杜貴新

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

1 引言

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的飛速發(fā)展，盾構(gòu)法被廣泛應(yīng)用于在城市中修建隧道[1-2]。其中，在泥水平衡盾構(gòu)中，掘削產(chǎn)生的土料與新注入的泥水混合形成泥漿，通過排漿泵及管道將其輸送至地面，對(duì)其處理加工實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)施工，泥水平衡盾構(gòu)產(chǎn)出的廢棄泥漿量一般為掘削土體積的2～3倍[3-6]。這些廢棄的泥漿必須得到科學(xué)、妥善的處理，否則周邊的生態(tài)環(huán)境將會(huì)受到嚴(yán)重影響。特別是在北京這種繁華大都市，對(duì)泥漿的科學(xué)處理提出了更高要求。

目前，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)泥水平衡盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的廢棄泥漿的分離技術(shù)進(jìn)行了分析研究。常鴿等[7]針對(duì)錢江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的廢棄泥漿的混凝分離技術(shù)進(jìn)行了探究，得到了混凝分離的最優(yōu)化條件。袁永學(xué)[8]針對(duì)杭州望江路過江隧道施工過程中產(chǎn)生的廢棄泥漿處理技術(shù)進(jìn)行了探討。李東升[9]對(duì)揚(yáng)州瘦西湖大直徑盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的泥漿分離方法進(jìn)行了研究，得到了一種泥漿綠色處理技術(shù)。許滿吉[10]針對(duì)南京長(zhǎng)江隧道泥水盾構(gòu)施工中泥漿處理的工藝流程進(jìn)行了深入研究，其研究結(jié)果為泥漿妥善處理提供了在經(jīng)濟(jì)上控制成本、時(shí)間上保證進(jìn)度的有益依據(jù)。魏向明[11]針對(duì)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)進(jìn)行了研究，對(duì)盾構(gòu)穿越泥水進(jìn)行計(jì)算，并提出保證泥漿處理采取的各種措施。邵啟昌[12]針對(duì)中心城區(qū)泥水盾構(gòu)隧道泥水系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了適用于城市卵礫石黏土混合地層的泥水處理配套技術(shù)。

綜上，目前針對(duì)復(fù)雜城市環(huán)境大直徑泥水平衡盾構(gòu)泥漿的處理技術(shù)分析研究相對(duì)較少。本文以新建京張高鐵清華園隧道為背景，針對(duì)在該隧道附近的復(fù)雜城市環(huán)境下，盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的廢棄泥漿綠色處理技術(shù)進(jìn)行了適應(yīng)性分析與研究。該綠色處理技術(shù)的實(shí)施，有效地實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜城市環(huán)境下盾構(gòu)施工“零排放”，為今后類似工程廢漿處理技術(shù)提供了參考。

2 工程背景

2.1 隧道概況

新建京張城際鐵路清華園隧道位于北京市繁華區(qū)域。該隧道正線全長(zhǎng)6 020 m，其中盾構(gòu)隧道部分長(zhǎng)為4 448.5 m。該隧道分為南北兩個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，采用直徑為12.64 m的圓形泥水盾構(gòu)機(jī)同時(shí)進(jìn)行開挖掘進(jìn)，是目前北京地區(qū)開挖斷面最大的盾構(gòu)隧道。

該隧道地處城市核心區(qū)，地面建（構(gòu)）筑物多而復(fù)雜，地表環(huán)境復(fù)雜多變。同時(shí)該隧道近距離并行地鐵13號(hào)線，穿越4處地鐵、7處主要城市道路及88條重要市政管線，是國(guó)內(nèi)目前穿越重要建構(gòu)筑物最多的鐵路單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險(xiǎn)隧道。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料與數(shù)據(jù)，該隧道所在現(xiàn)場(chǎng)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，粉質(zhì)黏土、粉土地層中超過75μm粒徑占比在15%左右；50～20μm粒徑顆粒占比約50%，20μm粒徑以下顆粒占比約35%。在卵石土層中，2～6 cm卵石的含量占比約60%，最大卵石的顆粒直徑超過13 cm。相對(duì)而言，粉土、粉質(zhì)黏土的自穩(wěn)性較好，砂類土、卵石土自穩(wěn)能力差，易出現(xiàn)坍塌等問題；同時(shí)由于地層變化較大，盾構(gòu)掘進(jìn)過程泥漿比重增長(zhǎng)較快，劣化泥漿量增加較多，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)效率影響較大。

2.2 工程特點(diǎn)

粉質(zhì)黏土地層長(zhǎng)達(dá)1 200 m，粒徑在50μm以下成分在粉質(zhì)黏土地層中占比50%以上，目前此類黏土顆粒較難通過泥水分離設(shè)備分離，掘進(jìn)期間需廢棄大量泥漿。因施工地點(diǎn)位于北京市海淀區(qū)境內(nèi)，無場(chǎng)地處理成為制約盾構(gòu)施工效率的一大難點(diǎn)，同時(shí)受特殊性政策及北京市高標(biāo)準(zhǔn)環(huán)保要求的影響，泥漿的處理方式也是制約掘進(jìn)效率的難題。

該隧道所處地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)保要求高。地處城市核心區(qū)，周邊居民、高校密集，施工環(huán)境與郊區(qū)、野外差異很大，特別是環(huán)保要求日益提高，對(duì)施工組織、物料運(yùn)輸、夜間施工、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等造成了極大制約，嚴(yán)重影響施工組織。

工期要求高，場(chǎng)地不滿足。該隧道地處北京海淀核心區(qū)，地面土地尤為珍貴，在地面占用過多的土地，拆遷難度大，影響交通正常運(yùn)行。為保證節(jié)點(diǎn)工期，在如此復(fù)雜的條件下，確保2022年北京—張家口冬奧會(huì)期間的正常使用，盾構(gòu)機(jī)每個(gè)月的平均進(jìn)度指標(biāo)為掘進(jìn)280 m，在同類工程中是前所未有的。

3 泥漿環(huán)保綜合處理技術(shù)

泥漿綜合處理技術(shù)的作用是分離和處理盾構(gòu)切削土砂形成的泥水，然后把分離出來的泥漿泵入調(diào)整槽。為響應(yīng)京張高鐵綠色辦奧理念，京張高鐵清華園隧道盾構(gòu)施工采用ZXSⅡ-2500/20泥水處理設(shè)備、壓濾設(shè)備及離心設(shè)備相結(jié)合的泥漿綜合處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)泥漿的循環(huán)利用。

清華園隧道盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的廢漿按以下步驟處理:收集→改性→壓濾（含送漿、建壓）→排出壓濾產(chǎn)生的水→通過隔膜進(jìn)行壓榨→通過吹氣進(jìn)行脫水→卸出廢料→對(duì)管路進(jìn)行沖洗。通過PLC裝置自動(dòng)控制所有壓濾過程，壓濾過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換；通過壓濾后形成的渣料含水率可降低至23%，這些渣料可以直接裝車運(yùn)送至廢料處理廠。直接將回收的清水和二級(jí)旋流后的泥漿進(jìn)行混合，達(dá)到進(jìn)泥漿的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)泥漿的重復(fù)利用。由此可做到泥漿循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保施工。

3.1 技術(shù)原理

（1）通過預(yù)篩分技術(shù)、一級(jí)旋流分離及二級(jí)旋流分離技術(shù)，達(dá)到有效分離盾構(gòu)循環(huán)泥漿中砂與泥的效果。

（2）采用脫水篩進(jìn)行高頻振動(dòng)脫水，使外運(yùn)廢渣的含水率≤23%，適合自卸車直接運(yùn)輸。

（3）采用壓濾設(shè)備處理多余的廢漿來保證地面工程泥漿的零排放。

（4）采用離心設(shè)備緩解掘進(jìn)時(shí)泥漿處理的壓力，將泥漿分離成渣土和水。

（5）運(yùn)用制調(diào)漿設(shè)備，達(dá)到盾構(gòu)泥漿循環(huán)系統(tǒng)的流量平衡、物料平衡及循環(huán)泥漿的調(diào)節(jié)與快速補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

（6）采用PLC遠(yuǎn)程控制模塊，實(shí)現(xiàn)地面泥水處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1給出了泥漿綜合處置技術(shù)各功能單元的關(guān)聯(lián)示意。

圖1 泥漿綜合處置技術(shù)各功能單元關(guān)聯(lián)

3.2 ZXSⅡ-2500/20泥水處理設(shè)備

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的污漿經(jīng)由排泥泵經(jīng)分配器分配后送入泥水分離設(shè)備的進(jìn)漿槽，然后篩離粒徑超過3 mm的渣料；篩分剩下的泥漿進(jìn)入一級(jí)儲(chǔ)漿槽，給兩套一級(jí)旋流器進(jìn)料，經(jīng)過旋流除砂器及除泥篩進(jìn)行篩分，旋流除砂器產(chǎn)生的溢流進(jìn)入一級(jí)中儲(chǔ)箱，沿排漿管排出或者進(jìn)入一級(jí)或二級(jí)儲(chǔ)漿槽，由二級(jí)旋流除砂器進(jìn)漿泵泵入二級(jí)旋流除砂器組，二級(jí)旋流除砂器組底流口濃漿進(jìn)入除泥篩的上層細(xì)篩，一、二級(jí)旋流器底部流經(jīng)細(xì)篩脫水和篩選，分離出干燥的細(xì)渣料，篩下漿液則進(jìn)入一級(jí)儲(chǔ)漿槽池（見圖2）；二級(jí)旋流器溢流自溜槽流入沉淀池或調(diào)漿池或二次除砂系統(tǒng)中。

圖2 泥漿循環(huán)池

3.3 壓濾設(shè)備

盾構(gòu)機(jī)在黏土地層掘進(jìn)時(shí)，泥漿中黏泥顆粒較多，黏度升高，旋流器分離性能將降低。經(jīng)二級(jí)泥水分離設(shè)備處理后（見圖3），泥漿中細(xì)黏土顆粒比重逐漸上升，應(yīng)該及時(shí)清除，否則泥漿的攜渣運(yùn)輸能力及環(huán)流系統(tǒng)的泵送運(yùn)輸能力將降低，進(jìn)而影響盾構(gòu)機(jī)泥水環(huán)流系統(tǒng)及施工進(jìn)度。

圖3 泥水分離設(shè)備

壓濾設(shè)備的功能（見圖4）是在泥水分離設(shè)備無法將足夠固相顆粒分離出來，同時(shí)廢漿比重也沒有還原到掘進(jìn)初期較低值（約1.10～1.20 g/cm3）情況下，進(jìn)行徹底的固液分離。通過分離出低含水率（23%～27%以下）的渣土、回收含低固相顆粒（50 mg/L以下）的濾液，將泥漿比重還原到掘進(jìn)初期所需的值，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程的施工過程“零排放”。

圖4 泥水壓濾設(shè)備

圖5 離心設(shè)備

3.4 離心設(shè)備

為緩解掘進(jìn)時(shí)泥漿處理的壓力，同時(shí)增添了離心設(shè)備（見圖5）對(duì)沉淀池高比重的泥漿進(jìn)行離心處理。廢棄的泥漿被泵送到離心設(shè)備通過高速離心處理，然后廢棄泥漿被分離成可外運(yùn)的渣土和水，廢棄的渣土被外運(yùn)出去，分離出的水流入循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)利用。如此往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了泥漿的綠色循環(huán)利用。

4 應(yīng)用效果分析

傳統(tǒng)的廢棄泥漿處理技術(shù)效率低下、耗能嚴(yán)重，且污染環(huán)境嚴(yán)重。清華園隧道每掘進(jìn)一環(huán)產(chǎn)生約400 m3的廢棄泥漿，在泥漿中添加新研發(fā)的非離子型PAM絮凝劑，該絮凝劑無污染、無異味，可以加快泥漿絮凝、固結(jié)時(shí)間，析出的水可重復(fù)利用，固結(jié)后的土體稍加處理即可直接棄置。

結(jié)合工程中產(chǎn)生的廢棄泥漿的性質(zhì)，研發(fā)了一種新型高分子聚酯絲濾帶材料，將其與一定量的非離子型PAM絮凝劑一同加入泥漿，使泥漿中微小顆粒下沉，將上層水抽排出后輸送至壓濾機(jī)，通過板式壓濾機(jī)將多余水分?jǐn)D壓出，實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿快速壓濾、不粘結(jié)，使水土實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格分離，直接達(dá)到廢水經(jīng)處理后重復(fù)利用的標(biāo)準(zhǔn)。

掘進(jìn)產(chǎn)生的泥水通過隔膜壓濾設(shè)備處理，將泥土和水進(jìn)行分離，使水資源得以重復(fù)利用，泥餅可以直接外運(yùn)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

泥漿綠色環(huán)保綜合處理技術(shù)已為京張高鐵清華園隧道成功處理了75萬m3廢漿，其中產(chǎn)生46萬m3渣土，廢棄渣土如圖6所示，壓濾設(shè)備壓濾后的廢棄泥餅如圖7所示。其余廢漿經(jīng)處置后重新進(jìn)入環(huán)流系統(tǒng)循環(huán)利用。該綠色綜合處理技術(shù)的成功運(yùn)用大大減少了施工現(xiàn)場(chǎng)的揚(yáng)塵，防止了廢棄泥漿直接排入外界而造成的環(huán)境污染，提高了泥水的重復(fù)利用率，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)“零排放”，達(dá)到了降低成本、提高效率的目標(biāo)，同時(shí)響應(yīng)了國(guó)家綠色施工的號(hào)召。

圖6 泥水處理設(shè)備篩分渣土

圖7 壓濾設(shè)備壓濾后的泥餅

5 結(jié)束語

（1）京張高鐵清華園隧道盾構(gòu)施工采用ZXSⅡ-2500/20泥水處理設(shè)備、壓濾設(shè)備及離心設(shè)備相結(jié)合的泥漿綜合處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了泥漿循環(huán)利用，達(dá)到了綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效的目標(biāo)。

（2）將一定量新研發(fā)的非離子型PAM絮凝劑加入泥漿，可實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿快速壓濾、不粘結(jié)，使水土實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格分離，直接達(dá)到廢水經(jīng)處理后重復(fù)利用的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）為緩解掘進(jìn)時(shí)泥漿處理的壓力，同時(shí)增添了離心設(shè)備，廢棄的泥漿被泵送到離心設(shè)備通過高速離心處理，實(shí)現(xiàn)了泥漿的綠色循環(huán)利用。

（4）泥漿綠色處理技術(shù)的實(shí)施保證了循環(huán)泥漿的質(zhì)量，產(chǎn)生了更好的泥水平衡效果，達(dá)到了降本增效的目標(biāo)，為今后類似工程提供了技術(shù)參考依據(jù)。