铁路隧道钻爆法施工废水治理关键技术研究

茹 旭

(中国铁路经济规划研究院有限公司,北京 100038)

随着我国铁路建设事业的快速发展，隧道工程所占的比重日益增加，其施工所带来的环境影响亦引起人们的日益关注[1-4]。其中，铁路隧道所产生的施工废水是主要污染源之一[5-9]，现行《铁路给水排水设计规范》(TB10010—2016)(以下简称“规范”)认为其主要污染因子为悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、石油类等，推荐采用混凝、沉淀、隔油、气浮或过滤的处理方法，取得了一定的成效。但在工程实践中也发现部分隧道施工废水水质与规范不一致、个别处理单元效果不佳，以及设计水量无标准可循等问题。鉴于目前铁路隧道施工以钻爆法为主的实际情况，本文在大量现场调研和试验工作基础上，围绕隧道施工废水水质、水量和处理工艺等关键技术问题进行了研究，并提出了改进建议，以期为相关设计提供有益参考。

1 施工废水主要污染物及处理工艺优化

1.1 施工废水水质与主要污染物

施工废水水质是废水处理工艺的先决条件，而隧道岩性、施工材料及工法决定了施工废水的水质。通常认为钻爆法隧道施工中，开挖和爆破后产生大量的岩屑和粉尘是废水中SS的主要来源；隧道衬砌、注浆所用混凝土、砂浆以及添加剂如减水剂、防冻剂等溶于水后，其水解产物多为碱性，导致废水pH增高；施工所用炸药如乳化炸药或TNT等主要成分为NH4NO3或1，3，5-三硝基甲苯，导致废水中存在一定含量的COD、氨氮或总氮等；此外，洞内施工机械的“跑、冒、滴、漏”等现象导致废水中存在一定的石油类[8]。其他污染物原则上仅与特殊隧道岩土、地下水性质有关，如盐岩隧道并不广泛存在。故规范中给出隧道施工废水主要污染物为SS、COD及石油类，且pH偏碱性，并提出了当施工废水排放达到现行GB8978—1996《污水综合排放标准》规定的一级排放标准或TB/T3007—2000《铁路回用水水质标准》时，推荐采用混凝、沉淀、隔油、气浮或过滤工艺去除SS和石油类等物质，具体如图1所示。

图1 规范推荐隧道施工废水处理工艺流程

上述工艺在实际废水处理中得到了广泛的应用。但课题组调研发现，实际运营中气浮单元的去除效率欠佳，且浮渣极少，说明废水中石油类物质含量较低。为此，课题组选取成兰、玉磨、丽香、郑万、格库、阳安二线、京张城际等铁路的多个隧道施工洞口工点，对上述污染物进行了重点监测和水质采样分析，监测结果如表1所示。

对比现行《污水综合排放标准》一级标准可以看出，典型隧道施工废水中主要污染物为SS，其他COD、石油类、TP等均不超标。需要指出的是，现场监测中也发现个别隧道施工废水中COD及氨氮超标现象，经分析，其主要原因是洞内设有地下车站，工作量大、施工人员多，粪便污水混入施工废水所致。

表1 典型隧道施工废水主要污染物浓度范围

注：括号内为平均值。

1.2 处理工艺的优化

鉴于施工废水中石油类能够满足GB8978—1996《污水综合排放标准》中一级排放标准要求，故可取消规范推荐采用的“隔油”和“气浮”处理单元。但考虑隔油工艺增加的投资不大，且安全系数有一定储备，仍予以保留。同时由于施工废水中pH值最高可达13.0，较规范中上限10.0显著增大，而通过混凝剂(如铝盐或铁盐)的水解来降低废水pH值至6.0～9.0是不现实的，因此有必要增加pH值调节措施，保障废水处理达标排放。此外，依据表1，部分隧道施工废水中SS最高可达6 530 mg/L，较规范中SS的上限4 500 mg/L显著偏大，为降低后续处理负荷，应在调节沉淀池前增设沉砂单元，降低入池SS的含量。

综上，对规范推荐的废水处理工艺流程优化为沉砂、调节pH、混凝、调节沉淀隔油、过滤，详见图2。

图2 优化后的隧道施工废水处理工艺流程

经现场检验，该工艺对隧道施工废水有良好的处理效果，当进水SS为1 064～3 766 mg/L，过滤出水SS在40～65 mg/L，可满足GB8978—1996《污水综合排放标准》中一级标准要求。

另外，因废水中悬浮物含量高、水量波动大，为提高处理工艺抗冲击能力，设计中的调节沉淀及过滤单元应设置为不少于2格(台)，并可采用优化沉淀流态、增加斜板(管)等措施提高系统处理效率。

此外，对贫水隧道或短隧道，因涌水量极小，只有施工作业废水排放，可只利用简易沉砂池、调节pH值的方式，将主要污染物加以去除，能够有效降低基建及运营成本。

2 施工废水来源及设计流量计算方法

2.1 施工废水来源

经现场调查，施工废水来源主要为施工作业废水及受污染的隧道涌水。前者是隧道钻孔、降尘、混凝土养护等工序产生的废水，根据围岩等级、施工工法的差异，按照《铁路工程预算定额手册》(第二册·隧道分册)计算，该部分排水量qm为12～20 m3/延米。后者则是在赋存地下水的地层，因隧道开挖造成其涌出和渗漏，并与掌子面及地面接触后受到污染，其水量与地下水赋存条件、岩性及其渗透系数K、降雨量等密切相关，是隧道施工废水的主要来源。按照现行水文地质勘察设计规范要求，由水文地质专业根据现场调查、勘探、试验等成果确定的水文地质参数，预测隧道正常涌水量Qs和最大涌水量Q0，其中Qs为隧道持续稳定的涌水量，Q0为隧道日最大涌水量。但如何利用涌水预测值作为施工废水设计水量的依据，设计规范中并未做出明确规定。

2.2 施工废水设计水量

隧道施工废水由隧道施工作业废水和隧道涌水两部分组成。但由于现行设计规范中没有明确并给出计算方法，在以往工程设计中计算水量时主要存在以下问题：一是未考虑施工作业废水排放量qm；二是对隧道正常涌水量Qs或者最大涌水量Q0，选择哪一个值作为设计依据意见也不一致；三是由于Qs和Q0是指隧道在没有采取任何工程措施前提下的全隧道地下水排放量，并未考虑隧道衬砌、注浆等措施对涌水的消减作用，加之隧道通常设置多个施工洞口(含辅助坑道)分段施工，或者设置泄水洞分散排水，如直接用Qs或Q0作为某个施工洞口的废水设计水量时，结果偏大。故在设计中应综合考虑上述情况对隧道施工废水设计水量的影响，并结合隧道施工方案予以确定，相关探讨如下。

2.2.1 隧道衬砌和防排水设计影响

根据工程实践，隧道涌水量与地下水赋存状态和围岩的渗透系数有关，即隧道的涌水量与围岩综合渗透系数K、水头H有关，且K越大或H越大，涌水量越大，反之越小[10-13]。

(1)隧道衬砌影响。依据TB10003—2016《铁路隧道设计规范》，对地下水水头不高的段落，设置的排水型隧道衬砌原则上不考虑外水压力，即隧道自由排水，对涌水量无影响；在有水环境保护要求以及岩溶和地下水发育地段，隧道衬砌设计时按承受适当外水水压考虑，即水头减小、涌水量减少。在这种情况下，可根据衬砌渗透系数与围岩渗透系数比值确定外水压力的折减系数β[14-15]，据此推算涌水量折减系数。

(2)隧道注浆影响。当隧道所经过地段存在高压富水区或特殊水环境要求时，通常采用注浆提高围岩的综合渗透系数，降低涌水量[16-19]。依据王建宇、郑波、张成平等的研究成果[14,20-21]，采取帷幕注浆圈手段后，隧道涌水量为注浆圈外径、衬砌内径、衬砌外径、注浆渗透系数和围岩渗透系数、衬砌渗透系数的函数。经计算，对某一确定断面的隧道，注浆体综合渗透系数提高至围岩渗透系数的10倍，隧道涌水量折减系数为0.45；渗透系数提高至50倍，折减系数为0.13；渗透系数提高至100倍，折减系数为0.07。因此，当采取注浆防水时涌水量将会大幅减小。

(3)泄水洞的影响。对设置泄水洞的隧道，由于部分地下水从其排出未被施工污染，不需要处理，且减少了隧道施工洞口的地下水排放量[22]，故对应施工洞口的废水水量也相应减少。

综上所述，对衬砌不考虑外水压力的排水型隧道，由于其地下水水头低、涌水量小，出现Q0的概率本身就不高；对采用“以堵为主、限量排放”设计原则的隧道，由于超前地质预报、超前注浆和承压衬砌等措施目前已非常成熟，且可有效控制隧道涌水量，出现Q0的情况也很少。故采用Q0作为设计依据往往会导致废水处理设施不能充分利用、规模偏大。虽然理论上可以利用隧道衬砌渗透系数、注浆体综合渗透系数与围岩渗透系数的比值推算出对Q0的折减系数，但由于其影响因素复杂，且现阶段无成熟经验，难以量化。而正常涌水量Qs相对平衡了施工期降雨量波动、衬砌和防排水设计等各种影响，现阶段作为施工废水水量的计算依据是较为适宜的。

2.2.2 隧道施工组织影响

一般来说，隧道施工从进口、出口分别掘进，长隧道施工受通风、工期等控制，还需要设置辅助坑道进洞掘进。在隧道设计中，每个施工洞口都会给出其负责掘进的正洞段落和长度。由于水文地质也是分段预测正常涌水量的，故可据此确定该段落涌水量，如有辅助坑道还应叠加其涌水量。

为此，根据铁路隧道预测涌水量、防排水设计原则和施工方案等综合考虑后，对单个隧道施工洞口工区的废水设计水量Q计算如下。

(1)排水型隧道

(1)

式中Q——施工废水设计水量，m3/d；

Qs-z——工区施工正洞的正常涌水量，m3/d；

Qs-f——工区施工辅助坑道正常涌水量，m3/d；

qm——施工作业废水排放量，m3/(m·d)；

L——工区施工正洞长度，m；

T——工区施工工期，d；

Qx——泄水洞排水量，m3/(m·d)。

(2)以堵为主、限量排放隧道

(2)

各参数含义同上。

对于式(1)泄水洞的排水量Qx的确定，需要结合实际工程进行合理分析后确定。

3 施工作业废水和涌水分流排放的可行性

鉴于隧道施工废水的主要来源为施工涌水，其本质为清洁的地下水。若能找到将涌水单独排放、避免污染的方法，即“清污分流”可进一步减少施工废水处理量、节省投资。对此设想进行了深入论证，主要思路是依据隧道内地下水涌出位置的不同加以分流，即掌子面涌水将不可避免与该处的岩屑、岩粉和泥浆等混合而受到污染，难以单独排放，但已衬砌段渗水可利用某些工程手段将其单独引排至洞外，避免污染，特别是施工期顺坡排水的隧道洞口更具有条件。课题组通过分析研究，提出顺坡排水铁路隧道(含辅助坑道)施工废水“清污分流”方法，并在郑万铁路某隧道试点成功[23]。

4 结语

(1)隧道施工废水中主要污染物为SS且pH值>7呈碱性；氨氮、磷酸盐、COD及石油类则为非主要污染物。

(2)当隧道施工废水需满足GB8978—1996《污水综合排放标准》一级排放标准要求时，推荐处理工艺为沉砂、调节pH、混凝、调节沉淀隔油、过滤。

(3)隧道施工废水设计水量应包括施工作业排水及隧道涌水，其中隧道涌水计算应以隧道预测正常涌水量为依据，并根据隧道防排水设计以及隧道正洞施工分段划分、辅助坑道设置、工期等因素综合考虑确定。