京張高鐵大直徑泥水盾構(gòu)施工泥漿環(huán)保處理措施研究

趙海濤

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇南京 211800)

1 概述

在城市鐵路的建設(shè)過程中，盾構(gòu)法施工得到了越來越多的應(yīng)用[1-4]。泥水盾構(gòu)中采用的泥漿護(hù)壁技術(shù)可以減少刀具的磨損[5-6]，且無需采用螺旋輸送機(jī)，節(jié)省了艙內(nèi)空間，被廣泛應(yīng)用于大直徑隧道建設(shè)中。另一方面，泥水盾構(gòu)占地較多，且對環(huán)境污染比較嚴(yán)重，制約了其在城市建筑物密集區(qū)中的應(yīng)用[7]。以新建京張高鐵清華園隧道為例，對盾構(gòu)產(chǎn)生的泥漿處理措施進(jìn)行探討。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者對于泥漿環(huán)保處理措施進(jìn)行了相關(guān)研究。袁永學(xué)[8]以杭州望江路過江隧道為工程依托，給出了泥漿的綠色處理措施。蘇清貴[9]等基于北京鐵路地下直徑線工程，計(jì)算出了泥漿處理所需的機(jī)械設(shè)備數(shù)量。黨凱[10]對鉆井廢棄泥漿幾種無害化的處理方法進(jìn)行了介紹。李東升等[11，15]給出了全斷面黏土地質(zhì)條件下盾構(gòu)泥漿的綠色處理技術(shù)。殷俊等[12-13]通過對廢棄泥漿脫水工藝的研究，設(shè)計(jì)了一套泥漿絮凝-壓濾脫水的工藝。張學(xué)軍[14]總結(jié)出了泥水盾構(gòu)施工配套設(shè)備的選型原則。

以下在前人研究的基礎(chǔ)上，以新建京張高鐵清華園隧道為背景，對城市建筑物密集區(qū)盾構(gòu)的泥漿處理進(jìn)行分析。

2 工程概況

2.1 工程背景及地質(zhì)概況

京張高鐵清華園隧道正線全長6 020 m，其中4 448.5 m采用直徑為12.64 m的泥水盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)，具有直徑大、工期緊、技術(shù)復(fù)雜和環(huán)保要求高等特點(diǎn)。

盾構(gòu)穿越的主要地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、粗砂、卵石土等。其中，卵石土地層所占比重較大(卵石土地層長1 800 m，另外還有長1 200 m的卵石土和粉土復(fù)合地層)。砂卵石地層自穩(wěn)能力差，掘進(jìn)過程中需要的泥漿比重較大；另一方面，土層中的細(xì)小顆粒會增加泥漿的比重，增加了泥漿處理的復(fù)雜性。

2.2 工程難點(diǎn)

(1)該工程位于北京市海淀區(qū)內(nèi)，拆遷困難，故對于泥水處理的場地大小要求較高。

(2)在盾構(gòu)穿越的地層中，粉質(zhì)黏土層中細(xì)顆粒占比較多，且泥水分離設(shè)備對粒徑在50 μm以下的細(xì)顆粒無法完全篩分，故對廢棄泥漿的處理存在一定困難。

(3)隧道的工期要求較高。為了滿足2022年冬奧會期間投入使用，平均每個月要求掘進(jìn)280 m。

(4)隧道周邊環(huán)境也比較復(fù)雜，與多條地鐵、市政管線和主干道路相鄰，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

3 泥漿環(huán)保綜合處理技術(shù)

泥水處理總體設(shè)計(jì)理念為：①制漿系統(tǒng)負(fù)責(zé)為盾構(gòu)機(jī)制造新鮮的泥漿，調(diào)漿系統(tǒng)對回收泥漿進(jìn)行再處理，使回收泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，最后通過進(jìn)漿泵輸送到盾構(gòu)機(jī)。②使用后的泥漿和渣土混合體首先進(jìn)入泥水分離設(shè)備，經(jīng)過粗篩、一級旋流和二級旋流后，基本實(shí)現(xiàn)渣土和泥水分離。③經(jīng)過二級旋流器分離后的泥水通過溢流口流入濃縮池進(jìn)行沉淀處理，處理后的液體排入濾液池。④濃縮池上層泥漿通過溢流槽流入調(diào)整池，加入清水、新鮮的膨潤土調(diào)拌后，可直接給盾構(gòu)機(jī)供漿。分離后的二級旋流器溢流泥漿指標(biāo)合格時，也可以直接進(jìn)入調(diào)整池進(jìn)行盾構(gòu)泥漿循環(huán)。

3.1 泥水分離系統(tǒng)和主要工程機(jī)械

(1)泥水分離系統(tǒng)

泥水分離系統(tǒng)由調(diào)漿系統(tǒng)、泥水分離系統(tǒng)、沉淀處理系統(tǒng)、壓濾處理系統(tǒng)、再循環(huán)系統(tǒng)組成。

盾構(gòu)掘進(jìn)時產(chǎn)生的污漿由排泥泵送入泥水分離設(shè)備，經(jīng)過預(yù)篩分器的兩層粗篩后(將粒徑超過3 mm的渣料分離)；篩余的泥漿進(jìn)入一級儲漿槽，通過兩臺渣漿泵分別給兩套一級旋流器進(jìn)料，經(jīng)過旋流除砂器分選，粒徑微細(xì)的泥砂由下端的沉砂嘴排出；剩余泥漿進(jìn)入一級中儲箱，經(jīng)由二級旋流除砂器進(jìn)入除泥篩。

(2)主要工程機(jī)械

ZXSⅡ-2500/20(如圖1所示)泥水分離設(shè)備主要由預(yù)篩分器單元、一級旋流除砂單元、二級旋流除泥單元、振動篩分脫水單元、儲漿槽沖砂單元等組成，泥漿最大處理能力為2 500 m3/h。該設(shè)備通常以泥漿處理量為1 250 m3/h為基本單元進(jìn)行組合并聯(lián)，在實(shí)際應(yīng)用中比較方便，且性價(jià)比較高。

圖1 ZX-2500型泥漿分離系統(tǒng)

3.2 制、調(diào)漿系統(tǒng)

制、調(diào)漿系統(tǒng)主要是對未達(dá)標(biāo)的漿液進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充，以達(dá)到盾構(gòu)所需的技術(shù)指標(biāo)和用量，同時對回收后的舊漿液進(jìn)行再利用。

制漿系統(tǒng)的主要作用是為盾構(gòu)掘進(jìn)提供新鮮的泥漿，根據(jù)回收的泥漿量以及盾構(gòu)的掘進(jìn)速度來決定制漿量。實(shí)際施工中，由于開挖土體中細(xì)顆粒的影響，使得泥漿的質(zhì)量指標(biāo)不斷發(fā)生變化。另一方面，為了保證大直徑隧道掘進(jìn)過程中開挖面土體的穩(wěn)定性，可以采用調(diào)漿系統(tǒng)對其漿液的指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

本工程中，調(diào)漿和制漿都采用信息化控制，操作人員根據(jù)控制室內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)來決定泥漿的調(diào)整策略，可有效控制泥漿的質(zhì)量。

3.3 壓濾設(shè)備和離心設(shè)備

對于不達(dá)標(biāo)的棄漿，主要采用壓濾處理、離心處理和固化處理的方式，這幾種處理方式各有利弊。固化處理的效率較低，對于場地的要求較高；壓濾處理使得水分被擠出，造成泥漿的比重增大，需要增加離心設(shè)備進(jìn)行再處理，故本工程采用壓濾處理和離心處理相結(jié)合的方式。

壓濾設(shè)備和泥水分離設(shè)備可以組成同一個系統(tǒng)，當(dāng)泥水分離設(shè)備不能進(jìn)行徹底的固液分離時，可采用壓濾設(shè)備將廢棄泥漿還原到掘進(jìn)初期所需的值，實(shí)現(xiàn)了廢棄泥漿的再利用(流程如圖2所示)。

圖2 泥水壓濾設(shè)備流程

離心設(shè)備(如圖3所示)主要是對含砂率較高的泥漿進(jìn)行處理，經(jīng)過處理的泥漿黏度基本不變。棄漿經(jīng)過離心處理后被分離成固相顆粒和液體，固相顆粒的含水量較低，經(jīng)過脫水處理后可以運(yùn)到特定的地方進(jìn)行存儲。由于該離心設(shè)備無法對粉質(zhì)黏土地層中粒徑5 μm以下的細(xì)顆粒進(jìn)行處理，可采用重復(fù)利用或者添加絮凝劑的方法。

圖3 離心設(shè)備

離心設(shè)備和壓濾設(shè)備占地面積相近，離心設(shè)備在廢漿處理方面效率更高，而壓濾設(shè)備的處理費(fèi)用較低(加上后期維護(hù)成本，壓濾設(shè)備處理費(fèi)用比離心設(shè)備少5～20元/m3)，故將兩者結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)廢漿處理的經(jīng)濟(jì)高效。

3.4 化學(xué)藥品的應(yīng)用

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，該工程掘進(jìn)一環(huán)大約產(chǎn)生400 m3的棄漿。為了提高棄漿的處理效率，在泥漿中添加了非離子型PAM絮凝劑。該絮凝劑的分子能與分散于溶液中的懸浮粒子產(chǎn)生吸附，且對環(huán)境無污染。沉淀下來的絮狀沉淀物可用擠壓等方法進(jìn)行脫水，脫水后得到的固體渣土可以運(yùn)輸?shù)街付ǖ奈恢脙Υ?，上層的水可以直接抽出進(jìn)行重復(fù)利用。同時，根據(jù)該工程棄漿的性質(zhì)，研發(fā)了一種新型高分子聚酯絲濾帶材料，與PAM絮凝劑共同使用，可以加快水土分離。

4 噪聲控制

隧道位于北京鬧市區(qū)內(nèi)，為了減少對周邊居民的影響，同時滿足北京市關(guān)于噪聲控制的有關(guān)規(guī)定，需要采用特定的措施來減小這些設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。

圖4 泥水分離設(shè)備降噪隔離措施

(1)采用集裝箱框架(見圖4)對泥水分離設(shè)備實(shí)施降噪隔離。泥水分離設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，主要部件都安置在9125 mm×2438 mm×2896 mm(長×寬×高)集裝箱框架內(nèi)。

(2)采用鋼結(jié)構(gòu)車間隔離主要設(shè)備。鋼結(jié)構(gòu)車間墻體為雙層板內(nèi)夾隔音棉，施工時全封閉，僅留出渣通道、采光窗戶和門，內(nèi)設(shè)維修通道及排氣照明設(shè)施。

(3)在分離設(shè)備、壓濾設(shè)備的外側(cè)設(shè)置降噪隔離設(shè)施。同一系統(tǒng)不同單元的設(shè)備間可以安裝隔音墻，隔音墻在系統(tǒng)導(dǎo)渣側(cè)留有振動篩出渣通道，側(cè)面及上部設(shè)有塑鋼窗戶；分離設(shè)備出渣導(dǎo)板上鋪設(shè)運(yùn)輸膠墊，以消除渣料掉落撞擊鋼板時產(chǎn)生的噪音。

通過以上幾種措施，有效地減輕了設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲，滿足北京市關(guān)于噪聲的有關(guān)規(guī)定。

5 結(jié)束語

通過對傳統(tǒng)泥漿廢棄處理技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，經(jīng)過處理、指標(biāo)合格的泥漿可以進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)再利用，篩選出來的砂土經(jīng)過處理后運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)儲存，分離出來的水經(jīng)過處理后可以直接排放，也可以用于泥漿的制作。經(jīng)過一系列的處理措施，實(shí)現(xiàn)了廢棄泥漿的零排放，同時也為類似工程提供了有益的借鑒。