鐵路隧道施工廢水處理存在的問題

薛正

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

隨著鐵路工程的快速發(fā)展和環(huán)保意識的增強(qiáng)，鐵路隧道施工廢渣土和尾水所引起的環(huán)境問題引起廣泛關(guān)注［1-3]。目前鐵路隧道施工主要采用鉆爆法和隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）法，且以鉆爆法居多。通常認(rèn)為，鉆爆法施工所產(chǎn)生的施工廢水中污染物為巖粉等固體顆粒物、炸藥爆炸后殘余污染物、支護(hù)作業(yè)流失的混凝土漿液等［4]。TBM 法施工廢水一般呈弱堿性，含有懸浮物（Suspended Solid，SS）及少量石油類等污染物［5-6]。

目前，國內(nèi)隧道施工廢水處理設(shè)施和方法越來越多，有效保護(hù)了沿線水環(huán)境，但也存在諸多問題。為此，本課題組對西南、西北等地區(qū)采用典型鉆爆法施工的鐵路隧道進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)目前隧道施工廢水處理中存在的技術(shù)問題，供相關(guān)研究和工程建設(shè)提供參考。

1 典型鉆爆法隧道施工廢水水質(zhì)調(diào)研

為深入了解隧道施工廢水水質(zhì)及其污染物的來源，依據(jù)鐵路隧道所在地域、隧道類型、水文地質(zhì)條件、圍巖巖性、水量等影響因素，對西南地區(qū)的鄭萬鐵路、成蘭鐵路、玉磨鐵路和麗香鐵路，西北地區(qū)的陽安鐵路二線等典型鉆爆法隧道洞口施工廢水的水量和水質(zhì)進(jìn)行了長期監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果見表1。

由表1可知：

1）隧道廢水中化學(xué)需氧量在1～56 mg/L，可滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［7]中一級排放標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)需氧量小于等于100 mg/L 的要求。石油類含量均在5 mg/L 以下，也滿足GB 8978—1996 中一級排放標(biāo)準(zhǔn)石油類含量小于等于5 mg/L的要求。氨氮含量在0.20～3.56 mg/L，滿 足GB 8978—1996 中 一 級 排放標(biāo)準(zhǔn)氨氮含量小于等于15 mg/L的要求。故石油類和氨氮不是施工廢水的主要污染物。

2）隧道廢水為堿性或弱堿性，pH 值在7.0～13.0。隧道廢水中堿性物質(zhì)主要來源于施工中的水泥、各類外加劑、注漿材料及其水解產(chǎn)物。如水泥水解產(chǎn)生的硅酸三鈣、硅酸二鈣、氫氧化鈣等，這些物質(zhì)溶于水后會引起pH值升高。

3）隧道廢水中總磷含量在0.01～0.92 mg/L。因總磷主要來源于環(huán)境，施工環(huán)節(jié)中無增加磷的工序，而且后續(xù)施工廢水處理過程中摻入絮凝藥劑聚合氯化鋁（Poly Aluminium Chloride，PAC）等混凝劑后［8]，總磷可通過化學(xué)除磷方法加以去除，基本可以滿足GB 8978—1996 中一級排放標(biāo)準(zhǔn)總磷含量小于等于0.5 mg/L的要求，故總磷非主要污染物。

表1 典型鉆爆法鐵路隧道施工廢水水質(zhì)分析結(jié)果

4）隧道廢水中SS 濃度變化較大，SS 濃度在115 ～3766 mg/L，超出了GB 8978—1996 中一級排放標(biāo)準(zhǔn)SS 濃度小于等于70 mg/L 的要求，故SS 是主要污染物。隧道施工廢水中SS濃度與掘進(jìn)段巖性、坡型、水量等有關(guān)。一般情況下，順坡隧道在出水量較?。魉傩∮诘扔?.3 ～0.5 m/s）時(shí)，懸浮物中的大顆粒物在流動中易沉降，出水中SS濃度較小（約300 ～800 mg/L）；順坡隧道出水量較大（流速快）時(shí)，廢水中懸浮物不易沉降，出水中SS 濃度較高（大于1000 mg/L）。反坡隧道出水中SS濃度通常較高，多大于1000 mg/L。

綜上所述，典型鉆爆法鐵路隧道施工廢水的主要污染物是SS，石油類不是主要污染物。而目前，國內(nèi)行業(yè)將懸浮物、堿性物質(zhì)、石油類作為隧道施工廢水的主要污染物。TB 10079—2013《鐵路污水處理工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［9]中規(guī)定石油類含量應(yīng)控制在1～8 mg/L，TB 10010—2016《鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［10]中推薦采用調(diào)節(jié)沉淀隔油+氣浮處理工藝或過濾工藝去除石油類污染物。茹旭［11]對鉆爆法隧道廢水水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，石油類并不是廢水的主要污染物，這與本文的監(jiān)測結(jié)果基本一致。周文哲［12]通過現(xiàn)場試驗(yàn)證實(shí)了氣浮工藝對石油類和懸浮物的去除效果不佳，并建議取消氣浮工藝。

此外，應(yīng)對施工廢水的pH 值超標(biāo)現(xiàn)象予以重視。隧道注漿漿液多為水泥-水玻璃雙漿液，發(fā)生堵塞后洞口出水pH 值可達(dá)13.0 以上。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，常規(guī)處理工藝中摻入混凝劑可將pH 值降低1 ～2。當(dāng)廢水pH 值超過10.0 時(shí)應(yīng)采取投入鹽酸等措施，確保廢水的pH值達(dá)標(biāo)。

2 施工廢水處理中存在的問題

2.1 隧道施工廢水量計(jì)算方法有待完善

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，隧道廢水的水量波動大。因隧道水文地質(zhì)條件復(fù)雜，不同隧道的地下水賦存條件差異很大，且精確預(yù)測難度較大，加之現(xiàn)行TB 10010—2016中也未對隧道施工廢水量計(jì)算方法作出規(guī)定，導(dǎo)致對廢水量的計(jì)算和處理規(guī)模上缺乏統(tǒng)一認(rèn)識。目前，隧道廢水量的計(jì)算多以涌水量為主。依據(jù)對廢水理解的不同，存在以下兩種計(jì)算方法。

1）平均流量法。以隧道預(yù)測的涌水量為基礎(chǔ)，以每小時(shí)平均流量為處理規(guī)模，并考慮一定的巖性差異，即

式中：Qh為廢水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)水量，m3/h；Qs為施工工區(qū)的正常涌水量，m3/d；T為隧道每天施工時(shí)間，h；K為流量變化系數(shù)，取值范圍1.0 ～2.0，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司取1.0，中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司多取2.0。

2）比流量法。隧道廢水主要源于掌子面前端一定范圍（涌水段），以該涌水段的比流量作為廢水量設(shè)計(jì)依據(jù)，即

式中：L為隧道工區(qū)長度，m；Ly為涌水段長度。

因?yàn)閷τ克伍L度的理解不同，所以各單位取值不同。中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司認(rèn)為施工廢水主要集中在掌子面、包含初期支護(hù)段在內(nèi)的掘進(jìn)前端200 m 范圍，Ly取200 m；中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司則認(rèn)為施工廢水主要集中在掌子面、包含初期支護(hù)段在內(nèi)的掘進(jìn)前端70～120 m，Ly取100 m。

當(dāng)隧道較短或隧道含水地層分布均勻時(shí)隧道涌水的平均流量也較穩(wěn)定，平均流量法可能較為適用。淺埋隧道或貧水、弱富水隧道因二次襯砌段涌水較少，比流量法有較好的預(yù)測效果。但上述方法均存在對隧道涌水認(rèn)識不足，未充分考慮掌子面涌水特性、施工條件等。具體表現(xiàn)在：①平均流量法以整個(gè)隧道每小時(shí)平均流量作為依據(jù)，而通常在貫通前后整個(gè)隧道涌水量才能達(dá)到預(yù)測的正常涌水量，因此設(shè)計(jì)規(guī)模偏大，導(dǎo)致設(shè)施利用率低。②比流量法忽略了二次襯砌段的涌水量，實(shí)際施工中二次襯砌段的涌水量因隧道水文地質(zhì)條件存在差異。淺埋隧道或防水型隧道二次襯砌段的涌水可忽略不計(jì)；排水型隧道或深埋富水隧道二次襯砌段環(huán)向、縱向盲管所排出的清水量較大，不可忽略。③兩種方法均未考慮施工組織和同時(shí)施工掌子面數(shù)量的影響。通常隧道設(shè)置輔助坑道（平導(dǎo)、橫洞和斜井）以增加隧道施工作業(yè)面，當(dāng)輔助坑道施工至正洞時(shí)，至少存在2個(gè)掌子面；當(dāng)兩條單洞單線隧道與橫通道或平導(dǎo)連接時(shí)，可同時(shí)存在3 個(gè)或更多的掌子面，使得該施工洞口的涌水量較單一掌子面時(shí)涌水多。④兩種方法均未考慮隧道排水原則、施工工法和施工條件對隧道涌水量的影響。防水型隧道施工廢水量很小，采用注漿、冰凍法固結(jié)、泄水洞泄壓的隧道實(shí)際涌水量會顯著降低。

為此，文獻(xiàn)［6]結(jié)合隧道排水設(shè)計(jì)原則、施工組織與輔助坑道排水特征提出了排水型隧道和“以堵為主限量排放”隧道廢水量的計(jì)算方法，即采用工區(qū)正洞及輔助坑道的正常涌水量之和減去施工用水量作為隧道廢水設(shè)計(jì)量；當(dāng)設(shè)置泄水洞時(shí)還應(yīng)減去泄水洞設(shè)計(jì)排水量。此方法理論上可行，但將上述預(yù)測涌水量作為廢水設(shè)計(jì)量，將導(dǎo)致廢水處理規(guī)模偏大、處理設(shè)施利用率不高等問題。實(shí)踐中也存在輔助坑道預(yù)測涌水量、泄水洞排水量等數(shù)據(jù)難以獲取等難題。

2.2 對隧道廢水處理工藝的認(rèn)識不足

現(xiàn)行TB 10010—2016 中建議：當(dāng)隧道廢水滿足GB 8978—1996 時(shí)可采用調(diào)節(jié)沉淀隔油→氣浮（或過濾）→排放或回收利用工藝加以處理。針對鉆爆法隧道，石油類不是主要污染物，相關(guān)研究［11-12]也證實(shí)鉆爆法施工隧道廢水中石油類極少超標(biāo)，且氣浮處理環(huán)節(jié)對石油類和懸浮物的去除效果不佳，因此建議取消隔油和氣浮環(huán)節(jié)，但部分TBM 法施工隧道［5-6]廢水水質(zhì)分析顯示石油類仍是主要污染物，故建議對在建工程進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，合理確定不同施工工法隧道廢水的主要污染物及其水質(zhì)特征。

目前，部分隧道工點(diǎn)采用澄清處理替代現(xiàn)行工藝中混凝-沉淀，取消了過濾單元。部分隧道工點(diǎn)采用投入微砂或磁粉等措施強(qiáng)化沉淀，可實(shí)現(xiàn)廢水的達(dá)標(biāo)排放。京張城際鐵路南口隧道出口采用多流向強(qiáng)化澄清器，延長了混凝后顆粒的沉淀時(shí)間，通過斜板沉淀也可實(shí)現(xiàn)廢水的達(dá)標(biāo)排放。因此，隧道廢水處理工藝中調(diào)節(jié)、沉淀、隔油、氣浮等單元的科學(xué)性與合理性有待深入研究。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的隧道廢水處理技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性，綜合比選后合理確定處理工藝。

此外，對隧道施工廢水處理中沉砂、沉淀、混凝等單元的參數(shù)設(shè)計(jì)多參考GB 50014—2006（2016年版）《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［13]中生活污水的參數(shù)，部分參考CJJ 40—2011《高濁度水給水設(shè)計(jì)規(guī)范》［14]，但隧道廢水中的污染物以懸浮無機(jī)顆粒為主，其含量、粒徑、顆粒表面理化特性等與常規(guī)生活污水、高濁度水有較大差異，同時(shí)廢水量的波動大，采用上述水質(zhì)的處理工藝和關(guān)鍵參數(shù)不一定適宜。因此應(yīng)結(jié)合典型隧道的巖性、施工工法和水質(zhì)特征探究各處理單元的合理工藝參數(shù)，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。

2.3 現(xiàn)有廢水處理設(shè)備和工藝處理效率偏低

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前隧道廢水處理多采用沉砂→混凝沉淀→無閥濾池或快濾池過濾等工藝，水力停留時(shí)間高達(dá)6 ～10 h，處理效率偏低；在處理大流量廢水時(shí)或當(dāng)施工中廢水量增加需對廢水處理站擴(kuò)容時(shí)，部分鐵路隧道尤其是復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路隧道的洞口受場地和地形限制常常不能滿足要求。為此，可考慮采用部分新型高效處理設(shè)備和工藝替代常規(guī)處理設(shè)施和工藝。重慶東環(huán)線江北機(jī)場隧道進(jìn)口段廢水處理采用撬裝式磁分離設(shè)備，主體采用磁鼓-磁盤兩級精密磁分離工藝，出水SS 濃度可低于30 mg/L，停留時(shí)間小于等于20～25 min。中鐵環(huán)境科技工程有限公司研發(fā)的CRHIC-SED 型隧道施工廢水快速處理設(shè)備，通過快速混凝、水質(zhì)澄清和斜板沉淀，必要時(shí)通過摻入微砂強(qiáng)化沉淀實(shí)現(xiàn)水質(zhì)快速凈化，水力停留時(shí)間小于等于20 min，出水SS 濃度可低于50 mg/L，并可通過控制投藥參數(shù)滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［15]中Ⅲ類水體要求或GB 8978—1996 中一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求。上述新型高效隧道廢水處理設(shè)備工作效率和自動化程度高、抗沖擊能力較強(qiáng)、占地小，且建設(shè)周期短，適宜于復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路使用。

2.4 清污分流技術(shù)措施有待加強(qiáng)

上述平均流量法和比流量法對于水量的預(yù)測均是基于洞內(nèi)清污合流。清污分流時(shí)應(yīng)綜合考慮隧道分段地層巖性、地下水分布、施工組織等因素確定廢水量預(yù)測方法及模型。茹旭［11]針對鉆爆法隧道結(jié)構(gòu)和施工排水特征，提出了利用同步修筑側(cè)溝或臨時(shí)水溝收集二次襯砌段清水和利用中心排水溝收集施工廢水的清污分流策略。李傳松等［16]在鄭萬鐵路一橫洞工區(qū)穿越灰?guī)r段時(shí)利用同側(cè)布置廢水管和清水溝的方法解決了順坡隧道清污分流的問題，但是目前對反坡隧道、單洞單線隧道的清污分流等技術(shù)尚缺乏工程應(yīng)用實(shí)例。不同隧道因斷面尺寸，施工組織、方法和工序等均存在很大差異，如何降低清污分流對隧道施工斷面的影響，保障施工效率、優(yōu)化清水和廢水收集與輸送方案、防止清水的二次污染等問題有待解決，有必要開展不同類型隧道施工排水清污分流技術(shù)研究，制定更易于實(shí)施的分流方案。

3 結(jié)論與建議

1）通過鉆爆法鐵路隧道廢水水質(zhì)調(diào)研，施工廢水的主要污染物是懸浮物和堿性物質(zhì)，石油類、氨氮和總磷不是主要污染物。

2）平均流量和比流量法兩種隧道施工廢水量計(jì)算方法所得結(jié)果存在較大誤差，同時(shí)現(xiàn)有的隧道廢水設(shè)計(jì)參數(shù)多借鑒生活污水和高濁度水處理，未能充分考慮隧道施工廢水的水質(zhì)特性，存在一定的不適應(yīng)性。建議通過長期廢水量監(jiān)測和分析，探究合理的廢水量預(yù)測方法，同時(shí)針對隧道施工廢水水質(zhì)特征開展相關(guān)基礎(chǔ)試驗(yàn)，進(jìn)而確定各處理單元的相關(guān)參數(shù)。

3）在地形復(fù)雜、場坪面積有限、大流量廢水須處理的隧道洞口可采用新型高效廢水處理設(shè)備或新工藝。

4）針對不同正洞及輔助坑道的順坡及反坡排水特征，研究和制定鉆爆法施工和TBM 法施工隧道排水清污分流技術(shù)，從源頭減少廢水產(chǎn)生，降低廢水處理設(shè)施投入和運(yùn)行成本，有效保護(hù)沿線水環(huán)境。