泥水盾構(gòu)綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)及應(yīng)用

摘?要：本文針對泥水盾構(gòu)在城市施工中泥水處理困難的問題，結(jié)合京沈客運(yùn)專線望京隧道盾構(gòu)施工中泥水處理需求，通過合理科學(xué)的泥水處理系統(tǒng)選型、泥漿池優(yōu)化配置和離心機(jī)與壓濾機(jī)的配套使用，建立了一套綠色環(huán)保型盾構(gòu)泥水處理技術(shù)。該應(yīng)用該技術(shù)，在本工程中建成了國內(nèi)首座泥水盾構(gòu)“零滲漏、零污染、零排放”綠色環(huán)保泥水處理工廠，徹底解決了泥水盾構(gòu)在粘土層、粉質(zhì)粘土層為主的城市核心區(qū)域施工中泥水處理的技術(shù)難題。在本工程采用的綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)，為我國同類地質(zhì)條件采用泥水盾構(gòu)施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu);綠色環(huán)保型;泥漿處理;零污染;零排放

著我國高速鐵路、城市軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)以其安全、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢已經(jīng)在交通工程施工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其中泥水盾構(gòu)是最為常見的施工技術(shù)[1]。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國泥水盾構(gòu)施工技術(shù)已日趨完善，然而泥水處理和廢棄泥漿排放問題尚未得到徹底解決[2]。這一問題在城市施工中尤為突出，一方面泥水盾構(gòu)施工需要的施工場地面積大，在繁華市區(qū)寸土寸金，征地拆遷十分困難;另一方面泥水盾構(gòu)施工泥水分離難度大，廢棄泥水不能及時處理會造成環(huán)境污染，會對施工進(jìn)度和效益帶來影響[3]。特別是，自2015年1月起實(shí)施新《環(huán)保法》之后[4]，環(huán)保形勢越來越嚴(yán)峻，對施工提出了“零滲漏、零污染、零排放”綠色環(huán)保的要求，這對泥水盾構(gòu)泥水處理技術(shù)提出了更高的要求[5]。

泥水盾構(gòu)產(chǎn)生的廢棄泥漿含水量搞，微細(xì)顆粒多，且含有無機(jī)或有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，常規(guī)的處理方式有[6]- [8]：（1）在地面做較多沉淀池，待泥漿逐漸沉淀后在泥漿中加入制漿劑變稠后填入池塘;（2）泥漿露天曬干后由運(yùn)輸車轉(zhuǎn)運(yùn)至指定區(qū)域存放;（3）將廢棄泥漿直接排放至江河湖海中。顯然，傳統(tǒng)的泥水處理方式是不能滿足泥水盾構(gòu)城市施工需求，更不能滿足環(huán)保要求的。

本文以京沈客運(yùn)專線望京隧道工程為例，在北京市區(qū)，施工場地狹小的情況下，通過對泥漿池優(yōu)化布置，完善泥水分離系統(tǒng)配置，引入綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)，將廢棄泥漿全部進(jìn)行固液分離，分離后清水和泥漿進(jìn)行再回收利用，真正達(dá)到了“零滲漏、零污染、零排放”綠色環(huán)保的要求。

1 工程概況

京沈客運(yùn)專線是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“四縱四橫”客運(yùn)專線主骨架京哈鐵路的重要組成部分。其中京沈客專京冀段望京隧道是京沈客專全線控制性工程，是國內(nèi)目前最長的城市高鐵盾構(gòu)隧道。工程位于北京五環(huán)、六環(huán)之間，下穿既有長建駕校、南皋路、北小河、首都機(jī)場高速公路、機(jī)場快軌、京順路、來廣營東路、香江北路、地鐵15號線馬泉營站、濕地公園、順白路、機(jī)場南線高速，盾構(gòu)施工段存在較大難度和風(fēng)險。

望京隧道為雙洞單線大直徑隧道，隧道管片外徑10.5m，內(nèi)徑9.5m，全長8000m，分為兩個標(biāo)段，由4臺泥水盾構(gòu)由隧道兩端向中間施工。本工程為其中一個標(biāo)段，本標(biāo)段最大縱坡25‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑1500m。本工程盾構(gòu)穿越地層以粘土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層和粉細(xì)砂層等細(xì)顆粒地層為主的復(fù)合地層，其中直徑小于75μm的細(xì)顆粒含量超過70%。盾構(gòu)隧道施工范圍內(nèi)存在五層地下水，即一層上層滯水，兩層潛水和兩層層間水，上層滯水水位埋深1.1～3.8m。

2 泥水處理系統(tǒng)設(shè)備選型

針對以粘土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層和粉細(xì)砂層等細(xì)顆粒地層為主的復(fù)合地層，本工程首先對泥水分離系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化配置，增加了泥水處理環(huán)節(jié)，將廢棄泥漿全部進(jìn)行固液分離，并對分離后清水進(jìn)行回收循環(huán)利用。

本工程中泥水分離設(shè)備采用集成模塊式設(shè)計(jì)，由預(yù)篩分單元、一級旋流單元、二級旋流單元、漿液儲存及液位平衡單元組成。各個單元相互連貫，相互協(xié)調(diào)，具有故障率低和操作簡單的特點(diǎn)。泥水分離系統(tǒng)總成示意圖見圖1所示。

2.1 預(yù)篩分單元選型

根據(jù)地勘資料，本工程地質(zhì)主要以粘土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主的細(xì)顆粒地層，74μm以下顆粒占到了70%左右，為了提高處理效果，預(yù)分篩選擇2mm孔徑的篩板。

2.2 一、二級旋流器選型

本工程中一級、二級旋流器按照最大處理能力2000m3/h設(shè)計(jì)，旋流器處理能力按照如下公式計(jì)算：

根據(jù)公式（1）結(jié)合本工程泥水分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，計(jì)算得到本工程泥水分離系統(tǒng)一、二級旋流器配置參數(shù)如表1所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，一級旋流器選型為RWT5118/DN250，處理最小顆粒直徑45μm;二級旋流器選型為Gmax4U，最小顆粒直徑20μm，能夠滿足本工程要求。

2.3 脫水篩分單元

經(jīng)一、二級旋流器分離出的濃漿經(jīng)過脫水分篩單元可處理直徑20μm以上的細(xì)小顆粒。脫水篩單套渣料篩分能力為為150～180t/h。脫水后渣土含水量≤25%，滿足出渣運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

3 綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)

3.1 綠色環(huán)保型泥水處理總體思路

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，處于城市核心區(qū)域的泥水盾構(gòu)在粘土層為主的細(xì)顆粒地層中快速掘進(jìn)，若要泥水處理達(dá)到“零滲漏、零排放、零污染”的效果，重點(diǎn)是是泥水處理系統(tǒng)的優(yōu)化配套和泥漿池的優(yōu)化布置。

結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際，本項(xiàng)目泥水處理的新思路是：

（1）選擇綠色環(huán)保型泥漿材料和保品質(zhì)泥漿配比，使泥漿分離后的渣土零污染;

（2）摒棄傳統(tǒng)泥漿處理概念，采用全機(jī)械化處理理念，使泥漿全循環(huán)利用，達(dá)到零排放;

（3）借鑒石油磚井工業(yè)及污水處理工業(yè)在泥水處理技術(shù)方面的優(yōu)勢與應(yīng)用，使泥水盾構(gòu)的泥水處理在原有泥水分離系統(tǒng)的設(shè)備基礎(chǔ)上，引進(jìn)壓濾機(jī)和離心機(jī)等設(shè)備，增加泥水處理的過程與環(huán)節(jié)，在保證盾構(gòu)高速掘進(jìn)的基礎(chǔ)上，使泥水處理系統(tǒng)的配套更合理;

（4）改進(jìn)原有的泥漿池設(shè)計(jì)理念，合理配置泥漿池的分類布局，采用一用一備的新模式，不中斷快速掘進(jìn);

（5）使離心機(jī)和壓濾機(jī)作為一道獨(dú)立的，必要的泥漿處理工序，能夠全天候不停作業(yè)，使離心機(jī)和壓濾機(jī)不再是可有可無的備用輔助設(shè)備。

3.2 綠色環(huán)保型泥水處理工藝流程

首先，采用環(huán)保型制漿劑、膨潤土和水按照配比拌制高品質(zhì)泥漿，使泥漿的比重和粘度控制范圍能夠滿足盾構(gòu)快速掘進(jìn)的施工需要。然后，新拌制泥漿經(jīng)進(jìn)漿泵進(jìn)入盾構(gòu)刀盤倉，攜帶渣土經(jīng)排漿泵送入泥水處理系統(tǒng)，在泥水處理系統(tǒng)中經(jīng)過預(yù)分篩、一級旋流、二級旋流和脫水篩處理后，20μm以下的細(xì)微顆粒進(jìn)入泥漿池循環(huán)利用，對于20μm以上的細(xì)微顆粒進(jìn)入壓濾裝置，壓制成型用于施工回填等施工。綠色環(huán)保型泥水處理工藝流程見圖2所示。

3.3 綠色環(huán)保型泥水處理關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1泥漿池配置

本項(xiàng)目采用了“A+B”兩套泥漿池配置。每套泥漿池由3個沉淀池、1個調(diào)整池和一個回漿池組成，拌漿池、清水池和清液池公用。其中，在調(diào)整池配置移動式攪拌裝置，在沉淀池中配置可移動式渣漿泵，如此配置泥漿池可最大程度減小場地面積，同時保證泥水處理的效率?！?/p>

3.3.2離心機(jī)配置及施工工藝

本項(xiàng)目每臺盾構(gòu)配備3臺康明克斯臥螺式離心機(jī)，每臺離心機(jī)額定出力能為100m3/h。離心機(jī)將泥漿中2μm以上的固體顆粒分離出來，固體顆粒物含水率≤40%，可直接裝車出渣，分離的清液進(jìn)入離心清液池作為調(diào)制泥漿的水循環(huán)使用。

3.3.3壓濾機(jī)配置及施工工藝

壓濾機(jī)中處理的泥漿與離心機(jī)相同，現(xiàn)將經(jīng)過攪拌改良后的泥漿有加壓泵進(jìn)入壓濾機(jī)濾室，經(jīng)過濾布和顆粒共同作用攔截固體排除清水，然后再進(jìn)入隔膜壓榨降低含水率。壓濾機(jī)工藝流程，整個壓濾過程經(jīng)歷了壓緊濾板→壓濾→一次吹風(fēng)→擠壓→隔膜壓榨→二次吹風(fēng)→卸餅等七個步驟。

經(jīng)過壓濾機(jī)濾出的泥餅含水量<25%，可直接裝車出渣。壓濾出的清水比重<1.005，色度<10，石油類含量<0.05，可達(dá)到北京市污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。濾除的清水存放于清水池，可再次拌制泥漿循環(huán)利用，真正做到零污染、零排放。

3.3.4 泥漿配合比及制拌

采用環(huán)保型制漿劑、膨潤土和水按照配比拌制高品質(zhì)泥漿（拌制不同粘度和比重的泥漿配合比見表2所示），使泥漿的比重和粘度控制范圍能夠滿足盾構(gòu)快速掘進(jìn)的施工需要。按照保證泥水盾構(gòu)30～40mm/min的掘進(jìn)指標(biāo)要求，并結(jié)合粘土和粉質(zhì)粘土為主的地質(zhì)條件，本項(xiàng)目的泥漿比重應(yīng)不高于1.2g/cm3，粘度應(yīng)不超過24s。

新拌制的合格泥漿先要充滿各個調(diào)整池和回漿池，并不停的攪拌。兩套泥漿池的泥漿一套作為盾構(gòu)掘進(jìn)所需要的泥漿，一套泥漿池的泥漿作為備用。然后由進(jìn)漿泵將一套泥漿池的泥漿經(jīng)進(jìn)漿管路泵送至盾構(gòu)刀盤倉，泥漿攜帶渣土后由排漿泵站經(jīng)排漿泵送入泥水處理系統(tǒng)。

3.3.5泥漿指標(biāo)的調(diào)整

（1）泥漿比重調(diào)整

泥漿比重增加，不僅會增加進(jìn)排漿泵站的負(fù)荷，減少攜渣量，而且會影響到離心機(jī)絮凝劑的添加量，因此應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿比重。經(jīng)過試驗(yàn)得知，泥漿濃度對絮凝劑最少投加用量（絕對值）影響明顯，泥漿比重（濃度）愈高，絮凝分離單位質(zhì)量的泥漿微粒所需的PAM量愈大?？梢钥闯瞿酀{比重低于20%時，在PAM最少投加用量下，均有較好的初始分離速度，但當(dāng)比重升至1.22時，初始分離速度明顯減緩，當(dāng)比重達(dá)到1.26時，可視為泥漿較難以分離。因此我們選擇泥漿比重為1.20時進(jìn)行離心和壓濾處理。而且，泥漿比重達(dá)到1.2以上時，盾構(gòu)掘進(jìn)速度會降低。

（2）泥漿粘度調(diào)整

泥漿粘度對盾構(gòu)掘進(jìn)速度和泥水處理影響均非常大。采取什么方法降低粘度需要具體分析。常規(guī)做法就是想粘度比較高的泥漿中添加清水進(jìn)行稀釋，當(dāng)泥漿池容量不足時，需要采用離心機(jī)或壓濾機(jī)進(jìn)行處理。為了提高離心機(jī)或壓濾機(jī)的處理效率，還需要根據(jù)不同的情況采取不同的方法降低粘度。

（3）泥漿的PH值調(diào)整

試驗(yàn)表明，各類泥漿都有一個適宜的PH值范圍。PH值控制在適宜的數(shù)值內(nèi)，泥漿的粘度、切力較小，失水量較小，性能比較穩(wěn)定。PH值對泥漿的絮凝效果明顯。因此，控制PH值對于泥漿處理是很重要的。測定泥漿的PH值是確定處理劑堿化的依據(jù)。

4 綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)應(yīng)用及效益

4.1 社會效益

基于上述綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)，本項(xiàng)目建成了國內(nèi)首座泥水盾構(gòu)“零滲漏、零污染、零排放”綠色環(huán)保泥水處理工廠，在確保盾構(gòu)掘進(jìn)效率的基礎(chǔ)上，真正實(shí)現(xiàn)了“泥漿不落地”的全機(jī)械化固液分離，徹底解決了泥水盾構(gòu)在城市核心區(qū)域的高效掘進(jìn)與綠色環(huán)保問題。自盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)以來，本項(xiàng)目未向外排泄過一滴泥漿，也未被投訴過，切實(shí)做到了“踐行綠色施工理念，保護(hù)藍(lán)天，留下綠水青山”。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

項(xiàng)目通過采用多級泥水分離技術(shù)，保證了泥水盾構(gòu)的高速掘進(jìn)，每臺盾構(gòu)日平均掘進(jìn)速度到達(dá)了16～20m/日，月平均進(jìn)度達(dá)到了300m/月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了原計(jì)劃工期要求。按照月進(jìn)速度300m計(jì)算，比原施工計(jì)劃（240m/月）可節(jié)約施工工期3月。同時，本項(xiàng)目泥水分離技術(shù)節(jié)約了大量用地、自來水和膨潤土等泥漿材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用該綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)，盾構(gòu)每掘進(jìn)1m可節(jié)約自來水228.4噸，可節(jié)約膨潤土8.25噸，整個工程總計(jì)節(jié)約用水85.4萬噸、節(jié)約膨潤土61714噸，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論及建議

本文結(jié)合京沈客運(yùn)專線望京隧道盾構(gòu)施工中泥水處理需求，通過合理科學(xué)的泥水處理系統(tǒng)選型、泥漿池優(yōu)化配置和離心機(jī)與壓濾機(jī)的配套使用，建立了一套綠色環(huán)保型盾構(gòu)泥水處理技術(shù)。本工程中建成了國內(nèi)首座泥水盾構(gòu)“零滲漏、零污染、零排放”綠色環(huán)保泥水處理工廠，徹底解決了泥水盾構(gòu)在粘土層、粉質(zhì)粘土層為主的城市核心區(qū)域施工中泥水處理的技術(shù)難題。本技術(shù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)與建議如下：

（1）采用全機(jī)械化處理理念，使泥漿全循環(huán)利用，可達(dá)到零排放;

（2）通過借鑒石油工業(yè)與污水處理企業(yè)中的廢水處理技術(shù)，對盾構(gòu)泥水分離中的水進(jìn)行回收循環(huán)利用，不僅具有環(huán)保意義，還具有一定的經(jīng)濟(jì)意義;

（3）通過應(yīng)用該綠色環(huán)保型泥水處理技術(shù)，在滿足泥水盾構(gòu)城市施工環(huán)保要求的同時，可提高施工效率、降低施工成本、節(jié)約水資源和膨潤土的使用量;

（4）該技術(shù)中仍有一些難題尚未徹底解決，例如絮凝劑對泥漿的離心效果起關(guān)鍵作用，如何保證絮凝劑的使用效果以及如何使泥水分離系統(tǒng)與離心機(jī)和壓濾機(jī)配合發(fā)揮最大能效等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張耕瑋.城市軌道交通隧道盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)探討[J].工程技術(shù)研究，2019，004（007）：P.65-66.

[2] 蘇清貴，翟志國，鄧亨義.泥水盾構(gòu)施工廢棄泥漿的環(huán)保處理技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2012，32（增刊2）.

[3] 魏向明.全黏土地層泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)泥漿處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（7）：77-80.

[4] 張鳳龍.復(fù)雜條件下鐵路大直徑泥水盾構(gòu)施工綜合技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

作者簡介：

鄧亨義（1969—），男，四川省安岳縣人，2017年畢業(yè)于華北科技學(xué)院，工程管理，本科，助理工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程施工技術(shù)管理工作。