橋梁鉆孔灌注樁施工的水土流失防治措施研究

栗健

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

近年來，橋梁橋墩廣泛采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，施工過程中需泥漿保護(hù)鉆孔孔壁，懸浮鉆渣并攜帶鉆渣出孔，進(jìn)而保證鉆孔作業(yè)正常進(jìn)行。橋梁鉆孔施工現(xiàn)場多采用儲(chǔ)漿池配制和儲(chǔ)存泥漿，采用沉淀池去除鉆渣使得泥漿可重復(fù)使用，最后產(chǎn)生的廢棄泥漿或在沉淀池中長期沉淀后掩埋或用槽車運(yùn)至填埋場。這種作業(yè)方式除對(duì)施工區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響外，也對(duì)施工區(qū)水土保持產(chǎn)生諸多不利影響:開挖泥漿池破壞了土壤結(jié)構(gòu)和表層熟土，施工結(jié)束后難以恢復(fù);挖掘機(jī)清掏的鉆渣含水率很高，不能直接卡車外運(yùn)，不得不堆積在施工場地晾曬，造成泥水橫流;泥漿是穩(wěn)定的膠體體系，往往沉淀很長時(shí)間也不能固液分離，而采用槽車運(yùn)輸廢棄泥漿費(fèi)用較高，部分施工單位將廢棄泥漿偷排在池塘內(nèi)，甚至排至河道，造成下游河道堵塞和水庫容積減少，嚴(yán)重影響了其蓄容調(diào)蓄和泄洪功能。

目前大多數(shù)研究都以圍繞如何保證泥漿的性能使泥漿滿足重復(fù)利用的要求而開展［1］，文獻(xiàn)［2－3］對(duì)隧道和非開挖定向鉆工程的施工過程中的泥漿處理技術(shù)進(jìn)行討論，文獻(xiàn)［4－6］對(duì)橋梁鉆孔施工泥漿的處理系統(tǒng)進(jìn)行了介紹;近年來，很多學(xué)者又開展施工完畢后廢棄泥漿的處理技術(shù)，以減少對(duì)環(huán)境的不利影響［7～9］。中國鐵道科學(xué)研究院［10］對(duì)鐵路橋梁施工泥漿的處理技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為開展進(jìn)一步的鐵路橋梁泥漿的處理研究奠定了基礎(chǔ)?？v觀以上成果，尚缺乏從水土保持角度論證鉆孔灌注樁施工泥漿的不利影響，探討適宜的處理技術(shù)和水土保持管理措施的相關(guān)研究。

1 泥漿處理現(xiàn)狀

1.1 鉆孔過程中的泥漿處理及對(duì)水土保持的不利影響

橋梁鉆孔過程中需去除泥漿中的鉆渣以便重復(fù)循環(huán)使用，目前鐵路橋梁鉆孔工地現(xiàn)場多采用自然沉淀法。以旋轉(zhuǎn)鉆反循環(huán)作業(yè)方式為例:鉆孔作業(yè)前在每1～2個(gè)橋墩開挖沉淀池1處，一般容積為成孔體積的4～5倍，深度小于3 m，單個(gè)沉淀池面積≥30 m2。開鉆前在沉淀池中配制泥漿，泥漿自流進(jìn)鉆孔內(nèi)后，兼起保護(hù)孔壁、冷卻鉆頭、懸浮起鉆渣和攜帶鉆渣出孔作用，攜帶鉆渣的泥漿被鉆機(jī)從鉆孔中抽出排入沉淀池。鉆渣在沉淀池中沉淀，經(jīng)沉淀后的泥漿可再循環(huán)使用。沉淀在沉淀池中的鉆渣慢慢積累，使得沉淀池有效容積逐步減少進(jìn)而影響鉆渣的沉淀效果，須采用挖掘機(jī)將鉆渣將沉淀池中的鉆渣清理。

目前采用的沉淀池處理泥漿對(duì)水土保持的不利影響分析:

(1)開挖沉淀池破壞了原土壤結(jié)構(gòu)。每1～2個(gè)橋墩就需設(shè)沉淀池1處，以通常采用的32 m梁為例，每1 km橋梁泥漿池占地面積約0.067～0.100 hm2(1～1.5畝);鉆孔施工結(jié)束后難恢復(fù)原有的土地功能，嚴(yán)重影響土壤的可恢復(fù)性。

(2)沉淀池中清理鉆渣使用挖掘機(jī)清掏，由于挖掘機(jī)清掏出的鉆渣含水率較高，不能直接卡車外運(yùn)，長時(shí)間堆積在施工場地晾曬極易造成水土流失，并使得施工環(huán)境惡劣、泥水橫流并有可能導(dǎo)致周邊的水體污染。

1.2 鉆孔施工結(jié)束后廢棄泥漿處理及對(duì)水土保持的不利影響

鐵路橋梁樁基工程中，一般采用自然沉淀的方法處理廢棄泥漿，待廢棄泥漿脫水干燥后進(jìn)行填埋。但由于泥漿是穩(wěn)定的膠體體系，難以自然沉淀，故長時(shí)間不能實(shí)現(xiàn)固液分離，當(dāng)出現(xiàn)降雨或其它意外情況時(shí)，易出現(xiàn)泥漿外溢而污染環(huán)境。曾出現(xiàn)某鐵路施工工地廢棄泥漿外溢，造成附近污水處理廠管道堵塞、污水處理池內(nèi)微生物大量死亡，導(dǎo)致污水處理設(shè)施停運(yùn)，出現(xiàn)排放超標(biāo)的現(xiàn)象。除自然沉淀外，部分鐵路工程指揮部要求將廢棄泥漿運(yùn)至廢棄物填埋場，但因廢棄泥漿數(shù)量大、含水率高、必須采用槽車運(yùn)輸以防遺撒，存在運(yùn)輸成本高等問題，部分施工單位偷排至溝渠、魚塘甚至河道內(nèi)，嚴(yán)重影響水體水質(zhì)，堵塞河道，影響行洪。

目前采用的廢棄泥漿的處理和處置方法對(duì)水土保持的不利影響分析:

(1)工程建設(shè)取棄土場占地面積較大，施工完畢后施工單位較重視對(duì)其進(jìn)行水土保持措施設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到防治水土流失的效果。但沉淀池單個(gè)面積較小，一般情況下施工單位填埋后平整不進(jìn)行綠化，部分水土保持方案中亦不提出要求。雖然單個(gè)沉淀池可能產(chǎn)生的水土流失量較小，但因全線沉淀池較多，累計(jì)水土流失量亦相當(dāng)嚴(yán)重，特別在水土流失較嚴(yán)重地區(qū)或降水量較少地區(qū)。

(2)廢棄泥漿溢流到水體中會(huì)造成COD、SS、油類、重金屬等污染加重，而且淤積河道，影響行洪;溢流到農(nóng)田中或直接填埋會(huì)對(duì)土壤的透氣性等理化性質(zhì)產(chǎn)生不利影響，增加土壤中重金屬等污染物的污染而影響作物生長，并且有可能造成周邊區(qū)域土壤板結(jié)、土地鹽堿化，使土地失去原有功能;排放到魚塘等養(yǎng)殖場，會(huì)造成水體渾濁、溶解氧降低，影響水生生物的生長。

綜上所述，目前施工現(xiàn)場泥漿的處理現(xiàn)狀可能產(chǎn)生對(duì)水土流失產(chǎn)生不利影響，應(yīng)提出適用于橋梁施工現(xiàn)狀的泥漿處理技術(shù)，并從鉆孔過程中的泥漿處理和廢棄泥漿處理兩方面提出相應(yīng)的管理要求以防治水土流失。

2 泥漿處理適宜技術(shù)

2.1 鉆孔過程中的泥漿處理

橋梁鉆孔泥漿的處理以去除鉆渣保證泥漿的性能為目的。除沉淀池自然沉淀鉆渣外，機(jī)械分離法亦是去除鉆渣的有效辦法，利用機(jī)械設(shè)備如振動(dòng)篩將大顆粒鉆屑分離，分離后泥漿循環(huán)使用。與自然沉淀法相比，機(jī)械分離法占地小，效率高。目前在石油鉆探固相處理中得到廣泛應(yīng)用。石油鉆井施工對(duì)泥漿的性能要求較高，處理泥漿工藝較復(fù)雜，除分離鉆渣外，還涉及除氣、添加加重材料和添加劑等。鉆井液的固相控制一般采用振動(dòng)篩+水力旋流除砂器+水力旋流除泥器+離心機(jī)四道工藝，需去除有害氣體時(shí)，在振動(dòng)篩后增設(shè)除氣器。鉆機(jī)設(shè)有高架的泥漿處理平臺(tái)，各處理設(shè)備依次排開，鉆孔中出來的泥漿經(jīng)處理后鉆渣排入沉渣池，處理后的泥漿重復(fù)使用。

對(duì)鉆孔樁直徑較大、鉆孔較深、泥漿性能要求高、水中墩等不好設(shè)置沉淀池的橋梁施工工點(diǎn)，目前多采用泥漿處理設(shè)備進(jìn)行處理。如廣東長大公路崖門大橋采用德國產(chǎn)BE-250型泥漿處理器處理泥漿，該泥漿處理器處理量250 m3/h，由高頻振動(dòng)篩和水力旋流除砂器組成。孟加拉國帕克西公路橋施工中采用我國生產(chǎn)的ZX-500型泥漿處理設(shè)備，也采用振動(dòng)篩加水力旋流除砂器工藝。目前國內(nèi)所采用的泥漿處理設(shè)備一般功率大、耗能高、占地面積大且除渣的效果不穩(wěn)定。鐵道科學(xué)研究院提出了振動(dòng)篩+水力旋流除泥器的處理工藝，一般情況下僅需開啟振動(dòng)篩，在泥塑或軟塑粘土地層時(shí)才開啟除泥器。該工藝具有處理效果好、能耗低、適用于大多數(shù)地層和鉆孔方式、處理成本較低，是較理想的鉆孔過程泥漿處理設(shè)備［10］。

與沉淀池處理相比，采用機(jī)械設(shè)備處理泥漿，一般可減少開挖3倍以上鉆孔體積;若同時(shí)采用泥漿槽，可做到零開挖，能最大限度地減少對(duì)地表的擾動(dòng)，保護(hù)了表層熟土和土壤結(jié)構(gòu)。機(jī)械處理后的鉆渣含水率較低，可直接卡車清運(yùn)，運(yùn)輸過程中無遺撒，既可避免鉆渣長時(shí)間堆積在施工場地晾曬而造成水土流失的現(xiàn)象，又可減少后續(xù)廢棄泥漿處理的工作量。

因此，在條件容許時(shí)特別是在水源保護(hù)區(qū)或自然保護(hù)區(qū)施工時(shí)，應(yīng)采用泥漿固液分離設(shè)備，減少地表擾動(dòng)，做好水土流失防治。

2.2 廢棄泥漿處理

廢棄泥漿的處理技術(shù)很多，主要有:化學(xué)固化法、土地耕作法、化學(xué)絮凝固液分離法、化學(xué)絮凝+機(jī)械分離法等，因污染種類和濃度不同，廢棄泥漿無害化處理技術(shù)也不盡相同。石油鉆井廢棄泥漿因油類、重金屬、鹽類等污染物含量較高，無害化處理工藝相對(duì)復(fù)雜，較多采用固化法處理，亦有采用固液分離方法后分別對(duì)固相、液相進(jìn)行二次處理，這兩種處理方法處理工藝復(fù)雜，處理成本高。建筑施工廢棄泥漿污染物含量與本底值無太大差別，適宜的處理方法為化學(xué)法或化學(xué)加機(jī)械方法進(jìn)行固液分離使其減量后填埋，但也存在著工藝較復(fù)雜和處理成本高的問題。

雖然近來廢棄泥漿的處理技術(shù)有了一定的發(fā)展，但橋梁施工目前現(xiàn)場仍多采用靜置沉淀方法，即先讓泥漿在泥漿池中沉淀一定時(shí)間，待出現(xiàn)上清液時(shí)，再用泵將上清液抽取，剩余底泥就地填埋。部分施工單位采用槽車將泥漿清運(yùn)，但運(yùn)費(fèi)較高。

鐵道科學(xué)研究院對(duì)京滬高鐵施工現(xiàn)場廢棄泥漿進(jìn)行檢測和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，研究提出了化學(xué)絮凝+靜置沉淀+抽出上清液+底泥填埋的粘土廢棄泥漿處理工藝。根據(jù)待處理泥漿的體積和容重確定添加劑量，不經(jīng)稀釋直接投加干粉絮凝劑后用污泥泵攪拌至生成絮團(tuán)，靜置沉淀1 h后，上清液可達(dá)標(biāo)排放，鉆渣就地填埋后可土地整治。處理工藝流程見圖1。

圖1 粘土廢棄泥漿現(xiàn)場處理工藝流程

從工程角度分析，此工藝大幅縮短了泥漿脫水時(shí)間，且底泥含水率低，有利于土地及時(shí)整治恢復(fù);廢棄泥漿可就地填埋或干化后外運(yùn)，處置成本大大降低;采用直接投加固體藥劑的方式，方便施工現(xiàn)場使用。采用該技術(shù)處理廢棄泥漿可減少工程臨時(shí)占地、避免廢棄泥漿的無序排放，有效達(dá)到防治水土流失目的。

3 廢棄泥漿水土保持管理要求及其改進(jìn)意見

目前橋梁施工中對(duì)廢棄泥漿的水土保持管理要求體現(xiàn)在以下文件中:水土保持方案、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、相關(guān)設(shè)計(jì)文件、施工單位制定并上交給建設(shè)單位的環(huán)保、水土保持措施等，這些水土保持管理要求對(duì)施工期的水土流失防治起到了重要作用，但仍存在一些亟待解決的問題。

《中華人民共和國水土保持法》(2011－03－01施行)第24條規(guī)定:“生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目選址、選線應(yīng)當(dāng)避讓水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū);無法避讓的，應(yīng)當(dāng)提高防治標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化施工工藝，減少地表擾動(dòng)和植被損壞范圍，有效控制可能造成的水土流失?！蹦壳皹蛄菏┕げ糠侄丈黹g設(shè)置泥漿池1處，應(yīng)明確規(guī)定橋梁墩身間應(yīng)共用1個(gè)泥漿池方案，以減少地表擾動(dòng);因鉆孔過程中采用泥漿處理裝置可大大減少泥漿池的容積，故應(yīng)在一般地區(qū)推薦采用機(jī)械設(shè)備分離鉆渣，在環(huán)境敏感區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、水源保護(hù)區(qū)或水上施工中應(yīng)明確規(guī)定必須采用泥漿鉆渣的分離裝置。

國內(nèi)不同行業(yè)對(duì)施工廢棄泥漿均要求不得隨意排放［11］。水土保持方案中對(duì)橋梁廢棄泥漿的處理要求:漿池中的鉆渣應(yīng)定期清理;泥漿廢水集中沉淀，底泥干化后運(yùn)往泥渣土填埋場處置;實(shí)施并加強(qiáng)監(jiān)控。應(yīng)推廣橋梁鉆孔廢棄泥漿處理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿的就地處理，盡量做到鉆孔過程中的泥漿及廢棄泥漿處理設(shè)備化、水土保持管理標(biāo)準(zhǔn)化。在水源保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)鉆孔施工時(shí)，應(yīng)采用泥漿固液分離設(shè)備代替沉淀池;鉆孔結(jié)束后推薦采用現(xiàn)場化學(xué)絮凝沉淀方法處理廢棄泥漿［12］。

4 結(jié)論

(1)橋梁鉆孔樁施工對(duì)水土保持的不利影響:開挖泥漿池破壞了原有地表植被和土壤結(jié)構(gòu);清理泥漿池中的鉆渣極易造成水土流失;廢棄泥漿隨意排放會(huì)造成周圍水體和土壤受到污染，甚至淤積河道和影響行洪。

(2)采用機(jī)械設(shè)備處理泥漿可減少泥漿池的體積、降低鉆渣含水率、減少廢棄泥漿的數(shù)量;采用先進(jìn)的廢棄泥漿處理技術(shù)可實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿的就地處理，避免隨意排放，有利于保護(hù)環(huán)境和水土保持。

(3)建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)廢棄泥漿的水土保持管理:推薦采用泥漿處理裝置以處理鉆孔過程中泥漿;建議推廣使橋梁鉆孔廢棄泥漿就地處理技術(shù)，以做好橋梁施工的水土流失防治工作。

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