劉偉勝， 孫平賀，3， 曹 函，3， 張可能， 張紹和

(1.有色金屬成礦預測與地質環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083; 2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083； 3.美國亞利桑那州立大學，坦佩 85282)

0 引言

垃圾填埋具有成本低、處置簡單、分類要求低、二次污染小等優(yōu)點，被包括中國在內的世界各國普遍采用。然而，隨著時間和環(huán)境變化，填埋體內部會產(chǎn)生大量滲濾液，其pH值一般為4～9，COD為2000～60000 mg/L，重金屬濃度與市政污水含有的重金屬濃度基本相當，且化學需氧量極高，是一種化學成分復雜、高濃度、有毒的有機廢水[1-2]。目前常用的物理、化學、生物、土地等方法均需要將滲濾液通過預先埋設的分層管網(wǎng)從填埋體中導流后處理。在實際運行過程中，導流管網(wǎng)常出現(xiàn)結垢現(xiàn)象，垢體在沒有及時處置后會逐漸累積，導致管網(wǎng)發(fā)生堵塞，影響滲濾液正常導流排放，如圖1所示。

圖1 國內某垃圾填埋體及結垢物

導流管網(wǎng)出現(xiàn)堵塞后，一般可采用各種物理、化學、機械方法進行管道清洗，對于清洗無效的管道，可通過非開挖重新布管或修復的方式實現(xiàn)滲濾液的有效排放。非開挖水平定向鉆進技術(Horizontal Directional Drilling, HDD)是一種被廣泛應用于給排水、電力、通信、油氣等領域的新管道敷設和既有管線修復中的技術[3-5]。目前在我國主要應用于市政和油氣管道建設中，在垃圾填埋場滲濾液導流治理中未見報道。本文根據(jù)HDD技術在英國雷納姆垃圾填埋場的工程實踐，結合技術原理、工程背景、工藝過程、應用效果和改進措施等內容展開論述，有望對國內類似工程的環(huán)境治理提供參考。

1 技術原理

HDD技術通過導向鉆機、孔內導向鉆頭和地表監(jiān)測設備實現(xiàn)設計軌跡的鉆進成孔，然后利用擴孔鉆頭實現(xiàn)分級擴孔至設計直徑，最后實施管道回拉敷設。導向階段主要利用導向鉆機在入口處開始導向鉆進，通過監(jiān)測和控制手段使鉆孔按設計軌跡鉆進，并從另一端鉆出地表，完成導向孔的施工(如圖2所示)。導向鉆進法鉆孔軌跡監(jiān)測一般采用地面步行式導航儀，信號采用無線方式進行傳遞。擴孔方法主要包括回拉回轉擴孔、正向回轉擴孔和反拉切割擴孔3種基本工藝方法，常用的擴孔方法是回拉回轉擴孔法(如圖3所示)。一般根據(jù)管道的材質、直徑、鋪管長度以及擴孔狀況和設備情況可以采用不同的鋪管方法，如回拉法、頂入法和拉頂結合法3種[6]。

圖2 導向鉆進成孔原理

圖3 回拉擴孔過程

2 工程背景

雷納姆垃圾填埋場位于英格蘭埃塞克斯泰晤士河北岸，面積約為150公頃(1公頃=104m2,下同)的垃圾填埋場大部分直接建立在河岸邊的沼澤地上(如圖4所示)。該垃圾填埋場建于19世紀中期，20世紀40年代至70年代初期，大量現(xiàn)在被歸類為有害固體和液體的工業(yè)廢棄物同生活垃圾共同進行填埋處理。而近40年來，隨著環(huán)保標準的提高與實施，該填埋場主要處理城市生活固體廢棄物和無害工業(yè)廢棄物。雷納姆垃圾填埋場的底部為沖積粘土層、淤泥質土層和砂礫層，其中粘土層平均厚度達到10 m，為填埋場提供了良好的天然墊層，具有較高的隔水性能[7-8]。該填埋場滲濾液主要通過豎井進行抽采(如圖5所示)，以達到管理部門對滲濾液在堆體內高度的控制要求[9]。但隨著運行時間的延長，堆體的滲透率變小，使豎井的抽排能力受到限制，因此，需要考慮其它技術方法進行抽排，布設水平鉆孔便是方案之一。

圖4 工程位置圖

圖5 豎井結構示意圖

現(xiàn)場勘察資料表明，填埋場堆體的25%～75%由粘土、粉狀物質和大顆粒廢棄物的分解殘余組成，且廢棄物填埋的年代越久遠，可確定的材料比例就越低。通過對現(xiàn)場開展15 m深的槽探，確定場地具有大量水平層理、低滲透性的覆蓋層，覆蓋層可有效降低垂直方向的滲透率，但對水平方向的滲透率影響不大。廢棄物的含水量變化很大，同深度的關聯(lián)性不大。一般而言，如果壓力隨深度增加并且廢棄物基本飽和，則廢棄物孔隙度和含水量可能隨著深度而降低。然而，毛細、蒸發(fā)的綜合影響可以改變這一趨勢。理論上滲濾液的不飽和區(qū)和飽和區(qū)之間沒有明確的界限，但勘察結果顯示，相對干燥的廢棄物位于底層，而相對濕潤的廢棄物則位于堆體的上部。堆體密度ρ的變化很大(0.42～1.52 t/m3)，主要是由于廢棄物自身的非均勻性造成的。對密度ρ與深度z進行了擬合，擬合結果顯示，二者的相關度較低，相關性系數(shù)僅為0.33。由于堆體內的人工設施較為清晰，且廢棄物中無較大體積障礙物，因此采用HDD技術作為水平成孔方式具有可行性。

3 工藝過程

3.1 試驗孔施工

為了保證水平鉆孔的順利實施，技術人員首先在10 m的位置施工了直徑為150 mm的水平試驗孔，相關設備和工藝參數(shù)如表1所示。施工中，首先從深度為10.3 m位置開孔，并以26°的傾角向下鉆進4 m，然后以較小的弧度向上偏移2.5 m后轉向水平，水平部分的長度應為40 m，全程采用地表導向儀進行跟蹤定位。導向孔施工至50 m處遇到了堅硬障礙物，為了避開障礙，調整鉆頭角度使其向上偏轉，此后在80～90 m之間再次遇到了障礙物，鉆頭成功繞開后正常鉆進。導向孔施工耗費4 h后順利完鉆，在軌跡校驗中發(fā)現(xiàn)，局部位置深度偏差±0.25 m，說明廢棄物中的金屬物質對導向儀電磁信號的影響較大，考慮在正式施工時采用有線導向的方式。

表1 試驗鉆孔工藝參數(shù)

同時，在導向孔施工中，入土端并未有鉆井液反排，說明鉆井液在壓力作用下已經(jīng)完全滲入到堆體中，進一步驗證了堆體不均質的多孔結構體系。導向鉆頭在堆體中的切削作用也收到材料的韌性影響，如塑料、織物和金屬等，入土端幾乎沒有鉆屑反排，說明鉆孔基本是利用鉆具的擠壓作用形成的[10]。擴孔首先采用?150 mm擴孔鉆頭實施，盡管未遇到較大障礙物，但鉆機的回拖力和扭矩值非常高，說明擠壓后的鉆孔發(fā)生了縮徑變形，進而增大了鉆具同孔壁之間的回拉阻力。?250 mm擴孔施工是在第二天進行的，而后開始敷設管道。當回拉管道至25 m左右時，鉆機的回拖力便達到極限值120 kN，技術人員只能放棄施工，并從出土端拉出管道，管道外側出現(xiàn)多處較深的劃痕，說明堆體內的廢棄物對管道的阻力遠遠超過鉆機的極限拉力。

3.2 水平孔的正式施工

根據(jù)現(xiàn)場的鉆遇地層特點和試驗鉆孔施工情況，技術人員擬采用正向擴孔工藝，從而減少鉆孔縮徑的范圍，提高擴孔的效率(如圖6、圖7所示)。導向鉆孔施工過程如前所述，不同的是采用有線導向系統(tǒng)替換了無線電磁導向儀，提高軌跡的定位精度。成孔后，將導向鉆具置于水平孔內，然后將超徑銑頭鉆具通過導向鉆桿推入孔內，并進行正向回轉擴孔。由于正式敷設管道的直徑僅為114 mm，因此采用邊擴孔便推進的方式進行管道敷設，工藝參數(shù)如表2所示。由于導向鉆桿的引導作用，使超徑銑頭鉆具能夠沿著設計軌跡進行鉆進，并有效保證了成孔直徑，減少了管道的推進阻力。鉆進至設計位置后，將導向鉆具和超徑銑頭從鉆孔中拉出，完成管道敷設過程。

圖6 鉆孔軌跡示意圖

圖7 施工現(xiàn)場

技術人員采用該技術先后完成了3個滲濾液水平排放孔的施工，分別為HW1、HW2和HW3(如圖8所示)，其中HW1位于填埋區(qū)域，HW2和HW3位于封頂區(qū)域。鉆進過程先后使用了聚合物鉆井液和清水作為潤滑和排出鉆屑的流體介質，銑頭安裝了碳化鎢切削齒作為主要的切削工具，提高了鉆進效率。HW1的施工周期為6天，而HW2和HW3的周期僅為3.5天和3天，充分體現(xiàn)了HDD的技術優(yōu)勢。

表2 正式鉆進工藝參數(shù)

圖8 水平排放孔平面布置圖

4 對比應用效果

在3個水平排放孔竣工后，技術人員開展了為期500～600天的對比應用分析。對比結果表明，在填埋區(qū)域的垂直井群1中共有6口豎井，單井平均抽采滲濾液為1.39 m3/d，此區(qū)域的HW1水平排放孔平均排放量為7 m3/d，為豎井抽采量的5倍。在堆體的封頂區(qū)域，垂直井群2中共有9口豎井，單井平均抽采滲濾液為0.49 m3/d，此區(qū)域的水平排放孔HW2和HW3平均排放量分別為4.84和2.42 m3/d，同樣遠高于豎井的抽采量，說明水平排放孔能夠很好降低堆體內的滲濾液，有效完成導流治理。周圍布設的壓力監(jiān)測結果顯示，水平排放孔周向50～70 m內均有明顯的滲濾液壓力降低，最大水頭降低幅度為8 m。結合敷設成本數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，水平排放孔單位長度的成本為335歐元/m，折合人民幣為2700元/m；而豎井的成本為416歐元/m，折合人民幣為3300元/m，水平排放孔的成本投入更為經(jīng)濟，這主要得益于HDD能夠快速施工的技術優(yōu)勢(參見圖9)。

圖9 應用效果對比

5 結論與展望

(1)HDD技術具有環(huán)境干擾小、施工效率高等優(yōu)點，可應用于垃圾填埋場滲濾液水平排放孔的施工中，并應根據(jù)現(xiàn)場地層條件和工藝參數(shù)對施工過程加以優(yōu)化。

(2)垃圾填埋堆體成分復雜，導向孔施工中的無線電磁信號受干擾程度大，采用有線導向系統(tǒng)替換了無線導向，可極大提高軌跡的定位精度。

(3)正向擴孔和管道敷設技術可避免堆體鉆孔縮徑形成的“抱鉆”現(xiàn)象，降低鉆具和管道阻力，提高敷設效果。

(4)相比于傳統(tǒng)的滲濾液豎井抽排模式，水平鉆孔排放效率更高，成本投入也相對較低，具有極大的推廣意義。

(5)由于HDD在垃圾填埋場滲濾液導流應用實例較少，在設計施工中應充分考慮堆體非均質對施工過程的影響，降低施工風險。