南京纬三路过江通道泥水处理及全线路废弃土再利用技术

张亚洲，夏鹏举，魏代伟，姜 腾，陈喜坤，陆 帅

（1.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京 210098；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100088；3.南京河海科技有限公司，江苏南京 210098）

南京纬三路过江通道泥水处理及全线路废弃土再利用技术

张亚洲1，夏鹏举2，魏代伟3，姜 腾1，陈喜坤1，陆 帅2

（1.河海大学岩土工程科学研究所，江苏南京 210098；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100088；3.南京河海科技有限公司，江苏南京 210098）

利用泥水盾构修建隧道不可避免地会产生大量泥浆和废弃土，如何经济环保地进行泥浆和废弃土处理成为工程面临的一大难题。以南京纬三路过江通道工程为背景，针对该地质条件下泥水处理的难点，通过合理的泥水场地布置和设备选型，并采用针对不同地层的配浆试验、分离设备的选择性使用等措施，实现了泥浆的高效、高质供给，确保了工程顺利实施；根据泥水盾构前后掘进所穿越地质条件的差异，通过废弃黏土和废弃黏土泥浆配制盾构掘进用泥浆、废弃粉细砂用作壁后注浆材料以及废弃卵砾石和碎岩用于混凝土骨料等技术，实现了全线路废弃土的再利用，不仅具有极大的经济效益，还解决了废弃土带来的占地、污染等环境问题，为泥水盾构全线路施工中泥水处理和废弃土再利用提供了新思路。

南京纬三路过江通道；泥水盾构；泥水处理；废弃土；再利用

0 引言

近年来，泥水盾构施工技术越来越广泛地应用于国内外过江隧道的建设，如已经建成的武汉过江隧道、日本东京湾隧道和在建的南京纬三路过江通道等，均采用泥水盾构法施工［1-2］。泥水盾构通过加压泥浆支护开挖面［3］，盾构刀盘切削下来的渣土与泥浆混和后通过排浆管路输出至地面泥水处理设备，经过处理后实现渣浆分离，泥浆再行循环，渣土进行弃运，由于施工过程中地下水和细颗粒的掺入，不可避免地会产生大量泥浆和渣土。目前，对于施工产生的多余泥浆和废弃土，一般采用槽罐车或渣土车运到郊外弃置，而这种处理方式不仅造成资源的浪费，在运输过程中常因漏撒而影响市容，处理不当甚至造成环境污染、河道淤塞和土壤板结等严重后果［4］。因此，如何经济、环保地处理泥水盾构工程产生的多余泥浆和废弃土已成为工程界关注的难题之一。

目前关于泥水盾构工程泥水分离技术泥水分离技术介绍较多［5-6］，而对于废弃土的再利用研究较少［7］。如何实现废弃土的现场再利用成为泥水处理中的一个重要问题。本文以南京纬三路过江通道工程为背景，根据工程地质条件分析泥水处理的难点，阐述泥水处理设备的配置方案和采取的各项措施，并分析该工程泥水处理的效果；根据施工过程中产生的各类废弃土的工程性质，进行泥水盾构废弃土全线路再利用处理，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

南京纬三路过江通道工程采用2台φ14.93 m泥水加压盾构由江北始发井出发，同向掘进施工。隧道设计为双管隧道，其中，南管隧道长5 530 m（盾构段4 134.8 m），北管隧道长4 930 m（盾构段3 537.8 m）。盾构断面达15 m，所穿越地层多为复合地层，但在一段区间内穿越的主要地层不变。盾构从淤泥质黏土地层始发，依次穿越粉细砂层和砾砂、卵石混合地层，再经过南岸粉细砂地层后，到达淤泥质黏土地层经接收井接收贯通。盾构穿越各地层具体长度如表1所示。

表1 纬三路过江通道盾构段穿越地层统计（以南线为例）Table 1 Distribution of different strata along southern tube of Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing

2 泥水及废弃土处理难点分析

泥水及废弃渣土处理的工作效率和效果在泥水盾构施工中不容忽视。对南京纬三路过江通道工程盾构参数及地质条件进行分析可知，该工程的泥水及废弃土处理主要有以下难点：

1）盾构隧道开挖直径达15 m，泥水处理量大，各方面协调难度高，易出现泥水泵负荷过大、开挖面泥水供应不足等情况，或者排浆量大而处理能力不足的困难，因此，合理的设备选择及泥水场地布置十分重要。盾构在江底长距离的高渗透性、大水压的砂卵石地层中泥膜形成困难，对泥水系统的调制浆能力、输送能力及对泥水系统的综合管理能力要求高。

2）盾构始发段掘进过程中穿越黏粉粒含量较高的淤泥质粉质黏土地层，将产生大量的黏土泥浆。盾构在这种黏土地层掘进时，泥水分离设备无法及时将微小黏土颗粒分离，导致泥浆比重及黏度不断增大，为了调整泥浆性质，必须废弃部分泥浆后在调浆池加入适量清水以满足施工要求，从而产生了大量高比重、高黏度的废弃泥浆。废弃泥浆随意排放不仅会破坏环境、影响文明施工，同时还会造成一定的污染。废弃泥浆常规处理方法为外运弃置，但这种处理方法存在运输和处理成本高、环保要求高等问题。

3）废弃土量大，外运弃置造成浪费。盾构始发竖井段位于黏土地层，施工将产生大量的废弃黏土；盾构在全断面粉细砂地层（长达1 670 m）掘进时会产生大量粉细砂渣土；当盾构掘进到砾砂、卵石和砂岩地层时，会产生大量废弃砾砂、卵石和碎岩。如果这些废弃土按照通常外运弃置的方式进行处理，将造成巨大浪费和环境污染。

3 泥水处理技术分析

3.1 泥水处理场地布置及设备选型

南京纬三路过江通道工程泥水处理系统主要设置于地面（见图1），由制浆系统、调浆系统、泥水输送系统和泥水分离系统4个分系统组成，主要包括膨化池、调浆池、清水池、回浆池、沉淀池、旋流器、振动筛、压滤机以及各种阀门、管道和泵等。制浆系统制备的泥浆，经调浆系统调整指标之后，由泥水输送系统输送到盾构泥水舱。经排浆泵送到地面的泥浆，再经预筛处理、一级旋流处理和二级旋流处理使渣土按照粒径大小逐级分离排出，实现渣土分离后的泥浆则再次送入调浆系统进行性质调整，使其成为优质泥浆再循环到泥水舱。

图1 纬三路过江通道工程泥水处理设备平面布置图Fig.1 Plan layout of slurry treatment facilities

根据盾构段地质条件，参考国内设备使用情况，本工程选用黑旋风ZX-3000型泥水分离设备。该分离系统最大泥浆处理量为3 300 m3/h，设置有3级分离：第1级为预筛分离，利用振动筛的振动将泥浆中粒径为3 mm以上颗粒筛除；第2级为1级旋流分离，分离粒度d50＝74 μm；第3级为2级旋流分离，分离粒度d50＝20 μm。旋流器工作原理：泥浆在压力的作用下通入旋流器，旋流器内部浆液流体产生高速旋转，由于离心力的作用，比重大的较大颗粒被甩向内壁，在自重作用下沿锥形壳体下降从下溢口排出，同时，在高速旋转的旋流中心处产生负压，经过净化后，比重较小的细微颗粒在负压的作用下从上溢口流出。筛分后渣土含水率小于25%，经分离净化后泥浆密度小于1.3 g/cm3。

3.2 泥水处理相关措施及效果

泥水处理过程较为复杂，其效果不仅取决于设备的选型和泥水场地的布置，而且与科学管理密切相关，为保证南京纬三路过江通道大直径盾构泥水处理的效率，采取了以下措施。

1）从人员素质、设备状态和材料质量上进行控制。配备专业的泥浆配制试验员，保证泥浆质量；定期进行设备维护保养，发现故障及时处理，保证设备运转；严格管理进场制浆材料，对进场的膨润土、添加剂和制浆用水进行试验，满足使用要求后进入调制浆现场。通过这些措施，使供浆量保证了盾构掘进每天6～8环（每环2 m）的施工进度，经过该系统处理后的泥浆质量优良，易于形成高质量的泥膜，确保施工安全。特别是在极端条件，如江底带压开舱时，成功保证了开挖面稳定。

2）积极开发采用经济、科学、环保的泥浆配制和处理技术。经过现场配浆试验，使不同地层的泥浆配制得到最优化。淤泥质黏土地层选用密度、黏度较低的泥浆以节约成本；粉细砂地层选用密度较大、黏度较小的泥浆以形成较好泥膜；卵石地层选用密度、黏度较大的泥浆以保证开挖面稳定。

3）科学进行设备管理，在不同地层，3级分离设备选择性使用。淤泥质黏土地层施工时由于颗粒较细，1级筛分设备效果不明显，因此关闭部分1级筛分设备，减少设备损耗和电力损耗；砂砾质地层时2级旋流设备将会导致泥浆中细颗粒过度筛分，引起泥浆密度过度减小［8］，需要大量补充膨润土，因此关闭部分2级旋流设备，实现经济性。在不同地层，各级分离设备的选择性使用降低了设备损耗，减少了建设用能，并且节约了制浆材料，减少了分离工作量。

4）根据泥水循环工作原理及现场设备参数进行泥水系统收支平衡计算［8］，进行科学化管理（见图2）。不仅从宏观上掌握了泥水处理的效果和泥水调制的工作量，而且对泥水处理设备的调整、制浆材料用量和泥浆处理费用的估算发挥了重要作用。

4 全线路废弃土再利用技术

通过泥水处理的各项措施，南京纬三路过江通道盾构施工中产生的大部分泥浆得到循环使用，减少了泥浆的废弃量，各项质量指标也得到良好控制；但仍然存在大量废弃土以及淤泥质黏土地层掘进时剩余的大量泥浆需要外运处理的问题。通过对盾构前后掘进的地质条件的差异与掘进顺序上的时间差进行分析，开发了废弃土的全线路综合再利用技术。

图2 泥水收支平衡计算Fig.2 Calculation of slurry balance

4.1 废弃淤泥质黏土和泥浆再利用

南京纬三路过江通道工程明挖段、盾构始发竖井施工段以及盾构前期掘进均处于黏粉粒含量较高的淤泥质粉质黏土地层，产生了大量的废弃黏土及废弃黏土泥浆，这些废弃黏土和泥浆按常规方法处理成本较高，且处理不当会造成环境污染。而盾构随后穿越的全断面粉细砂地层达1 670 m，该地层渗透系数为7.29×10-3cm/s，泥浆不需要另外添加粗颗粒等材料就能满足成膜要求。但是，为了满足泥浆物理稳定性及成膜后泥浆滤失量的要求，泥水盾构在该地层中施工时泥浆密度应调整为1.10～1.15 g/cm3，漏斗黏度为20 s以上。如果能在粉细砂地层的掘进段使用废弃土和废弃泥浆作为造浆材料进行配浆，将极大地降低配浆成本，并具有一定的环境保护效益。

经过现场配浆、渗透和成膜试验发现［9］，利用该废弃淤泥质粉质黏土及泥浆添加增黏剂进行配浆是可行的，每1 000 m3废弃泥浆中增加添加剂5.1～8.5 t，得到的泥浆密度、黏度、泌水率和物理化学稳定性均满足要求，并且在粉细砂地层成膜质量良好。泥浆最佳密度为1.12g/cm3、最佳黏度约20 s（苏氏漏斗黏度），该种泥浆可以在粉细砂地层中渗透形成较为致密的泥皮型泥膜，可以实现开挖面的稳定。

基于上述原因，在泥水处理场地附近修筑了废弃黏土和废弃泥浆暂存池，用以存放废弃黏土，在盾构掘进至随后的粉细砂地层时将黏土和黏土泥浆泵入泥浆池，依据试验结果进行泥浆调配以实现废弃泥浆利用。

4.2 废弃粉细砂再利用

南京纬三路过江通道中期需穿越较长的粉细砂地层，经泥水处理将会产生大量的废弃粉细砂，常规的外运处理极易造成资源浪费。通过对废弃渣土颗粒级配进行分析，发现这种废弃土级配良好，1 mm以下颗粒达80%，这些成分为配制壁后注浆材料所需。

为此，从盾构壁后注浆施工要求、控制围岩应力释放、地层变形及隧道早期稳定性等角度出发，参照《建筑砂浆基本性能试验方法》，对利用废弃粉细砂配制的壁后注浆材料密度、流动度、分层度、泌水率、凝结时间、体积收缩率和早期强度等工程特性进行试验，结果表明利用废弃粉细砂（筛除1 mm以上颗粒）配制的浆液效果良好，满足盾构隧道施工对壁后注浆浆液性质的要求。

南京纬三路过江通道工程盾构掘进至粉细砂地层后，将废弃砂进行清洗，筛除1 mm以上颗粒后，用于配制壁后注浆浆液，控制水胶质量比为0.8，可以得到密度约1.97 g/cm3、稠度10.5 cm、流动度26.2 cm、泌水率1.2%、分层度3 mm、凝结时间17.5 h、体积收缩率10.1%、7 d强度为0.15 MPa左右的壁后注浆体，在工程应用中取得良好效果。减少了壁后注浆所用粉细砂的购买量，大大节约工程投资，减少了运输成本，降低了环境污染。

4.3 废弃砾砂、卵石和砂岩再利用技术

由表1可知，盾构穿越很长一段含有砾砂、卵石和砂岩地层，施工过程中将产生大量废弃的砾砂、卵石及破碎风化岩，根据前期对粉细砂地层再利用的技术和经验，研究了对砾砂、卵石和砂岩地层的废弃渣土再利用技术。

由于盾构穿越砾砂、卵石和砂岩地层产生的废弃土较大粒径颗粒含量多，不再适用于配制壁后注浆材料。通过对废弃渣土进行外观清洁和含泥量检验，根据《建设用卵石、碎石相关规范》对废弃渣土采用不同掺配比例进行了颗粒级配、力学性能等指标检测［10］，结果表明，经筛分水洗设备处理后适当调整掺配比例可获得良好的连续级配且符合《建设用卵石、碎石规范》Ⅱ类要求；进行不同掺配比例试验，可获得满足混凝土拌制的砂、卵砾石集料；通过对混凝土配合比设计，盾构掘进出渣渣样拌制的混凝土可以用于2级及以下等级路面和场内便道、场地硬化等工程施工。

基于上述试验，南京纬三路过江通道工程对于该类废弃渣土进行了筛分、水洗处理后作为混凝土拌制材料，选用水胶比0.42、砂率32%、水泥用量375 kg/cm3、砂子596 kg/cm3、碎石1 268 kg/cm3、水157 kg/cm3、外加剂4.13 kg/cm3配制的混凝土塌落度为40 mm，7 d和28 d抗压强度分别为34.7、41.4 MPa，抗折强度为5.42 MPa，用于管片场工区场内道路、堆场硬化以及各工区临时便道施工，均能满足设计要求，提高了资源利用率。

4.4 废弃土再利用效益

根据工程实施情况，对每一类废弃土再利用所节约的材料、数量进行计算，然后扣除再利用工艺所增加的费用（如在砾砂、卵石和碎石利用过程中，扣除水洗、运输、储存场地租金等费用），得到最终所节约的成本，见表2。

表2 南京纬三路过江通道废弃土再利用经济效益统计Table 2 Statistics of economic benefit of recycling use of mucks produced in shield tunneling

由表2可知，各类废弃土再利用合计可节约成本1 016万元，经济效益显著。同时，极大地避免了材料浪费、废弃土外运造成的环境污染及后续处理难题。

5 结论与建议

1）根据地层条件选用1级筛分及2级旋流设备，对泥水处理现场进行合理布置，并采用针对不同地层的配浆试验、分离设备的选择性使用等措施，保证了泥浆质量、泥水供应以及泥水分离效果等方面，满足了施工要求。

2）南京纬三路过江通道以废弃黏土和废弃黏土泥浆配制掘进用泥浆，以废弃粉细砂作壁后注浆材料，以废弃砾砂、卵石和碎岩用作混凝土骨料，实现了全线路废弃土综合利用，不仅具有显著的经济效益，还解决了废弃土带来的占地、污染等环境问题。

3）综合考虑泥水盾构前后掘进的地质条件差异与掘进顺序上的时间差，从宏观上对工程全线路进行工程废弃土再利用系统规划和实施，具有巨大的经济价值和社会价值，是泥水盾构工程全线路泥水处理及废弃土再利用的新思路。

4）考虑到不同工程盾构参数、地质条件和控制标准的差异，为实现泥水盾构工程全线路废弃土再利用技术，需要在本文的基础上进行大量试验对各类废弃土再利用的控制参数（如废弃黏土泥浆的配比、壁后注浆材料废弃粉细砂掺量、废弃砾砂拌制混凝土的配合比等）进一步研究，提出其他类似再利用的方式。

（References）：

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Slurry Treatment and Waste Muck Recycling Use in Construction of Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing

ZHANG Yazhou1，XIA Pengju2，WEI Daiwei3，JIANG Teng1，CHEN Xikun1，LU Shuai2

（1.Geotechnical Research Institute of Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.CCCC Tunnel Engineering Company Limited，Beijing 100088，China；3.Nanjing Hohai Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

Tunneling by slurry shield inevitably produces a large amount of waste slurry and waste mucks，and how to deal with the waste slurry and waste mucks in an economical and environment-friendly manner is a big challenge for the project.In the construction of Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing，the difficulty in the slurry treatment is analyzed，rational slurry treatment plant is established，proper slurry treatment equipment is selected，and specific slurry mixing proportions and slurry separation equipment operation modes are used for different geological sections，which results in the efficient and high-quality supply of slurry and the successful implementation of the project.Furthermore，the clay mucks and the waste clay slurry are used to prepare fresh slurry for the shield boring，the fine sand mucks are used to prepare the backfilling grout and the gravel cobble mucks are used as aggregate for concrete mixing.In the end，great economic and environmental benefits are achieved.The practice provides a new way for the slurry treatment and muck recycling use for other projects in the future.

Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing；slurry shield；slurry treatment；waste muck；recycling use

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.018

U 455.43

B

1672-741X（2015）11-1229-05

2015-05-29；

2015-08-14

张亚洲（1991—），男，湖南岳阳人，河海大学岩土工程科学研究所在读硕士，研究方向为岩土工程、盾构隧道施工技术。