泥水盾構綠色環保型泥水處理技術及應用

摘?要：本文針對泥水盾構在城市施工中泥水處理困難的問題，結合京沈客運專線望京隧道盾構施工中泥水處理需求，通過合理科學的泥水處理系統選型、泥漿池優化配置和離心機與壓濾機的配套使用，建立了一套綠色環保型盾構泥水處理技術。該應用該技術，在本工程中建成了國內首座泥水盾構“零滲漏、零污染、零排放”綠色環保泥水處理工廠，徹底解決了泥水盾構在粘土層、粉質粘土層為主的城市核心區域施工中泥水處理的技術難題。在本工程采用的綠色環保型泥水處理技術，為我國同類地質條件采用泥水盾構施工提供了可借鑒的經驗。

關鍵詞：泥水盾構;綠色環保型;泥漿處理;零污染;零排放

著我國高速鐵路、城市軌道交通事業的不斷發展，盾構施工技術以其安全、高效、經濟等優勢已經在交通工程施工領域廣泛應用，其中泥水盾構是最為常見的施工技術[1]。經過多年的發展，我國泥水盾構施工技術已日趨完善，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，一方面泥水盾構施工需要的施工場地面積大，在繁華市區寸土寸金，征地拆遷十分困難;另一方面泥水盾構施工泥水分離難度大，廢棄泥水不能及時處理會造成環境污染，會對施工進度和效益帶來影響[3]。特別是，自2015年1月起實施新《環保法》之后[4]，環保形勢越來越嚴峻，對施工提出了“零滲漏、零污染、零排放”綠色環保的要求，這對泥水盾構泥水處理技術提出了更高的要求[5]。

泥水盾構產生的廢棄泥漿含水量搞，微細顆粒多，且含有無機或有機化學物質，常規的處理方式有[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輸車轉運至指定區域存放;（3）將廢棄泥漿直接排放至江河湖海中。顯然，傳統的泥水處理方式是不能滿足泥水盾構城市施工需求，更不能滿足環保要求的。

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

1 工程概況

京沈客運專線是我國《中長期鐵路網規劃》中“四縱四橫”客運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，是國內目前最長的城市高鐵盾構隧道。工程位于北京五環、六環之間，下穿既有長建駕校、南皋路、北小河、首都機場高速公路、機場快軌、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、機場南線高速，盾構施工段存在較大難度和風險。

望京隧道為雙洞單線大直徑隧道，隧道管片外徑10.5m，內徑9.5m，全長8000m，分為兩個標段，由4臺泥水盾構由隧道兩端向中間施工。本工程為其中一個標段，本標段最大縱坡25‰，最小轉彎半徑1500m。本工程盾構穿越地層以粘土層、粉質黏土層、粉土層和粉細砂層等細顆粒地層為主的復合地層，其中直徑小于75μm的細顆粒含量超過70%。盾構隧道施工范圍內存在五層地下水，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 泥水處理系統設備選型

針對以粘土層、粉質黏土層、粉土層和粉細砂層等細顆粒地層為主的復合地層，本工程首先對泥水分離系統進行了優化配置，增加了泥水處理環節，將廢棄泥漿全部進行固液分離，并對分離后清水進行回收循環利用。

本工程中泥水分離設備采用集成模塊式設計，由預篩分單元、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，相互協調，具有故障率低和操作簡單的特點。泥水分離系統總成示意圖見圖1所示。

2.1 預篩分單元選型

根據地勘資料，本工程地質主要以粘土、粉質黏土、粉細砂為主的細顆粒地層，74μm以下顆粒占到了70%左右，為了提高處理效果，預分篩選擇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設計，旋流器處理能力按照如下公式計算：

根據公式（1）結合本工程泥水分離系統設計能力，計算得到本工程泥水分離系統一、二級旋流器配置參數如表1所示。

根據計算結果，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

經一、二級旋流器分離出的濃漿經過脫水分篩單元可處理直徑20μm以上的細小顆粒。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%，滿足出渣運輸的要求。

3 綠色環保型泥水處理技術

3.1 綠色環保型泥水處理總體思路

根據以往經驗與教訓，處于城市核心區域的泥水盾構在粘土層為主的細顆粒地層中快速掘進，若要泥水處理達到“零滲漏、零排放、零污染”的效果，重點是是泥水處理系統的優化配套和泥漿池的優化布置。

結合本項目實際，本項目泥水處理的新思路是：

（1）選擇綠色環保型泥漿材料和保品質泥漿配比，使泥漿分離后的渣土零污染;

（2）摒棄傳統泥漿處理概念，采用全機械化處理理念，使泥漿全循環利用，達到零排放;

（3）借鑒石油磚井工業及污水處理工業在泥水處理技術方面的優勢與應用，使泥水盾構的泥水處理在原有泥水分離系統的設備基礎上，引進壓濾機和離心機等設備，增加泥水處理的過程與環節，在保證盾構高速掘進的基礎上，使泥水處理系統的配套更合理;

（4）改進原有的泥漿池設計理念，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;

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

3.2 綠色環保型泥水處理工藝流程

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

3.3 綠色環保型泥水處理關鍵技術

3.3.1泥漿池配置

本項目采用了“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離心機配置及施工工藝

本項目每臺盾構配備3臺康明克斯臥螺式離心機，每臺離心機額定出力能為100m3/h。離心機將泥漿中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，分離的清液進入離心清液池作為調制泥漿的水循環使用。

3.3.3壓濾機配置及施工工藝

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

經過壓濾機濾出的泥餅含水量<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，可達到北京市污水排放標準的要求。濾除的清水存放于清水池，可再次拌制泥漿循環利用，真正做到零污染、零排放。

3.3.4 泥漿配合比及制拌

采用環保型制漿劑、膨潤土和水按照配比拌制高品質泥漿（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快速掘進的施工需要。按照保證泥水盾構30～40mm/min的掘進指標要求，并結合粘土和粉質粘土為主的地質條件，本項目的泥漿比重應不高于1.2g/cm3，粘度應不超過24s。

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

3.3.5泥漿指標的調整

（1）泥漿比重調整

泥漿比重增加，不僅會增加進排漿泵站的負荷，減少攜渣量，而且會影響到離心機絮凝劑的添加量，因此應嚴格控制泥漿比重。經過試驗得知，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，但當比重升至1.22時，初始分離速度明顯減緩，當比重達到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時進行離心和壓濾處理。而且，泥漿比重達到1.2以上時，盾構掘進速度會降低。

（2）泥漿粘度調整

泥漿粘度對盾構掘進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。常規做法就是想粘度比較高的泥漿中添加清水進行稀釋，當泥漿池容量不足時，需要采用離心機或壓濾機進行處理。為了提高離心機或壓濾機的處理效率，還需要根據不同的情況采取不同的方法降低粘度。

（3）泥漿的PH值調整

試驗表明，各類泥漿都有一個適宜的PH值范圍。PH值控制在適宜的數值內，泥漿的粘度、切力較小，失水量較小，性能比較穩定。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。

4 綠色環保型泥水處理技術應用及效益

4.1 社會效益

基于上述綠色環保型泥水處理技術，本項目建成了國內首座泥水盾構“零滲漏、零污染、零排放”綠色環保泥水處理工廠，在確保盾構掘進效率的基礎上，真正實現了“泥漿不落地”的全機械化固液分離，徹底解決了泥水盾構在城市核心區域的高效掘進與綠色環保問題。自盾構始發掘進以來，本項目未向外排泄過一滴泥漿，也未被投訴過，切實做到了“踐行綠色施工理念，保護藍天，留下綠水青山”。

4.2 經濟效益

項目通過采用多級泥水分離技術，保證了泥水盾構的高速掘進，每臺盾構日平均掘進速度到達了16～20m/日，月平均進度達到了300m/月，遠遠超過了原計劃工期要求。按照月進速度300m計算，比原施工計劃（240m/月）可節約施工工期3月。同時，本項目泥水分離技術節約了大量用地、自來水和膨潤土等泥漿材料。據統計，采用該綠色環保型泥水處理技術，盾構每掘進1m可節約自來水228.4噸，可節約膨潤土8.25噸，整個工程總計節約用水85.4萬噸、節約膨潤土61714噸，獲得了良好的經濟效益。

5 結論及建議

本文結合京沈客運專線望京隧道盾構施工中泥水處理需求，通過合理科學的泥水處理系統選型、泥漿池優化配置和離心機與壓濾機的配套使用，建立了一套綠色環保型盾構泥水處理技術。本工程中建成了國內首座泥水盾構“零滲漏、零污染、零排放”綠色環保泥水處理工廠，徹底解決了泥水盾構在粘土層、粉質粘土層為主的城市核心區域施工中泥水處理的技術難題。本技術總結的經驗與建議如下：

（1）采用全機械化處理理念，使泥漿全循環利用，可達到零排放;

（2）通過借鑒石油工業與污水處理企業中的廢水處理技術，對盾構泥水分離中的水進行回收循環利用，不僅具有環保意義，還具有一定的經濟意義;

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

（4）該技術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與離心機和壓濾機配合發揮最大能效等。

參考文獻：

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

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

[3] 魏向明.全黏土地層泥水盾構環流系統泥漿處理關鍵技術研究[J].鐵道建筑技術，2018（7）：77-80.

[4] 張鳳龍.復雜條件下鐵路大直徑泥水盾構施工綜合技術[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年畢業于華北科技學院，工程管理，本科，助理工程師，現從事隧道與地下工程施工技術管理工作。