京張高鐵大直徑泥水盾構施工泥漿環保處理措施研究

趙海濤

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇南京 211800)

1 概述

在城市鐵路的建設過程中，盾構法施工得到了越來越多的應用[1-4]。泥水盾構中采用的泥漿護壁技術可以減少刀具的磨損[5-6]，且無需采用螺旋輸送機，節省了艙內空間，被廣泛應用于大直徑隧道建設中。另一方面，泥水盾構占地較多，且對環境污染比較嚴重，制約了其在城市建筑物密集區中的應用[7]。以新建京張高鐵清華園隧道為例，對盾構產生的泥漿處理措施進行探討。

目前，國內許多學者對于泥漿環保處理措施進行了相關研究。袁永學[8]以杭州望江路過江隧道為工程依托，給出了泥漿的綠色處理措施。蘇清貴[9]等基于北京鐵路地下直徑線工程，計算出了泥漿處理所需的機械設備數量。黨凱[10]對鉆井廢棄泥漿幾種無害化的處理方法進行了介紹。李東升等[11，15]給出了全斷面黏土地質條件下盾構泥漿的綠色處理技術。殷俊等[12-13]通過對廢棄泥漿脫水工藝的研究，設計了一套泥漿絮凝-壓濾脫水的工藝。張學軍[14]總結出了泥水盾構施工配套設備的選型原則。

以下在前人研究的基礎上，以新建京張高鐵清華園隧道為背景，對城市建筑物密集區盾構的泥漿處理進行分析。

2 工程概況

2.1 工程背景及地質概況

京張高鐵清華園隧道正線全長6 020 m，其中4 448.5 m采用直徑為12.64 m的泥水盾構進行掘進，具有直徑大、工期緊、技術復雜和環保要求高等特點。

盾構穿越的主要地層為雜填土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂、粗砂、卵石土等。其中，卵石土地層所占比重較大(卵石土地層長1 800 m，另外還有長1 200 m的卵石土和粉土復合地層)。砂卵石地層自穩能力差，掘進過程中需要的泥漿比重較大；另一方面，土層中的細小顆粒會增加泥漿的比重，增加了泥漿處理的復雜性。

2.2 工程難點

(1)該工程位于北京市海淀區內，拆遷困難，故對于泥水處理的場地大小要求較高。

(2)在盾構穿越的地層中，粉質黏土層中細顆粒占比較多，且泥水分離設備對粒徑在50 μm以下的細顆粒無法完全篩分，故對廢棄泥漿的處理存在一定困難。

(3)隧道的工期要求較高。為了滿足2022年冬奧會期間投入使用，平均每個月要求掘進280 m。

(4)隧道周邊環境也比較復雜，與多條地鐵、市政管線和主干道路相鄰，施工風險高。

3 泥漿環保綜合處理技術

泥水處理總體設計理念為：①制漿系統負責為盾構機制造新鮮的泥漿，調漿系統對回收泥漿進行再處理，使回收泥漿的各項指標滿足要求，最后通過進漿泵輸送到盾構機。②使用后的泥漿和渣土混合體首先進入泥水分離設備，經過粗篩、一級旋流和二級旋流后，基本實現渣土和泥水分離。③經過二級旋流器分離后的泥水通過溢流口流入濃縮池進行沉淀處理，處理后的液體排入濾液池。④濃縮池上層泥漿通過溢流槽流入調整池，加入清水、新鮮的膨潤土調拌后，可直接給盾構機供漿。分離后的二級旋流器溢流泥漿指標合格時，也可以直接進入調整池進行盾構泥漿循環。

3.1 泥水分離系統和主要工程機械

(1)泥水分離系統

泥水分離系統由調漿系統、泥水分離系統、沉淀處理系統、壓濾處理系統、再循環系統組成。

盾構掘進時產生的污漿由排泥泵送入泥水分離設備，經過預篩分器的兩層粗篩后(將粒徑超過3 mm的渣料分離)；篩余的泥漿進入一級儲漿槽，通過兩臺渣漿泵分別給兩套一級旋流器進料，經過旋流除砂器分選，粒徑微細的泥砂由下端的沉砂嘴排出；剩余泥漿進入一級中儲箱，經由二級旋流除砂器進入除泥篩。

(2)主要工程機械

ZXSⅡ-2500/20(如圖1所示)泥水分離設備主要由預篩分器單元、一級旋流除砂單元、二級旋流除泥單元、振動篩分脫水單元、儲漿槽沖砂單元等組成，泥漿最大處理能力為2 500 m3/h。該設備通常以泥漿處理量為1 250 m3/h為基本單元進行組合并聯，在實際應用中比較方便，且性價比較高。

圖1 ZX-2500型泥漿分離系統

3.2 制、調漿系統

制、調漿系統主要是對未達標的漿液進行調整和補充，以達到盾構所需的技術指標和用量，同時對回收后的舊漿液進行再利用。

制漿系統的主要作用是為盾構掘進提供新鮮的泥漿，根據回收的泥漿量以及盾構的掘進速度來決定制漿量。實際施工中，由于開挖土體中細顆粒的影響，使得泥漿的質量指標不斷發生變化。另一方面，為了保證大直徑隧道掘進過程中開挖面土體的穩定性，可以采用調漿系統對其漿液的指標進行調整。

本工程中，調漿和制漿都采用信息化控制，操作人員根據控制室內的監測數據來決定泥漿的調整策略，可有效控制泥漿的質量。

3.3 壓濾設備和離心設備

對于不達標的棄漿，主要采用壓濾處理、離心處理和固化處理的方式，這幾種處理方式各有利弊。固化處理的效率較低，對于場地的要求較高；壓濾處理使得水分被擠出，造成泥漿的比重增大，需要增加離心設備進行再處理，故本工程采用壓濾處理和離心處理相結合的方式。

壓濾設備和泥水分離設備可以組成同一個系統，當泥水分離設備不能進行徹底的固液分離時，可采用壓濾設備將廢棄泥漿還原到掘進初期所需的值，實現了廢棄泥漿的再利用(流程如圖2所示)。

圖2 泥水壓濾設備流程

離心設備(如圖3所示)主要是對含砂率較高的泥漿進行處理，經過處理的泥漿黏度基本不變。棄漿經過離心處理后被分離成固相顆粒和液體，固相顆粒的含水量較低，經過脫水處理后可以運到特定的地方進行存儲。由于該離心設備無法對粉質黏土地層中粒徑5 μm以下的細顆粒進行處理，可采用重復利用或者添加絮凝劑的方法。

圖3 離心設備

離心設備和壓濾設備占地面積相近，離心設備在廢漿處理方面效率更高，而壓濾設備的處理費用較低(加上后期維護成本，壓濾設備處理費用比離心設備少5～20元/m3)，故將兩者結合，可以實現廢漿處理的經濟高效。

3.4 化學藥品的應用

經過統計，該工程掘進一環大約產生400 m3的棄漿。為了提高棄漿的處理效率，在泥漿中添加了非離子型PAM絮凝劑。該絮凝劑的分子能與分散于溶液中的懸浮粒子產生吸附，且對環境無污染。沉淀下來的絮狀沉淀物可用擠壓等方法進行脫水，脫水后得到的固體渣土可以運輸到指定的位置儲存，上層的水可以直接抽出進行重復利用。同時，根據該工程棄漿的性質，研發了一種新型高分子聚酯絲濾帶材料，與PAM絮凝劑共同使用，可以加快水土分離。

4 噪聲控制

隧道位于北京鬧市區內，為了減少對周邊居民的影響，同時滿足北京市關于噪聲控制的有關規定，需要采用特定的措施來減小這些設備產生的噪聲。

圖4 泥水分離設備降噪隔離措施

(1)采用集裝箱框架(見圖4)對泥水分離設備實施降噪隔離。泥水分離設備采用模塊化設計，主要部件都安置在9125 mm×2438 mm×2896 mm(長×寬×高)集裝箱框架內。

(2)采用鋼結構車間隔離主要設備。鋼結構車間墻體為雙層板內夾隔音棉，施工時全封閉，僅留出渣通道、采光窗戶和門，內設維修通道及排氣照明設施。

(3)在分離設備、壓濾設備的外側設置降噪隔離設施。同一系統不同單元的設備間可以安裝隔音墻，隔音墻在系統導渣側留有振動篩出渣通道，側面及上部設有塑鋼窗戶；分離設備出渣導板上鋪設運輸膠墊，以消除渣料掉落撞擊鋼板時產生的噪音。

通過以上幾種措施，有效地減輕了設備運行產生的噪聲，滿足北京市關于噪聲的有關規定。

5 結束語

通過對傳統泥漿廢棄處理技術的創新和改進，經過處理、指標合格的泥漿可以進入循環系統再利用，篩選出來的砂土經過處理后運輸到指定地點儲存，分離出來的水經過處理后可以直接排放，也可以用于泥漿的制作。經過一系列的處理措施，實現了廢棄泥漿的零排放，同時也為類似工程提供了有益的借鑒。