南水北調(diào)大興線頂管泥漿循環(huán)工藝優(yōu)化研究

鄭 偉，王 申，聶晨陽(yáng)，孟 歡

（北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206）

1 工程概況

南水北調(diào)工程大興支線頂管項(xiàng)目位于北京市大興區(qū)及河北固安縣，分別與南干渠及廊涿干渠連通。大興支線連通管線采用1-DN2400管道，全長(zhǎng)約46 km（其中北京段長(zhǎng)約33.40 km），設(shè)計(jì)輸水流量為6.10 m3/s；新機(jī)場(chǎng)水廠連接線采用2-DN1800管道，全長(zhǎng)約14 km，設(shè)計(jì)輸水流量4.90 m3/s。該項(xiàng)目主要是通過(guò)連通南干渠與河北廊涿干渠，使北京與河北的南水北調(diào)水互聯(lián)互通，同時(shí)規(guī)劃北京新機(jī)場(chǎng)水廠提供雙水源通道，為北京市增加一條南水北調(diào)中線水進(jìn)京通道。

2 傳統(tǒng)頂管泥漿循環(huán)處理工藝

2.1 工藝流程

傳統(tǒng)頂管泥漿循環(huán)處理工藝流程如圖1所示，圖中一共分為4 個(gè)步驟，涉及頂管機(jī)，注漿孔，調(diào)節(jié)池三者：頂管泥漿經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩除砂處理后進(jìn)入調(diào)節(jié)池；調(diào)節(jié)池廢棄泥漿排至廢棄泥漿池外運(yùn)處理；調(diào)節(jié)池中加入清水和膨潤(rùn)土，調(diào)節(jié)循環(huán)漿濃度；循環(huán)漿回供給頂管機(jī)。

圖1 傳統(tǒng)泥漿循環(huán)處理工藝圖

在頂管施工過(guò)程中，泥漿的作用主要包含兩個(gè)：①泥漿在輸送和灌注過(guò)程中具有流動(dòng)性，將管道外壁與土層之間的干摩擦變成濕潤(rùn)摩擦，減小摩擦力和頂進(jìn)力；②泥漿固結(jié)后呈現(xiàn)凝膠狀，與管壁、土層三者之間相互支撐，平衡土壓力，防止地面沉降。

2.2 傳統(tǒng)工藝存在的問(wèn)題

雖然頂管技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是在理論結(jié)合工程實(shí)際方面研究較少，尤其是其中的泥漿循環(huán)工藝固化成型，在富水砂層的施工過(guò)程中的泥水平衡方面，對(duì)于泥漿的處理仍然存在一定的問(wèn)題：

①傳統(tǒng)的泥水循環(huán)工藝在調(diào)節(jié)循環(huán)泥漿比重的過(guò)程中，需要加入清水和膨潤(rùn)土，使頂管機(jī)泥水倉(cāng)砂粒懸浮，從而確保排泥管道的排砂通暢，但是這樣會(huì)造成工程用水量浪費(fèi)，廢棄泥漿無(wú)效處理，污染物占地面積達(dá)，處置費(fèi)用及環(huán)境污染問(wèn)題無(wú)法解決，給企業(yè)帶來(lái)環(huán)境效益的副作用。

②傳統(tǒng)工藝含水量較大，注漿效果不佳，不能夠及時(shí)形成完整有效的泥漿套，在頂管推進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)頂管推力驟然增大的現(xiàn)象，導(dǎo)致后期出現(xiàn)較大變形，危害整體工程結(jié)構(gòu)。

③南水北調(diào)工程屬于超長(zhǎng)距離頂管施工項(xiàng)目，由于施工工期較長(zhǎng)，泥漿的失水將會(huì)導(dǎo)致觸變泥漿失效，因此必須在管道沿程每隔一定距離設(shè)置補(bǔ)漿孔，及時(shí)補(bǔ)充新的觸變泥漿，但是這樣會(huì)增加傳統(tǒng)工藝的施工壓力，同樣為泥漿處理問(wèn)題增加負(fù)擔(dān)。

④管道鋪設(shè)完畢后觸變泥漿會(huì)出現(xiàn)失水、收縮和凝固的現(xiàn)場(chǎng)，可能造成地表后期持續(xù)沉降的問(wèn)題。因此，在頂管隧道貫通后需進(jìn)行置換注漿，及時(shí)壓注水泥漿，置換或填充施工過(guò)程中的觸變泥漿，固結(jié)隧道和地層。

3 改進(jìn)頂管泥漿循環(huán)處理工藝

3.1 改進(jìn)工藝步驟

那么針對(duì)傳統(tǒng)工藝存在的問(wèn)題，結(jié)合泥漿的灌注過(guò)程，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，增加循環(huán)泥漿池、絮凝裝置、脫水機(jī)及尾水處理裝置。改進(jìn)后的工藝步驟如下，流程圖如圖2 所示步驟一：頂管泥漿經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩除砂處理后進(jìn)入調(diào)節(jié)箱；步驟二：調(diào)節(jié)箱將廢棄泥漿通過(guò)絮凝裝置進(jìn)行絮凝反應(yīng)；步驟三：通過(guò)脫水機(jī)進(jìn)行壓濾脫水，脫水濾液進(jìn)入清水箱，干泥外棄；步驟四：清水箱脫水濾液補(bǔ)給循環(huán)泥漿池進(jìn)行濃度調(diào)節(jié)；步驟五：循環(huán)泥漿池泥漿回供給頂管機(jī)。

圖2 循環(huán)泥漿性能對(duì)比分析圖

3.2 改進(jìn)工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

項(xiàng)目采用了優(yōu)化改進(jìn)的頂管泥漿循環(huán)處理系統(tǒng)，增加了循環(huán)泥漿池、絮凝裝置、脫水機(jī)及尾水處理裝置。其中調(diào)節(jié)箱為鋼制水箱，長(zhǎng)8 m、寬2.80 m、高3.30 m。振動(dòng)篩安裝在調(diào)節(jié)箱上方，功率為48 kW。循環(huán)泥漿池為磚砌水池，長(zhǎng)13 m、寬3 m、高1.50 m；清水箱為PE 罐，容積20 m3。廢棄泥漿設(shè)計(jì)流量為15 m3/h；絮凝裝置為鋼制圓罐，直徑2.50 m、高3.50 m；脫水機(jī)為2臺(tái)帶式壓濾機(jī)，帶寬3 m。

對(duì)優(yōu)化后循環(huán)泥漿工藝現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的泥漿檢測(cè)，頂管泥漿含水率78%左右。泥漿顆粒粒徑組成見(jiàn)表1。在各類粒徑中，粒徑<0.08 mm 的僅占18.40%，0.08～1.000 mm 的砂粒占比為81.60%，可以看到泥漿主要由砂粒組成。該組分不僅能夠增強(qiáng)循環(huán)過(guò)程中泥漿的潤(rùn)滑作用，并且含水量較小的情況下，泥漿固結(jié)的時(shí)間縮短，大大減少施工周期，同時(shí)泥漿、管壁和土層三者的穩(wěn)定性達(dá)到要求。

表1 泥漿顆粒粒徑組成表

傳統(tǒng)與改進(jìn)后的泥漿循環(huán)處理工藝效益對(duì)比如表2 所示。脫水后的干泥含水率為46%左右，滿足污泥用于混合填埋＜60%的要求，取得了環(huán)保效益。新工藝節(jié)約用水24 m3/m，膨潤(rùn)土2.50 t/m，廢棄泥漿處理節(jié)約45 元/m3。取得了經(jīng)濟(jì)效益。廢棄泥漿經(jīng)壓濾脫水后再外運(yùn)處置，實(shí)現(xiàn)了泥漿減量、減少占地及資源化利用等效果，采用脫水濾液調(diào)節(jié)循環(huán)泥漿濃度，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約用水效果。優(yōu)化改進(jìn)的頂管泥漿循環(huán)處理工藝解決了傳統(tǒng)工藝用水量大，廢棄泥漿占地面積大，處理費(fèi)用高，污染環(huán)境等問(wèn)題。

表2 傳統(tǒng)工藝與改進(jìn)工藝的效益對(duì)比表

4 結(jié)論

①通過(guò)增加循環(huán)泥漿池、絮凝裝置、脫水機(jī)及尾水處理裝置來(lái)優(yōu)化泥漿循環(huán)處理工藝，可以達(dá)到泥漿減量、節(jié)約用水及資源化利用等效果，實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿的二次利用。

②相比于傳統(tǒng)工藝，優(yōu)化后的泥漿循環(huán)工藝節(jié)約用水24 m3/m，膨潤(rùn)土2.50 t/m，廢棄泥漿處理節(jié)約45元/m3。取得了經(jīng)濟(jì)效益；脫水后的干泥含水率為46%左右，降低了32.35%，滿足污泥用于混合填埋＜60%的要求，取得了環(huán)保效益。

③優(yōu)化后的泥漿循環(huán)處理工藝不僅可以應(yīng)用在頂管施工中，而且可以擴(kuò)展到鉆孔灌注樁，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工等大多數(shù)水利工程，具有重要的指導(dǎo)意義。