jīng)驗(yàn)，采用壓密注漿-原位固化修復(fù)的方式對(duì)本項(xiàng)目開(kāi)展修復(fù)施工。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

4.1 現(xiàn)場(chǎng)施工工藝參數(shù)確定

在小試及現(xiàn)場(chǎng)中試的基礎(chǔ)上，最終確定了本場(chǎng)地壓密注漿-原位固化修復(fù)施工工藝參數(shù)。

(1)注漿孔位設(shè)置：現(xiàn)場(chǎng)注漿孔按三角形布置，線距為2 m，縱距為1 m，注漿孔深度根據(jù)污染區(qū)域深度分別設(shè)置為2.0 m和5.5 m。

(2)注漿順序：先外排帷幕，再內(nèi)排，最后中間排；先下部，后上部；為防止相鄰兩孔竄漿，采用隔空跳打注漿。為保證注漿的質(zhì)量和效果，間隔跳打注漿分為兩次，中間間隔時(shí)間為3 h，即待第一次注入漿液初凝后，再進(jìn)行第二次跳打注漿。

(3)注漿壓力、流量及注漿率：外部帷幕為0.2～0.3 MPa，中間部分為0.3～0.4 MPa。注漿流量為5～10 L/min，注漿率為16%～20%。

(4)注漿材料：采用普通42.5型硅酸鹽水泥，注漿的漿液水灰比為0.5～0.6。

(5)注漿方式：每套設(shè)備由一臺(tái)注漿泵、注漿管、流量計(jì)、壓力表及拌藥桶組成。首先將水泥按照設(shè)計(jì)配比在藥劑桶中配置完成，注漿時(shí)先將打孔注漿管壓入預(yù)定標(biāo)高(鎬頭機(jī)和小型手動(dòng)震動(dòng)器配合)，然后通過(guò)流量計(jì)進(jìn)行注漿量的控制。現(xiàn)場(chǎng)深度2.0 m的注漿孔，因土層主要為雜填土層及少許的粉質(zhì)黏土層，雜填土中土壤孔隙較大，一次連續(xù)注入即可達(dá)到設(shè)計(jì)量；深度5.5 m的注漿孔，因土層主要為粉質(zhì)黏土層及少許的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，相較于雜填土，土壤孔隙率較小，滲透性較低，通過(guò)一段時(shí)間的注入后，若漿液從孔中或其它地方冒出，此時(shí)需暫停注漿，并進(jìn)行注漿管的提升(每次提升高度不超過(guò)5 cm，累計(jì)提升不超過(guò)30 cm)，3 h后再繼續(xù)注漿，以此反復(fù)，確保注入量達(dá)到設(shè)計(jì)量。

(6)鑒于注漿孔周邊存在建筑物基礎(chǔ)、土層孔隙率差異較大的特征，施工過(guò)程中需根據(jù)實(shí)際情況(注漿速率、冒漿、串漿等)對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行微調(diào)修正，特別是水灰比和注漿壓力，以確保土壤孔隙填充的均勻性和密實(shí)度[8]。同時(shí)為了保證場(chǎng)地原有建筑物的基礎(chǔ)，修復(fù)施工過(guò)程中需加強(qiáng)對(duì)周邊保護(hù)建筑物的監(jiān)測(cè)，如若出現(xiàn)異常情況立即停止施工，并調(diào)整工藝參數(shù)等，確保修復(fù)工作安全可靠。

4.2 施工流程

根據(jù)前文確定的工藝參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)在區(qū)域Ⅰ布設(shè)注漿孔395個(gè)，深度為2.0 m，最終累計(jì)注入水泥漿液53 t；在區(qū)域Ⅱ布設(shè)注漿孔222個(gè)，深度為5.5 m，最終累計(jì)注入漿液93 t。所有孔位的布設(shè)均避開(kāi)建筑物基礎(chǔ)30 cm以上。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)壓密注漿原位固化修復(fù)流程圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)壓密注漿流程

4.3 效果評(píng)估

4.3.1 評(píng)估方式

本項(xiàng)目重金屬污染區(qū)域經(jīng)壓密注漿-原位固化修復(fù)施工后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)結(jié)束進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的效果評(píng)估，其中包括修復(fù)效果評(píng)估和工程性能評(píng)估。

(1)原位修復(fù)效果評(píng)估：嚴(yán)格按照《污染地塊風(fēng)險(xiǎn)管控與土壤修復(fù)效果評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則(試行)》(HJ 25.5-2018)的相關(guān)要求進(jìn)行修復(fù)后區(qū)域的效果評(píng)估點(diǎn)位布設(shè)。

區(qū)域Ⅰ：污染區(qū)域內(nèi)布設(shè)4個(gè)點(diǎn)位，采集1.8～2.0 m深度范圍內(nèi)的土壤樣品，區(qū)域邊界布設(shè)6個(gè)點(diǎn)位，分別采集0～0.2 m、1.8～2.0 m土壤樣品。

區(qū)域Ⅱ：污染區(qū)域內(nèi)布設(shè)5個(gè)點(diǎn)位，采集5.3～5.5 m深度范圍的土壤樣品，區(qū)域邊界布設(shè)6個(gè)點(diǎn)位，分別采集0～0.2 m、2.8～3.0 m、5.3～5.5 m深度范圍的土壤樣品。

(2)工程性能評(píng)估：在原位修復(fù)區(qū)域進(jìn)行采樣，于每個(gè)區(qū)域內(nèi)任意2個(gè)注藥孔中間位置布設(shè)一個(gè)點(diǎn)位，同時(shí)在該修復(fù)區(qū)域外布設(shè)一個(gè)點(diǎn)位采集相同深度的土壤樣品作為工程性能評(píng)估的對(duì)照樣品。

4.3.2 評(píng)估結(jié)果

對(duì)壓密注漿-原位固化修復(fù)區(qū)域目標(biāo)污染物進(jìn)行浸出毒性評(píng)估結(jié)果顯示，所有樣品檢測(cè)值均小于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)值，修復(fù)達(dá)標(biāo)，詳見(jiàn)表2。土體工程性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果顯示，區(qū)域內(nèi)土體的抗壓強(qiáng)度均大于周邊土體的抗壓強(qiáng)度，滲透系數(shù)均小于周邊土體的滲透系數(shù)或≤10～6 cm/s，滿(mǎn)足評(píng)估要求,詳見(jiàn)圖3和圖4。

表2 目標(biāo)污染物檢測(cè)結(jié)果

圖3 不同深度土體修復(fù)后抗壓強(qiáng)度對(duì)比

圖4 不同深度土體修復(fù)后滲透系數(shù)對(duì)比

從圖3、4中可以看出，本項(xiàng)目經(jīng)壓密注漿-原位固化修復(fù)后，2.0～5.5 m的土壤抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)量明顯小于2.0 m以淺土壤；2.0～5.5 m土壤滲透性的改善情況也明顯弱于2.0 m以淺土壤。原位固化修復(fù)方法在2.0 m以淺土壤的修復(fù)效果非常明顯，自2.0 m開(kāi)始，隨著深度增加，修復(fù)效果開(kāi)始逐漸減弱。但5.5 m以淺的土壤修復(fù)效果均可以滿(mǎn)足現(xiàn)行的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論與建議

(1)壓密注漿-原位固化修復(fù)技術(shù)在本項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，取得了較好的工程效果。但在施工過(guò)程中，要時(shí)刻注意施工反饋信息，并據(jù)此對(duì)應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，可以更加有效的提高修復(fù)的質(zhì)量[9]。

(2)壓密注漿-原位固化修復(fù)技術(shù)適用于污染土體滲透性能較小的粉質(zhì)黏土的場(chǎng)地，工程實(shí)施時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況調(diào)整相關(guān)工藝參數(shù)，避免造成浪費(fèi)和二次污染[10]。

(3)壓密注漿-原位固化修復(fù)技術(shù)相比于異位開(kāi)挖修復(fù)技術(shù)具有工期短，效率高，費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了其他巖土施工設(shè)備在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，在上海地區(qū)重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)中具有較大的應(yīng)用前景。