郭建強(qiáng) 趙連軍 趙文文

（南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司 江蘇南京 210000）

引言

城市軌道交通是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，在節(jié)約能源、解決城市交通擁堵、促進(jìn)城市發(fā)展等方面起到非常重要的作用。隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市的人口數(shù)量不斷增加，城市軌道交通的地位愈發(fā)重要。截至2020 年末，我國已有至少45 個城市擁有城市軌道交通系統(tǒng)。而由于當(dāng)前城市土地資源緊張，城市軌道交通多利用地下空間規(guī)劃線路，因此，地鐵建設(shè)就成為城市軌道交通的發(fā)展重點。

地鐵施工的方法主要有盾構(gòu)法、新奧法、明挖法、礦山法等。盾構(gòu)法由于其占用地面資源少、受天氣影響小、挖方量少、施工效率高等特點，成為我國目前地鐵建設(shè)主要的施工方法。盾構(gòu)施工中較常見的施工方法為土壓平衡法。該法適用于粘土土層、卵石層、風(fēng)化巖地層和砂土地層等多種地層施工，但在復(fù)雜地層施工時，會遇到噴泥和涌砂等現(xiàn)象，導(dǎo)致土倉內(nèi)出現(xiàn)結(jié)餅、閉塞等一系列問題，對施工造成不利影響。對土體進(jìn)行改良是解決這一問題的有效辦法，土體改良劑一般包括礦物類物質(zhì)、水溶性的樹脂和其他高分子材料、泡沫劑等等。與其他類型的改良劑相比，泡沫劑在土體中有較強(qiáng)的適用性，能夠讓盾構(gòu)機(jī)在多種地層中順利掘進(jìn)，減少盾構(gòu)機(jī)刀具磨損，避免土倉內(nèi)出現(xiàn)堵塞，提高掘進(jìn)速度和推進(jìn)效率，降低施工成本，因此在盾構(gòu)施工中得到廣泛使用。

盾構(gòu)施工所用的泡沫劑主要是由一種或多種表面活性劑與穩(wěn)定劑、滲透劑等復(fù)配而成。目前國內(nèi)對于盾構(gòu)施工中添加至土體內(nèi)的泡沫劑幾乎沒有回收或處理的方法，主要靠在自然環(huán)境中降解來消除，因此有必要針對泡沫劑對自然環(huán)境的影響進(jìn)行研究和探討。本文以南京至句容城市軌道交通工程一標(biāo)段為例，對該標(biāo)段使用的盾構(gòu)泡沫劑物化特性、毒性、可降解性等性質(zhì)和對環(huán)境的影響進(jìn)行研究分析。

1 泡沫劑主要組分

南京至句容城際軌道交通工程一標(biāo)段所用泡沫劑為淡黃色透明狀液體，密度為1.020g/m3（25℃），水溶性強(qiáng)。泡沫劑主要組分包括脂肪醇聚氧乙烯硫酸鈉（AES）、椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）和聚丙烯酰胺（PAM），此外還包括水和極少量無機(jī)鹽。

2 泡沫劑各組分的性質(zhì)

2.1 脂肪醇聚氧乙烯硫酸鈉（AES）

脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）是一種烷基硫酸鹽的改性產(chǎn)物，由脂肪醇聚氧乙烯醚與三氧化硫反應(yīng)酸化后，再使用相應(yīng)的堿中和制得。外觀為淺黃或白色凝膠狀膏體，結(jié)構(gòu)式為RO（CH2CH2O）nSO3Na。AES 由于在分子結(jié)構(gòu)中嵌入了聚氧乙烯鏈，因此同時具有陰離子和非離子表面活性劑的部分特性，其潤濕性、水溶性和起泡性要強(qiáng)于一般的烷基硫酸鹽，但刺激性要比烷基硫酸鹽低。AES 在日化用品中有廣泛的應(yīng)用，如洗浴液、洗手液和香波中，也可以作為抗靜電劑、乳化劑、潤濕劑、分散劑、潤滑劑、滲透劑和軟化劑的成分，應(yīng)用于金屬加工、紡織、造紙和農(nóng)藥等工業(yè)領(lǐng)域之中。AES 的LD50（半致死量）在4000mg/kg～10000mg/kg 之間[1]，屬于毒性很低的物質(zhì)。與大部分陰離子表面活性劑相比，AES 對皮膚的刺激性很低，但AES 如未經(jīng)稀釋，會對眼睛造成較嚴(yán)重的刺激。在自然環(huán)境中，AES 的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從大分子逐步降解成CO2、NH3和H2O 等小分子，從而導(dǎo)致AES 的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。在有氧條件下，AES 能以很快的速度完全降解。例如C12AE3S，穩(wěn)定期內(nèi)初級生物降解率為99.2%，顯示AES 可以通過生物降解的方式來除去；而最終生物降解率為95.5%，表明其具有很強(qiáng)的生物降解能力，且在自然環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)最終生物降解[2]。

2.2 脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）

脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）是非離子表面活性劑當(dāng)中應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的品種之一，其結(jié)構(gòu)式為RO（CH2CH2O）nH，性狀一般為無色液體或蠟狀物。其中n 為環(huán)氧乙烷的加成數(shù)，n 越大，分子中的氧原子數(shù)量越多，與水就能形成更多的氫鍵，水溶性就越強(qiáng)。AEO 的碳鏈長度、環(huán)氧乙烷加成數(shù)及分布對其物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用性能有很大影響。當(dāng)碳原子數(shù)為7 至9，氧乙烯基數(shù)量n 為5 時，這種脂肪醇聚氧乙烯醚稱作滲透劑（JFC），在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛使用。

AEO 被認(rèn)為是毒性最低的一類表面活性劑[3]，對環(huán)境十分友好，還具有不錯的生物降解能力。研究表明，在好氧和厭氧條件下，AEO 都會發(fā)生降解，但厭氧條件下的降解率略高于好氧條件。而且氧乙烯基數(shù)量越小，AEO 越易降解。例如AEO2在厭氧條件下發(fā)生初級生物降解，6 小時后降解率能達(dá)到90%，氧乙烯基數(shù)量最多的AEO54降解率也能達(dá)到62.9l%[4]。因此AEO 屬于易生物降解的非離子性表面活性劑。

2.3 椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）

椰油酰胺丙基甜菜堿（CAB）性狀為透明的淡黃色液體，性能溫和，刺激性小，使用時能夠產(chǎn)生大量且穩(wěn)定的泡沫，且具有調(diào)節(jié)黏度及殺菌作用，因此廣泛用作潤濕劑、洗滌劑、殺菌劑及增稠劑等。CAB 分子結(jié)構(gòu)中，正電荷是由氮原子上的固定鍵合產(chǎn)生的，其季氮原子上連有一個帶負(fù)電荷的羧酸取代基團(tuán)。由于季銨基的強(qiáng)電子誘導(dǎo)作用，羧基都以鹽式基團(tuán)存在[5]，因此CAB 屬于一種兩性表面活性劑。

根據(jù)對鼠類的急性口服毒性LD50的測定，CAB結(jié)果為6.45mL/kg，與乙醇的LD50（6670mg/kg）接近[6]，毒性較低。此外CAB 刺激性較低，將CAB 與陰離子表面活性劑復(fù)配使用時，也可以觀察到陰離子表面活性劑的刺激性顯著降低。這種現(xiàn)象稱之為兩性表面活性劑對陰離子表面活性劑的解毒性。同時CAB也具有良好的生物降解性，密閉瓶試驗中BOD28/DOC值至少達(dá)到60%，而在改良法OECD 篩選試驗中，至少可以消除70%DOC（最終降解度）[7]。

2.4 聚丙烯酰胺（PAM）

聚丙烯酰胺（PAM）是一種線型高分子聚合物，性狀為白色無味的顆?；蚍勰?，無腐蝕性，可溶于水，不溶于乙醇，具有良好的熱穩(wěn)定性、絮凝性、粘合性、降阻性和增稠性。聚丙烯酰胺本身為低毒或無毒，然而用于制備聚丙烯酰胺的單體丙烯酰胺（AM）有一定的毒性，會對神經(jīng)系統(tǒng)造成一定的損傷，人體中毒后會表現(xiàn)出四肢乏力、運(yùn)動失調(diào)、肌肉疼痛甚至萎縮等癥狀，因此很多國家均規(guī)定了聚丙烯酰胺工業(yè)產(chǎn)品中的丙烯酰胺含量限值，丙烯酰胺殘留量限值一般規(guī)定在0.05%～0.5%，用于工業(yè)和城市污水的凈化處理時，一般允許丙烯酰胺殘留量在0.2%以下，用于直接飲用水處理時，丙烯酰胺殘留量需在0.05%以下[8]。聚丙烯酰胺在化學(xué)、物理及生物因素的作用下，會分解成小分子或簡單分子，甚至進(jìn)一步分解為CO2、H2O 及硝酸鹽。而在自然條件下，聚丙烯酰胺會發(fā)生緩慢降解，生成各種低聚物及丙烯酰胺單體。由于丙烯酰胺單體的毒性，可能對環(huán)境和人體造成間接或直接危害，因此研究聚丙烯酰胺在自然環(huán)境中的降解，對其應(yīng)用的安全性十分必要。土壤中的聚丙烯酰胺在酰胺酶作用下可較快進(jìn)行生物降解，分解出的單體丙烯酰胺可在土壤中繼續(xù)降解，并為土壤微生物提供碳源。有研究表明30℃時將丙烯酰胺加入到花園土后，降解非常迅速。5 天后已無法檢測到丙烯酰胺單體存在，同時丙烯酰胺的分解產(chǎn)物還為土壤提供氮源和碳源[9]，有利于土壤內(nèi)微生物的生長。

3 泡沫劑對環(huán)境的影響

泡沫劑在地鐵隧道盾構(gòu)施工過程中會部分殘留在土壤里，可能改變原土壤的性質(zhì)，提高原土壤的含水率。如果泡沫劑的組分可降解性差，或者泡沫劑的組分及其降解產(chǎn)物毒性較強(qiáng)，會對土壤造成污染。而盾構(gòu)施工開挖出的渣土泥漿中若含有大量泡沫劑，也會導(dǎo)致盾構(gòu)渣土泥漿脫水困難，渣土的流塑性變強(qiáng)，在堆土場堆放時易滑坡，引發(fā)安全和環(huán)境問題。此外在穿越水體處進(jìn)行盾構(gòu)施工時，若地層含有囊狀沼氣，沼氣可能會夾帶土壤中部分泡沫劑通過地層的孔隙溢出進(jìn)入水體中，不但會引發(fā)公眾關(guān)注，如果泡沫劑中含有毒性強(qiáng)、高污染的物質(zhì)，還會對地表水環(huán)境造成污染。因此，盾構(gòu)施工所用的泡沫劑應(yīng)當(dāng)具有降解性好、組分及其降解產(chǎn)物低毒或者無毒等特征，方可在施工中避免造成對環(huán)境的負(fù)面影響。

通過對南京至句容城際軌道交通工程一標(biāo)段使用的泡沫劑各組分性質(zhì)分析可知，該標(biāo)段所用泡沫劑主要成分毒性低，具有良好的可降解性，對環(huán)境友好，降解的最終產(chǎn)物主要為CO2和H2O。為更好的了解該泡沫劑組分降解過程，根據(jù)泡沫劑組分均為有機(jī)物這一特點，本文對南京至句容城際軌道交通工程一標(biāo)段盾構(gòu)開挖的渣土存放不同時間后的有機(jī)碳（TOC）濃度進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果如表1、圖1 所示。

表1 不同存放時間的盾構(gòu)渣土有機(jī)碳（TOC）含量一覽表

圖1 不同存放時間的盾構(gòu)渣土有機(jī)碳（TOC）含量曲線圖

由表1 的監(jiān)測數(shù)據(jù)及圖1 可以看出，隨著盾構(gòu)渣土存放時間變長，渣土中的TOC 的含量迅速降低，存放7 天后渣土中的TOC 含量就減少了82.2%（減少5.1g/kg），而存放15 天后渣土中的TOC 含量更是已經(jīng)低于檢出限。由此可知，南京至句容城際軌道交通工程一標(biāo)段所用的泡沫劑各組分在土壤中具有良好的可降解性，不會對環(huán)境造成污染。

結(jié)語

地鐵工程作為大型基礎(chǔ)建設(shè)項目，施工期間對沿線環(huán)境的各種影響不容小覷。本文結(jié)合南京至句容城際軌道交通工程一標(biāo)段的工程實際情況，針對地鐵隧道盾構(gòu)施工使用的泡沫劑對環(huán)境的影響進(jìn)行了研究和分析，結(jié)果表明，該標(biāo)段所用的泡沫劑環(huán)境友好、可降解性強(qiáng)，對環(huán)境不會造成污染。地鐵工程進(jìn)行盾構(gòu)施工時，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇低污染、低毒或無毒且降解性強(qiáng)的泡沫劑，避免泡沫劑的組分在土壤中長期殘留。地鐵施工單位也應(yīng)合理使用泡沫劑，盡量避免施工過程中過量使用泡沫劑，同時在穿越或靠近水體處進(jìn)行盾構(gòu)施工時，也應(yīng)事前擬定施工方案并嚴(yán)格執(zhí)行，防治泡沫劑影響地表水環(huán)境。