京张高铁大直径泥水盾构施工泥浆环保处理措施研究

赵海涛

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京 211800)

1 概述

在城市铁路的建设过程中，盾构法施工得到了越来越多的应用[1-4]。泥水盾构中采用的泥浆护壁技术可以减少刀具的磨损[5-6]，且无需采用螺旋输送机，节省了舱内空间，被广泛应用于大直径隧道建设中。另一方面，泥水盾构占地较多，且对环境污染比较严重，制约了其在城市建筑物密集区中的应用[7]。以新建京张高铁清华园隧道为例，对盾构产生的泥浆处理措施进行探讨。

目前，国内许多学者对于泥浆环保处理措施进行了相关研究。袁永学[8]以杭州望江路过江隧道为工程依托，给出了泥浆的绿色处理措施。苏清贵[9]等基于北京铁路地下直径线工程，计算出了泥浆处理所需的机械设备数量。党凯[10]对钻井废弃泥浆几种无害化的处理方法进行了介绍。李东升等[11，15]给出了全断面黏土地质条件下盾构泥浆的绿色处理技术。殷俊等[12-13]通过对废弃泥浆脱水工艺的研究，设计了一套泥浆絮凝-压滤脱水的工艺。张学军[14]总结出了泥水盾构施工配套设备的选型原则。

以下在前人研究的基础上，以新建京张高铁清华园隧道为背景，对城市建筑物密集区盾构的泥浆处理进行分析。

2 工程概况

2.1 工程背景及地质概况

京张高铁清华园隧道正线全长6 020 m，其中4 448.5 m采用直径为12.64 m的泥水盾构进行掘进，具有直径大、工期紧、技术复杂和环保要求高等特点。

盾构穿越的主要地层为杂填土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、粗砂、卵石土等。其中，卵石土地层所占比重较大(卵石土地层长1 800 m，另外还有长1 200 m的卵石土和粉土复合地层)。砂卵石地层自稳能力差，掘进过程中需要的泥浆比重较大；另一方面，土层中的细小颗粒会增加泥浆的比重，增加了泥浆处理的复杂性。

2.2 工程难点

(1)该工程位于北京市海淀区内，拆迁困难，故对于泥水处理的场地大小要求较高。

(2)在盾构穿越的地层中，粉质黏土层中细颗粒占比较多，且泥水分离设备对粒径在50 μm以下的细颗粒无法完全筛分，故对废弃泥浆的处理存在一定困难。

(3)隧道的工期要求较高。为了满足2022年冬奥会期间投入使用，平均每个月要求掘进280 m。

(4)隧道周边环境也比较复杂，与多条地铁、市政管线和主干道路相邻，施工风险高。

3 泥浆环保综合处理技术

泥水处理总体设计理念为：①制浆系统负责为盾构机制造新鲜的泥浆，调浆系统对回收泥浆进行再处理，使回收泥浆的各项指标满足要求，最后通过进浆泵输送到盾构机。②使用后的泥浆和渣土混合体首先进入泥水分离设备，经过粗筛、一级旋流和二级旋流后，基本实现渣土和泥水分离。③经过二级旋流器分离后的泥水通过溢流口流入浓缩池进行沉淀处理，处理后的液体排入滤液池。④浓缩池上层泥浆通过溢流槽流入调整池，加入清水、新鲜的膨润土调拌后，可直接给盾构机供浆。分离后的二级旋流器溢流泥浆指标合格时，也可以直接进入调整池进行盾构泥浆循环。

3.1 泥水分离系统和主要工程机械

(1)泥水分离系统

泥水分离系统由调浆系统、泥水分离系统、沉淀处理系统、压滤处理系统、再循环系统组成。

盾构掘进时产生的污浆由排泥泵送入泥水分离设备，经过预筛分器的两层粗筛后(将粒径超过3 mm的渣料分离)；筛余的泥浆进入一级储浆槽，通过两台渣浆泵分别给两套一级旋流器进料，经过旋流除砂器分选，粒径微细的泥砂由下端的沉砂嘴排出；剩余泥浆进入一级中储箱，经由二级旋流除砂器进入除泥筛。

(2)主要工程机械

ZXSⅡ-2500/20(如图1所示)泥水分离设备主要由预筛分器单元、一级旋流除砂单元、二级旋流除泥单元、振动筛分脱水单元、储浆槽冲砂单元等组成，泥浆最大处理能力为2 500 m3/h。该设备通常以泥浆处理量为1 250 m3/h为基本单元进行组合并联，在实际应用中比较方便，且性价比较高。

图1 ZX-2500型泥浆分离系统

3.2 制、调浆系统

制、调浆系统主要是对未达标的浆液进行调整和补充，以达到盾构所需的技术指标和用量，同时对回收后的旧浆液进行再利用。

制浆系统的主要作用是为盾构掘进提供新鲜的泥浆，根据回收的泥浆量以及盾构的掘进速度来决定制浆量。实际施工中，由于开挖土体中细颗粒的影响，使得泥浆的质量指标不断发生变化。另一方面，为了保证大直径隧道掘进过程中开挖面土体的稳定性，可以采用调浆系统对其浆液的指标进行调整。

本工程中，调浆和制浆都采用信息化控制，操作人员根据控制室内的监测数据来决定泥浆的调整策略，可有效控制泥浆的质量。

3.3 压滤设备和离心设备

对于不达标的弃浆，主要采用压滤处理、离心处理和固化处理的方式，这几种处理方式各有利弊。固化处理的效率较低，对于场地的要求较高；压滤处理使得水分被挤出，造成泥浆的比重增大，需要增加离心设备进行再处理，故本工程采用压滤处理和离心处理相结合的方式。

压滤设备和泥水分离设备可以组成同一个系统，当泥水分离设备不能进行彻底的固液分离时，可采用压滤设备将废弃泥浆还原到掘进初期所需的值，实现了废弃泥浆的再利用(流程如图2所示)。

图2 泥水压滤设备流程

离心设备(如图3所示)主要是对含砂率较高的泥浆进行处理，经过处理的泥浆黏度基本不变。弃浆经过离心处理后被分离成固相颗粒和液体，固相颗粒的含水量较低，经过脱水处理后可以运到特定的地方进行存储。由于该离心设备无法对粉质黏土地层中粒径5 μm以下的细颗粒进行处理，可采用重复利用或者添加絮凝剂的方法。

图3 离心设备

离心设备和压滤设备占地面积相近，离心设备在废浆处理方面效率更高，而压滤设备的处理费用较低(加上后期维护成本，压滤设备处理费用比离心设备少5～20元/m3)，故将两者结合，可以实现废浆处理的经济高效。

3.4 化学药品的应用

经过统计，该工程掘进一环大约产生400 m3的弃浆。为了提高弃浆的处理效率，在泥浆中添加了非离子型PAM絮凝剂。该絮凝剂的分子能与分散于溶液中的悬浮粒子产生吸附，且对环境无污染。沉淀下来的絮状沉淀物可用挤压等方法进行脱水，脱水后得到的固体渣土可以运输到指定的位置储存，上层的水可以直接抽出进行重复利用。同时，根据该工程弃浆的性质，研发了一种新型高分子聚酯丝滤带材料，与PAM絮凝剂共同使用，可以加快水土分离。

4 噪声控制

隧道位于北京闹市区内，为了减少对周边居民的影响，同时满足北京市关于噪声控制的有关规定，需要采用特定的措施来减小这些设备产生的噪声。

图4 泥水分离设备降噪隔离措施

(1)采用集装箱框架(见图4)对泥水分离设备实施降噪隔离。泥水分离设备采用模块化设计，主要部件都安置在9125 mm×2438 mm×2896 mm(长×宽×高)集装箱框架内。

(2)采用钢结构车间隔离主要设备。钢结构车间墙体为双层板内夹隔音棉，施工时全封闭，仅留出渣通道、采光窗户和门，内设维修通道及排气照明设施。

(3)在分离设备、压滤设备的外侧设置降噪隔离设施。同一系统不同单元的设备间可以安装隔音墙，隔音墙在系统导渣侧留有振动筛出渣通道，侧面及上部设有塑钢窗户；分离设备出渣导板上铺设运输胶垫，以消除渣料掉落撞击钢板时产生的噪音。

通过以上几种措施，有效地减轻了设备运行产生的噪声，满足北京市关于噪声的有关规定。

5 结束语

通过对传统泥浆废弃处理技术的创新和改进，经过处理、指标合格的泥浆可以进入循环系统再利用，筛选出来的砂土经过处理后运输到指定地点储存，分离出来的水经过处理后可以直接排放，也可以用于泥浆的制作。经过一系列的处理措施，实现了废弃泥浆的零排放，同时也为类似工程提供了有益的借鉴。