桥梁钻孔灌注桩施工的水土流失防治措施研究

2014-11-27栗健

铁路节能环保与安全卫生 2014年2期

栗健

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近年来，桥梁桥墩广泛采用钻孔灌注桩基础，施工过程中需泥浆保护钻孔孔壁，悬浮钻渣并携带钻渣出孔，进而保证钻孔作业正常进行。桥梁钻孔施工现场多采用储浆池配制和储存泥浆，采用沉淀池去除钻渣使得泥浆可重复使用，最后产生的废弃泥浆或在沉淀池中长期沉淀后掩埋或用槽车运至填埋场。这种作业方式除对施工区域的生态环境产生不利影响外，也对施工区水土保持产生诸多不利影响:开挖泥浆池破坏了土壤结构和表层熟土，施工结束后难以恢复;挖掘机清掏的钻渣含水率很高，不能直接卡车外运，不得不堆积在施工场地晾晒，造成泥水横流;泥浆是稳定的胶体体系，往往沉淀很长时间也不能固液分离，而采用槽车运输废弃泥浆费用较高，部分施工单位将废弃泥浆偷排在池塘内，甚至排至河道，造成下游河道堵塞和水库容积减少，严重影响了其蓄容调蓄和泄洪功能。

目前大多数研究都以围绕如何保证泥浆的性能使泥浆满足重复利用的要求而开展［1］，文献［2－3］对隧道和非开挖定向钻工程的施工过程中的泥浆处理技术进行讨论，文献［4－6］对桥梁钻孔施工泥浆的处理系统进行了介绍;近年来，很多学者又开展施工完毕后废弃泥浆的处理技术，以减少对环境的不利影响［7～9］。中国铁道科学研究院［10］对铁路桥梁施工泥浆的处理技术进行了系统的研究，为开展进一步的铁路桥梁泥浆的处理研究奠定了基础。纵观以上成果，尚缺乏从水土保持角度论证钻孔灌注桩施工泥浆的不利影响，探讨适宜的处理技术和水土保持管理措施的相关研究。

1 泥浆处理现状

1.1 钻孔过程中的泥浆处理及对水土保持的不利影响

桥梁钻孔过程中需去除泥浆中的钻渣以便重复循环使用，目前铁路桥梁钻孔工地现场多采用自然沉淀法。以旋转钻反循环作业方式为例:钻孔作业前在每1～2个桥墩开挖沉淀池1处，一般容积为成孔体积的4～5倍，深度小于3 m，单个沉淀池面积≥30 m2。开钻前在沉淀池中配制泥浆，泥浆自流进钻孔内后，兼起保护孔壁、冷却钻头、悬浮起钻渣和携带钻渣出孔作用，携带钻渣的泥浆被钻机从钻孔中抽出排入沉淀池。钻渣在沉淀池中沉淀，经沉淀后的泥浆可再循环使用。沉淀在沉淀池中的钻渣慢慢积累，使得沉淀池有效容积逐步减少进而影响钻渣的沉淀效果，须采用挖掘机将钻渣将沉淀池中的钻渣清理。

目前采用的沉淀池处理泥浆对水土保持的不利影响分析:

(1)开挖沉淀池破坏了原土壤结构。每1～2个桥墩就需设沉淀池1处，以通常采用的32 m梁为例，每1 km桥梁泥浆池占地面积约0.067～0.100 hm2(1～1.5亩);钻孔施工结束后难恢复原有的土地功能，严重影响土壤的可恢复性。

(2)沉淀池中清理钻渣使用挖掘机清掏，由于挖掘机清掏出的钻渣含水率较高，不能直接卡车外运，长时间堆积在施工场地晾晒极易造成水土流失，并使得施工环境恶劣、泥水横流并有可能导致周边的水体污染。

1.2 钻孔施工结束后废弃泥浆处理及对水土保持的不利影响

铁路桥梁桩基工程中，一般采用自然沉淀的方法处理废弃泥浆，待废弃泥浆脱水干燥后进行填埋。但由于泥浆是稳定的胶体体系，难以自然沉淀，故长时间不能实现固液分离，当出现降雨或其它意外情况时，易出现泥浆外溢而污染环境。曾出现某铁路施工工地废弃泥浆外溢，造成附近污水处理厂管道堵塞、污水处理池内微生物大量死亡，导致污水处理设施停运，出现排放超标的现象。除自然沉淀外，部分铁路工程指挥部要求将废弃泥浆运至废弃物填埋场，但因废弃泥浆数量大、含水率高、必须采用槽车运输以防遗撒，存在运输成本高等问题，部分施工单位偷排至沟渠、鱼塘甚至河道内，严重影响水体水质，堵塞河道，影响行洪。

目前采用的废弃泥浆的处理和处置方法对水土保持的不利影响分析:

(1)工程建设取弃土场占地面积较大，施工完毕后施工单位较重视对其进行水土保持措施设计，进而达到防治水土流失的效果。但沉淀池单个面积较小，一般情况下施工单位填埋后平整不进行绿化，部分水土保持方案中亦不提出要求。虽然单个沉淀池可能产生的水土流失量较小，但因全线沉淀池较多，累计水土流失量亦相当严重，特别在水土流失较严重地区或降水量较少地区。

(2)废弃泥浆溢流到水体中会造成COD、SS、油类、重金属等污染加重，而且淤积河道，影响行洪;溢流到农田中或直接填埋会对土壤的透气性等理化性质产生不利影响，增加土壤中重金属等污染物的污染而影响作物生长，并且有可能造成周边区域土壤板结、土地盐碱化，使土地失去原有功能;排放到鱼塘等养殖场，会造成水体浑浊、溶解氧降低，影响水生生物的生长。

综上所述，目前施工现场泥浆的处理现状可能产生对水土流失产生不利影响，应提出适用于桥梁施工现状的泥浆处理技术，并从钻孔过程中的泥浆处理和废弃泥浆处理两方面提出相应的管理要求以防治水土流失。

2 泥浆处理适宜技术

2.1 钻孔过程中的泥浆处理

桥梁钻孔泥浆的处理以去除钻渣保证泥浆的性能为目的。除沉淀池自然沉淀钻渣外，机械分离法亦是去除钻渣的有效办法，利用机械设备如振动筛将大颗粒钻屑分离，分离后泥浆循环使用。与自然沉淀法相比，机械分离法占地小，效率高。目前在石油钻探固相处理中得到广泛应用。石油钻井施工对泥浆的性能要求较高，处理泥浆工艺较复杂，除分离钻渣外，还涉及除气、添加加重材料和添加剂等。钻井液的固相控制一般采用振动筛+水力旋流除砂器+水力旋流除泥器+离心机四道工艺，需去除有害气体时，在振动筛后增设除气器。钻机设有高架的泥浆处理平台，各处理设备依次排开，钻孔中出来的泥浆经处理后钻渣排入沉渣池，处理后的泥浆重复使用。

对钻孔桩直径较大、钻孔较深、泥浆性能要求高、水中墩等不好设置沉淀池的桥梁施工工点，目前多采用泥浆处理设备进行处理。如广东长大公路崖门大桥采用德国产BE-250型泥浆处理器处理泥浆，该泥浆处理器处理量250 m3/h，由高频振动筛和水力旋流除砂器组成。孟加拉国帕克西公路桥施工中采用我国生产的ZX-500型泥浆处理设备，也采用振动筛加水力旋流除砂器工艺。目前国内所采用的泥浆处理设备一般功率大、耗能高、占地面积大且除渣的效果不稳定。铁道科学研究院提出了振动筛+水力旋流除泥器的处理工艺，一般情况下仅需开启振动筛，在泥塑或软塑粘土地层时才开启除泥器。该工艺具有处理效果好、能耗低、适用于大多数地层和钻孔方式、处理成本较低，是较理想的钻孔过程泥浆处理设备［10］。

与沉淀池处理相比，采用机械设备处理泥浆，一般可减少开挖3倍以上钻孔体积;若同时采用泥浆槽，可做到零开挖，能最大限度地减少对地表的扰动，保护了表层熟土和土壤结构。机械处理后的钻渣含水率较低，可直接卡车清运，运输过程中无遗撒，既可避免钻渣长时间堆积在施工场地晾晒而造成水土流失的现象，又可减少后续废弃泥浆处理的工作量。

因此，在条件容许时特别是在水源保护区或自然保护区施工时，应采用泥浆固液分离设备，减少地表扰动，做好水土流失防治。

2.2 废弃泥浆处理

废弃泥浆的处理技术很多，主要有:化学固化法、土地耕作法、化学絮凝固液分离法、化学絮凝+机械分离法等，因污染种类和浓度不同，废弃泥浆无害化处理技术也不尽相同。石油钻井废弃泥浆因油类、重金属、盐类等污染物含量较高，无害化处理工艺相对复杂，较多采用固化法处理，亦有采用固液分离方法后分别对固相、液相进行二次处理，这两种处理方法处理工艺复杂，处理成本高。建筑施工废弃泥浆污染物含量与本底值无太大差别，适宜的处理方法为化学法或化学加机械方法进行固液分离使其减量后填埋，但也存在着工艺较复杂和处理成本高的问题。

虽然近来废弃泥浆的处理技术有了一定的发展，但桥梁施工目前现场仍多采用静置沉淀方法，即先让泥浆在泥浆池中沉淀一定时间，待出现上清液时，再用泵将上清液抽取，剩余底泥就地填埋。部分施工单位采用槽车将泥浆清运，但运费较高。

铁道科学研究院对京沪高铁施工现场废弃泥浆进行检测和实验室试验，研究提出了化学絮凝+静置沉淀+抽出上清液+底泥填埋的粘土废弃泥浆处理工艺。根据待处理泥浆的体积和容重确定添加剂量，不经稀释直接投加干粉絮凝剂后用污泥泵搅拌至生成絮团，静置沉淀1 h后，上清液可达标排放，钻渣就地填埋后可土地整治。处理工艺流程见图1。

图1 粘土废弃泥浆现场处理工艺流程

从工程角度分析，此工艺大幅缩短了泥浆脱水时间，且底泥含水率低，有利于土地及时整治恢复;废弃泥浆可就地填埋或干化后外运，处置成本大大降低;采用直接投加固体药剂的方式，方便施工现场使用。采用该技术处理废弃泥浆可减少工程临时占地、避免废弃泥浆的无序排放，有效达到防治水土流失目的。

3 废弃泥浆水土保持管理要求及其改进意见

目前桥梁施工中对废弃泥浆的水土保持管理要求体现在以下文件中:水土保持方案、环境影响评价、相关设计文件、施工单位制定并上交给建设单位的环保、水土保持措施等，这些水土保持管理要求对施工期的水土流失防治起到了重要作用，但仍存在一些亟待解决的问题。

《中华人民共和国水土保持法》(2011－03－01施行)第24条规定:“生产建设项目选址、选线应当避让水土流失重点预防区和重点治理区;无法避让的，应当提高防治标准，优化施工工艺，减少地表扰动和植被损坏范围，有效控制可能造成的水土流失。”目前桥梁施工部分墩身间设置泥浆池1处，应明确规定桥梁墩身间应共用1个泥浆池方案，以减少地表扰动;因钻孔过程中采用泥浆处理装置可大大减少泥浆池的容积，故应在一般地区推荐采用机械设备分离钻渣，在环境敏感区、自然保护区、水源保护区或水上施工中应明确规定必须采用泥浆钻渣的分离装置。

国内不同行业对施工废弃泥浆均要求不得随意排放［11］。水土保持方案中对桥梁废弃泥浆的处理要求:浆池中的钻渣应定期清理;泥浆废水集中沉淀，底泥干化后运往泥渣土填埋场处置;实施并加强监控。应推广桥梁钻孔废弃泥浆处理技术，以实现废弃泥浆的就地处理，尽量做到钻孔过程中的泥浆及废弃泥浆处理设备化、水土保持管理标准化。在水源保护区等环境敏感区钻孔施工时，应采用泥浆固液分离设备代替沉淀池;钻孔结束后推荐采用现场化学絮凝沉淀方法处理废弃泥浆［12］。