鐵路隧道鉆爆法施工廢水治理關(guān)鍵技術(shù)研究

茹 旭

(中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，隧道工程所占的比重日益增加，其施工所帶來的環(huán)境影響亦引起人們的日益關(guān)注[1-4]。其中，鐵路隧道所產(chǎn)生的施工廢水是主要污染源之一[5-9]，現(xiàn)行《鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10010—2016)(以下簡稱“規(guī)范”)認(rèn)為其主要污染因子為懸浮物(SS)、化學(xué)需氧量(COD)、石油類等，推薦采用混凝、沉淀、隔油、氣浮或過濾的處理方法，取得了一定的成效。但在工程實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)部分隧道施工廢水水質(zhì)與規(guī)范不一致、個(gè)別處理單元效果不佳，以及設(shè)計(jì)水量無標(biāo)準(zhǔn)可循等問題。鑒于目前鐵路隧道施工以鉆爆法為主的實(shí)際情況，本文在大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)工作基礎(chǔ)上，圍繞隧道施工廢水水質(zhì)、水量和處理工藝等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究，并提出了改進(jìn)建議，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 施工廢水主要污染物及處理工藝優(yōu)化

1.1 施工廢水水質(zhì)與主要污染物

施工廢水水質(zhì)是廢水處理工藝的先決條件，而隧道巖性、施工材料及工法決定了施工廢水的水質(zhì)。通常認(rèn)為鉆爆法隧道施工中，開挖和爆破后產(chǎn)生大量的巖屑和粉塵是廢水中SS的主要來源；隧道襯砌、注漿所用混凝土、砂漿以及添加劑如減水劑、防凍劑等溶于水后，其水解產(chǎn)物多為堿性，導(dǎo)致廢水pH增高；施工所用炸藥如乳化炸藥或TNT等主要成分為NH4NO3或1，3，5-三硝基甲苯，導(dǎo)致廢水中存在一定含量的COD、氨氮或總氮等；此外，洞內(nèi)施工機(jī)械的“跑、冒、滴、漏”等現(xiàn)象導(dǎo)致廢水中存在一定的石油類[8]。其他污染物原則上僅與特殊隧道巖土、地下水性質(zhì)有關(guān)，如鹽巖隧道并不廣泛存在。故規(guī)范中給出隧道施工廢水主要污染物為SS、COD及石油類，且pH偏堿性，并提出了當(dāng)施工廢水排放達(dá)到現(xiàn)行GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)或TB/T3007—2000《鐵路回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》時(shí)，推薦采用混凝、沉淀、隔油、氣浮或過濾工藝去除SS和石油類等物質(zhì)，具體如圖1所示。

圖1 規(guī)范推薦隧道施工廢水處理工藝流程

上述工藝在實(shí)際廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。但課題組調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)營中氣浮單元的去除效率欠佳，且浮渣極少，說明廢水中石油類物質(zhì)含量較低。為此，課題組選取成蘭、玉磨、麗香、鄭萬、格庫、陽安二線、京張城際等鐵路的多個(gè)隧道施工洞口工點(diǎn)，對(duì)上述污染物進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)采樣分析，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

對(duì)比現(xiàn)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，典型隧道施工廢水中主要污染物為SS，其他COD、石油類、TP等均不超標(biāo)。需要指出的是，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)個(gè)別隧道施工廢水中COD及氨氮超標(biāo)現(xiàn)象，經(jīng)分析，其主要原因是洞內(nèi)設(shè)有地下車站，工作量大、施工人員多，糞便污水混入施工廢水所致。

表1 典型隧道施工廢水主要污染物濃度范圍

注：括號(hào)內(nèi)為平均值。

1.2 處理工藝的優(yōu)化

鑒于施工廢水中石油類能夠滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求，故可取消規(guī)范推薦采用的“隔油”和“氣浮”處理單元。但考慮隔油工藝增加的投資不大，且安全系數(shù)有一定儲(chǔ)備，仍予以保留。同時(shí)由于施工廢水中pH值最高可達(dá)13.0，較規(guī)范中上限10.0顯著增大，而通過混凝劑(如鋁鹽或鐵鹽)的水解來降低廢水pH值至6.0～9.0是不現(xiàn)實(shí)的，因此有必要增加pH值調(diào)節(jié)措施，保障廢水處理達(dá)標(biāo)排放。此外，依據(jù)表1，部分隧道施工廢水中SS最高可達(dá)6 530 mg/L，較規(guī)范中SS的上限4 500 mg/L顯著偏大，為降低后續(xù)處理負(fù)荷，應(yīng)在調(diào)節(jié)沉淀池前增設(shè)沉砂單元，降低入池SS的含量。

綜上，對(duì)規(guī)范推薦的廢水處理工藝流程優(yōu)化為沉砂、調(diào)節(jié)pH、混凝、調(diào)節(jié)沉淀隔油、過濾，詳見圖2。

圖2 優(yōu)化后的隧道施工廢水處理工藝流程

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，該工藝對(duì)隧道施工廢水有良好的處理效果，當(dāng)進(jìn)水SS為1 064～3 766 mg/L，過濾出水SS在40～65 mg/L，可滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外，因廢水中懸浮物含量高、水量波動(dòng)大，為提高處理工藝抗沖擊能力，設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)沉淀及過濾單元應(yīng)設(shè)置為不少于2格(臺(tái))，并可采用優(yōu)化沉淀流態(tài)、增加斜板(管)等措施提高系統(tǒng)處理效率。

此外，對(duì)貧水隧道或短隧道，因涌水量極小，只有施工作業(yè)廢水排放，可只利用簡易沉砂池、調(diào)節(jié)pH值的方式，將主要污染物加以去除，能夠有效降低基建及運(yùn)營成本。

2 施工廢水來源及設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法

2.1 施工廢水來源

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，施工廢水來源主要為施工作業(yè)廢水及受污染的隧道涌水。前者是隧道鉆孔、降塵、混凝土養(yǎng)護(hù)等工序產(chǎn)生的廢水，根據(jù)圍巖等級(jí)、施工工法的差異，按照《鐵路工程預(yù)算定額手冊(cè)》(第二冊(cè)·隧道分冊(cè))計(jì)算，該部分排水量qm為12～20 m3/延米。后者則是在賦存地下水的地層，因隧道開挖造成其涌出和滲漏，并與掌子面及地面接觸后受到污染，其水量與地下水賦存條件、巖性及其滲透系數(shù)K、降雨量等密切相關(guān)，是隧道施工廢水的主要來源。按照現(xiàn)行水文地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范要求，由水文地質(zhì)專業(yè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探、試驗(yàn)等成果確定的水文地質(zhì)參數(shù)，預(yù)測(cè)隧道正常涌水量Qs和最大涌水量Q0，其中Qs為隧道持續(xù)穩(wěn)定的涌水量，Q0為隧道日最大涌水量。但如何利用涌水預(yù)測(cè)值作為施工廢水設(shè)計(jì)水量的依據(jù)，設(shè)計(jì)規(guī)范中并未做出明確規(guī)定。

2.2 施工廢水設(shè)計(jì)水量

隧道施工廢水由隧道施工作業(yè)廢水和隧道涌水兩部分組成。但由于現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有明確并給出計(jì)算方法，在以往工程設(shè)計(jì)中計(jì)算水量時(shí)主要存在以下問題：一是未考慮施工作業(yè)廢水排放量qm；二是對(duì)隧道正常涌水量Qs或者最大涌水量Q0，選擇哪一個(gè)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)意見也不一致；三是由于Qs和Q0是指隧道在沒有采取任何工程措施前提下的全隧道地下水排放量，并未考慮隧道襯砌、注漿等措施對(duì)涌水的消減作用，加之隧道通常設(shè)置多個(gè)施工洞口(含輔助坑道)分段施工，或者設(shè)置泄水洞分散排水，如直接用Qs或Q0作為某個(gè)施工洞口的廢水設(shè)計(jì)水量時(shí)，結(jié)果偏大。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮上述情況對(duì)隧道施工廢水設(shè)計(jì)水量的影響，并結(jié)合隧道施工方案予以確定，相關(guān)探討如下。

2.2.1 隧道襯砌和防排水設(shè)計(jì)影響

根據(jù)工程實(shí)踐，隧道涌水量與地下水賦存狀態(tài)和圍巖的滲透系數(shù)有關(guān)，即隧道的涌水量與圍巖綜合滲透系數(shù)K、水頭H有關(guān)，且K越大或H越大，涌水量越大，反之越小[10-13]。

(1)隧道襯砌影響。依據(jù)TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)地下水水頭不高的段落，設(shè)置的排水型隧道襯砌原則上不考慮外水壓力，即隧道自由排水，對(duì)涌水量無影響；在有水環(huán)境保護(hù)要求以及巖溶和地下水發(fā)育地段，隧道襯砌設(shè)計(jì)時(shí)按承受適當(dāng)外水水壓考慮，即水頭減小、涌水量減少。在這種情況下，可根據(jù)襯砌滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)比值確定外水壓力的折減系數(shù)β[14-15]，據(jù)此推算涌水量折減系數(shù)。

(2)隧道注漿影響。當(dāng)隧道所經(jīng)過地段存在高壓富水區(qū)或特殊水環(huán)境要求時(shí)，通常采用注漿提高圍巖的綜合滲透系數(shù)，降低涌水量[16-19]。依據(jù)王建宇、鄭波、張成平等的研究成果[14,20-21]，采取帷幕注漿圈手段后，隧道涌水量為注漿圈外徑、襯砌內(nèi)徑、襯砌外徑、注漿滲透系數(shù)和圍巖滲透系數(shù)、襯砌滲透系數(shù)的函數(shù)。經(jīng)計(jì)算，對(duì)某一確定斷面的隧道，注漿體綜合滲透系數(shù)提高至圍巖滲透系數(shù)的10倍，隧道涌水量折減系數(shù)為0.45；滲透系數(shù)提高至50倍，折減系數(shù)為0.13；滲透系數(shù)提高至100倍，折減系數(shù)為0.07。因此，當(dāng)采取注漿防水時(shí)涌水量將會(huì)大幅減小。

(3)泄水洞的影響。對(duì)設(shè)置泄水洞的隧道，由于部分地下水從其排出未被施工污染，不需要處理，且減少了隧道施工洞口的地下水排放量[22]，故對(duì)應(yīng)施工洞口的廢水水量也相應(yīng)減少。

綜上所述，對(duì)襯砌不考慮外水壓力的排水型隧道，由于其地下水水頭低、涌水量小，出現(xiàn)Q0的概率本身就不高；對(duì)采用“以堵為主、限量排放”設(shè)計(jì)原則的隧道，由于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前注漿和承壓襯砌等措施目前已非常成熟，且可有效控制隧道涌水量，出現(xiàn)Q0的情況也很少。故采用Q0作為設(shè)計(jì)依據(jù)往往會(huì)導(dǎo)致廢水處理設(shè)施不能充分利用、規(guī)模偏大。雖然理論上可以利用隧道襯砌滲透系數(shù)、注漿體綜合滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)的比值推算出對(duì)Q0的折減系數(shù)，但由于其影響因素復(fù)雜，且現(xiàn)階段無成熟經(jīng)驗(yàn)，難以量化。而正常涌水量Qs相對(duì)平衡了施工期降雨量波動(dòng)、襯砌和防排水設(shè)計(jì)等各種影響，現(xiàn)階段作為施工廢水水量的計(jì)算依據(jù)是較為適宜的。

2.2.2 隧道施工組織影響

一般來說，隧道施工從進(jìn)口、出口分別掘進(jìn)，長隧道施工受通風(fēng)、工期等控制，還需要設(shè)置輔助坑道進(jìn)洞掘進(jìn)。在隧道設(shè)計(jì)中，每個(gè)施工洞口都會(huì)給出其負(fù)責(zé)掘進(jìn)的正洞段落和長度。由于水文地質(zhì)也是分段預(yù)測(cè)正常涌水量的，故可據(jù)此確定該段落涌水量，如有輔助坑道還應(yīng)疊加其涌水量。

為此，根據(jù)鐵路隧道預(yù)測(cè)涌水量、防排水設(shè)計(jì)原則和施工方案等綜合考慮后，對(duì)單個(gè)隧道施工洞口工區(qū)的廢水設(shè)計(jì)水量Q計(jì)算如下。

(1)排水型隧道

(1)

式中Q——施工廢水設(shè)計(jì)水量，m3/d；

Qs-z——工區(qū)施工正洞的正常涌水量，m3/d；

Qs-f——工區(qū)施工輔助坑道正常涌水量，m3/d；

qm——施工作業(yè)廢水排放量，m3/(m·d)；

L——工區(qū)施工正洞長度，m；

T——工區(qū)施工工期，d；

Qx——泄水洞排水量，m3/(m·d)。

(2)以堵為主、限量排放隧道

(2)

各參數(shù)含義同上。

對(duì)于式(1)泄水洞的排水量Qx的確定，需要結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行合理分析后確定。

3 施工作業(yè)廢水和涌水分流排放的可行性

鑒于隧道施工廢水的主要來源為施工涌水，其本質(zhì)為清潔的地下水。若能找到將涌水單獨(dú)排放、避免污染的方法，即“清污分流”可進(jìn)一步減少施工廢水處理量、節(jié)省投資。對(duì)此設(shè)想進(jìn)行了深入論證，主要思路是依據(jù)隧道內(nèi)地下水涌出位置的不同加以分流，即掌子面涌水將不可避免與該處的巖屑、巖粉和泥漿等混合而受到污染，難以單獨(dú)排放，但已襯砌段滲水可利用某些工程手段將其單獨(dú)引排至洞外，避免污染，特別是施工期順坡排水的隧道洞口更具有條件。課題組通過分析研究，提出順坡排水鐵路隧道(含輔助坑道)施工廢水“清污分流”方法，并在鄭萬鐵路某隧道試點(diǎn)成功[23]。

4 結(jié)語

(1)隧道施工廢水中主要污染物為SS且pH值>7呈堿性；氨氮、磷酸鹽、COD及石油類則為非主要污染物。

(2)當(dāng)隧道施工廢水需滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，推薦處理工藝為沉砂、調(diào)節(jié)pH、混凝、調(diào)節(jié)沉淀隔油、過濾。

(3)隧道施工廢水設(shè)計(jì)水量應(yīng)包括施工作業(yè)排水及隧道涌水，其中隧道涌水計(jì)算應(yīng)以隧道預(yù)測(cè)正常涌水量為依據(jù)，并根據(jù)隧道防排水設(shè)計(jì)以及隧道正洞施工分段劃分、輔助坑道設(shè)置、工期等因素綜合考慮確定。