铁路隧道施工废水处理存在的问题

薛正

（中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038）

随着铁路工程的快速发展和环保意识的增强，铁路隧道施工废渣土和尾水所引起的环境问题引起广泛关注［1-3]。目前铁路隧道施工主要采用钻爆法和隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）法，且以钻爆法居多。通常认为，钻爆法施工所产生的施工废水中污染物为岩粉等固体颗粒物、炸药爆炸后残余污染物、支护作业流失的混凝土浆液等［4]。TBM 法施工废水一般呈弱碱性，含有悬浮物（Suspended Solid，SS）及少量石油类等污染物［5-6]。

目前，国内隧道施工废水处理设施和方法越来越多，有效保护了沿线水环境，但也存在诸多问题。为此，本课题组对西南、西北等地区采用典型钻爆法施工的铁路隧道进行调研，总结目前隧道施工废水处理中存在的技术问题，供相关研究和工程建设提供参考。

1 典型钻爆法隧道施工废水水质调研

为深入了解隧道施工废水水质及其污染物的来源，依据铁路隧道所在地域、隧道类型、水文地质条件、围岩岩性、水量等影响因素，对西南地区的郑万铁路、成兰铁路、玉磨铁路和丽香铁路，西北地区的阳安铁路二线等典型钻爆法隧道洞口施工废水的水量和水质进行了长期监测。监测结果见表1。

由表1可知：

1）隧道废水中化学需氧量在1～56 mg/L，可满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》［7]中一级排放标准化学需氧量小于等于100 mg/L 的要求。石油类含量均在5 mg/L 以下，也满足GB 8978—1996 中一级排放标准石油类含量小于等于5 mg/L的要求。氨氮含量在0.20～3.56 mg/L，满 足GB 8978—1996 中 一 级 排放标准氨氮含量小于等于15 mg/L的要求。故石油类和氨氮不是施工废水的主要污染物。

2）隧道废水为碱性或弱碱性，pH 值在7.0～13.0。隧道废水中碱性物质主要来源于施工中的水泥、各类外加剂、注浆材料及其水解产物。如水泥水解产生的硅酸三钙、硅酸二钙、氢氧化钙等，这些物质溶于水后会引起pH值升高。

3）隧道废水中总磷含量在0.01～0.92 mg/L。因总磷主要来源于环境，施工环节中无增加磷的工序，而且后续施工废水处理过程中掺入絮凝药剂聚合氯化铝（Poly Aluminium Chloride，PAC）等混凝剂后［8]，总磷可通过化学除磷方法加以去除，基本可以满足GB 8978—1996 中一级排放标准总磷含量小于等于0.5 mg/L的要求，故总磷非主要污染物。

表1 典型钻爆法铁路隧道施工废水水质分析结果

4）隧道废水中SS 浓度变化较大，SS 浓度在115 ～3766 mg/L，超出了GB 8978—1996 中一级排放标准SS 浓度小于等于70 mg/L 的要求，故SS 是主要污染物。隧道施工废水中SS浓度与掘进段岩性、坡型、水量等有关。一般情况下，顺坡隧道在出水量较小（流速小于等于0.3 ～0.5 m/s）时，悬浮物中的大颗粒物在流动中易沉降，出水中SS浓度较小（约300 ～800 mg/L）；顺坡隧道出水量较大（流速快）时，废水中悬浮物不易沉降，出水中SS 浓度较高（大于1000 mg/L）。反坡隧道出水中SS浓度通常较高，多大于1000 mg/L。

综上所述，典型钻爆法铁路隧道施工废水的主要污染物是SS，石油类不是主要污染物。而目前，国内行业将悬浮物、碱性物质、石油类作为隧道施工废水的主要污染物。TB 10079—2013《铁路污水处理工程设计规范》［9]中规定石油类含量应控制在1～8 mg/L，TB 10010—2016《铁路给水排水设计规范》［10]中推荐采用调节沉淀隔油+气浮处理工艺或过滤工艺去除石油类污染物。茹旭［11]对钻爆法隧道废水水质分析发现，石油类并不是废水的主要污染物，这与本文的监测结果基本一致。周文哲［12]通过现场试验证实了气浮工艺对石油类和悬浮物的去除效果不佳，并建议取消气浮工艺。

此外，应对施工废水的pH 值超标现象予以重视。隧道注浆浆液多为水泥-水玻璃双浆液，发生堵塞后洞口出水pH 值可达13.0 以上。根据调研结果，常规处理工艺中掺入混凝剂可将pH 值降低1 ～2。当废水pH 值超过10.0 时应采取投入盐酸等措施，确保废水的pH值达标。

2 施工废水处理中存在的问题

2.1 隧道施工废水量计算方法有待完善

调研中发现，隧道废水的水量波动大。因隧道水文地质条件复杂，不同隧道的地下水赋存条件差异很大，且精确预测难度较大，加之现行TB 10010—2016中也未对隧道施工废水量计算方法作出规定，导致对废水量的计算和处理规模上缺乏统一认识。目前，隧道废水量的计算多以涌水量为主。依据对废水理解的不同，存在以下两种计算方法。

1）平均流量法。以隧道预测的涌水量为基础，以每小时平均流量为处理规模，并考虑一定的岩性差异，即

式中：Qh为废水处理设施的设计水量，m³/h；Qs为施工工区的正常涌水量，m³/d；T为隧道每天施工时间，h；K为流量变化系数，取值范围1.0 ～2.0，中铁第四勘察设计院集团有限公司取1.0，中铁工程设计咨询集团有限公司多取2.0。

2）比流量法。隧道废水主要源于掌子面前端一定范围（涌水段），以该涌水段的比流量作为废水量设计依据，即

式中：L为隧道工区长度，m；Ly为涌水段长度。

因为对涌水段长度的理解不同，所以各单位取值不同。中铁第一勘察设计院集团有限公司认为施工废水主要集中在掌子面、包含初期支护段在内的掘进前端200 m 范围，Ly取200 m；中铁二院工程集团有限责任公司则认为施工废水主要集中在掌子面、包含初期支护段在内的掘进前端70～120 m，Ly取100 m。

当隧道较短或隧道含水地层分布均匀时隧道涌水的平均流量也较稳定，平均流量法可能较为适用。浅埋隧道或贫水、弱富水隧道因二次衬砌段涌水较少，比流量法有较好的预测效果。但上述方法均存在对隧道涌水认识不足，未充分考虑掌子面涌水特性、施工条件等。具体表现在：①平均流量法以整个隧道每小时平均流量作为依据，而通常在贯通前后整个隧道涌水量才能达到预测的正常涌水量，因此设计规模偏大，导致设施利用率低。②比流量法忽略了二次衬砌段的涌水量，实际施工中二次衬砌段的涌水量因隧道水文地质条件存在差异。浅埋隧道或防水型隧道二次衬砌段的涌水可忽略不计；排水型隧道或深埋富水隧道二次衬砌段环向、纵向盲管所排出的清水量较大，不可忽略。③两种方法均未考虑施工组织和同时施工掌子面数量的影响。通常隧道设置辅助坑道（平导、横洞和斜井）以增加隧道施工作业面，当辅助坑道施工至正洞时，至少存在2个掌子面；当两条单洞单线隧道与横通道或平导连接时，可同时存在3 个或更多的掌子面，使得该施工洞口的涌水量较单一掌子面时涌水多。④两种方法均未考虑隧道排水原则、施工工法和施工条件对隧道涌水量的影响。防水型隧道施工废水量很小，采用注浆、冰冻法固结、泄水洞泄压的隧道实际涌水量会显著降低。

为此，文献［6]结合隧道排水设计原则、施工组织与辅助坑道排水特征提出了排水型隧道和“以堵为主限量排放”隧道废水量的计算方法，即采用工区正洞及辅助坑道的正常涌水量之和减去施工用水量作为隧道废水设计量；当设置泄水洞时还应减去泄水洞设计排水量。此方法理论上可行，但将上述预测涌水量作为废水设计量，将导致废水处理规模偏大、处理设施利用率不高等问题。实践中也存在辅助坑道预测涌水量、泄水洞排水量等数据难以获取等难题。

2.2 对隧道废水处理工艺的认识不足

现行TB 10010—2016 中建议：当隧道废水满足GB 8978—1996 时可采用调节沉淀隔油→气浮（或过滤）→排放或回收利用工艺加以处理。针对钻爆法隧道，石油类不是主要污染物，相关研究［11-12]也证实钻爆法施工隧道废水中石油类极少超标，且气浮处理环节对石油类和悬浮物的去除效果不佳，因此建议取消隔油和气浮环节，但部分TBM 法施工隧道［5-6]废水水质分析显示石油类仍是主要污染物，故建议对在建工程进行水质监测，合理确定不同施工工法隧道废水的主要污染物及其水质特征。

目前，部分隧道工点采用澄清处理替代现行工艺中混凝-沉淀，取消了过滤单元。部分隧道工点采用投入微砂或磁粉等措施强化沉淀，可实现废水的达标排放。京张城际铁路南口隧道出口采用多流向强化澄清器，延长了混凝后颗粒的沉淀时间，通过斜板沉淀也可实现废水的达标排放。因此，隧道废水处理工艺中调节、沉淀、隔油、气浮等单元的科学性与合理性有待深入研究。应结合现有的隧道废水处理技术的先进性和经济性，综合比选后合理确定处理工艺。

此外，对隧道施工废水处理中沉砂、沉淀、混凝等单元的参数设计多参考GB 50014—2006（2016年版）《室外排水设计规范》［13]中生活污水的参数，部分参考CJJ 40—2011《高浊度水给水设计规范》［14]，但隧道废水中的污染物以悬浮无机颗粒为主，其含量、粒径、颗粒表面理化特性等与常规生活污水、高浊度水有较大差异，同时废水量的波动大，采用上述水质的处理工艺和关键参数不一定适宜。因此应结合典型隧道的岩性、施工工法和水质特征探究各处理单元的合理工艺参数，为相关设计提供更加科学的理论依据。

2.3 现有废水处理设备和工艺处理效率偏低

调研中发现，目前隧道废水处理多采用沉砂→混凝沉淀→无阀滤池或快滤池过滤等工艺，水力停留时间高达6 ～10 h，处理效率偏低；在处理大流量废水时或当施工中废水量增加需对废水处理站扩容时，部分铁路隧道尤其是复杂艰险山区铁路隧道的洞口受场地和地形限制常常不能满足要求。为此，可考虑采用部分新型高效处理设备和工艺替代常规处理设施和工艺。重庆东环线江北机场隧道进口段废水处理采用撬装式磁分离设备，主体采用磁鼓-磁盘两级精密磁分离工艺，出水SS 浓度可低于30 mg/L，停留时间小于等于20～25 min。中铁环境科技工程有限公司研发的CRHIC-SED 型隧道施工废水快速处理设备，通过快速混凝、水质澄清和斜板沉淀，必要时通过掺入微砂强化沉淀实现水质快速净化，水力停留时间小于等于20 min，出水SS 浓度可低于50 mg/L，并可通过控制投药参数满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》［15]中Ⅲ类水体要求或GB 8978—1996 中一级排放标准要求。上述新型高效隧道废水处理设备工作效率和自动化程度高、抗冲击能力较强、占地小，且建设周期短，适宜于复杂艰险山区铁路使用。

2.4 清污分流技术措施有待加强

上述平均流量法和比流量法对于水量的预测均是基于洞内清污合流。清污分流时应综合考虑隧道分段地层岩性、地下水分布、施工组织等因素确定废水量预测方法及模型。茹旭［11]针对钻爆法隧道结构和施工排水特征，提出了利用同步修筑侧沟或临时水沟收集二次衬砌段清水和利用中心排水沟收集施工废水的清污分流策略。李传松等［16]在郑万铁路一横洞工区穿越灰岩段时利用同侧布置废水管和清水沟的方法解决了顺坡隧道清污分流的问题，但是目前对反坡隧道、单洞单线隧道的清污分流等技术尚缺乏工程应用实例。不同隧道因断面尺寸，施工组织、方法和工序等均存在很大差异，如何降低清污分流对隧道施工断面的影响，保障施工效率、优化清水和废水收集与输送方案、防止清水的二次污染等问题有待解决，有必要开展不同类型隧道施工排水清污分流技术研究，制定更易于实施的分流方案。

3 结论与建议

1）通过钻爆法铁路隧道废水水质调研，施工废水的主要污染物是悬浮物和碱性物质，石油类、氨氮和总磷不是主要污染物。

2）平均流量和比流量法两种隧道施工废水量计算方法所得结果存在较大误差，同时现有的隧道废水设计参数多借鉴生活污水和高浊度水处理，未能充分考虑隧道施工废水的水质特性，存在一定的不适应性。建议通过长期废水量监测和分析，探究合理的废水量预测方法，同时针对隧道施工废水水质特征开展相关基础试验，进而确定各处理单元的相关参数。

3）在地形复杂、场坪面积有限、大流量废水须处理的隧道洞口可采用新型高效废水处理设备或新工艺。

4）针对不同正洞及辅助坑道的顺坡及反坡排水特征，研究和制定钻爆法施工和TBM 法施工隧道排水清污分流技术，从源头减少废水产生，降低废水处理设施投入和运行成本，有效保护沿线水环境。