复杂城市环境泥水盾构泥浆绿色处理技术分析

杜贵新

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 211800）

1 引言

随着我国科学技术水平的飞速发展，盾构法被广泛应用于在城市中修建隧道[1-2]。其中，在泥水平衡盾构中，掘削产生的土料与新注入的泥水混合形成泥浆，通过排浆泵及管道将其输送至地面，对其处理加工实现循环利用。随着盾构掘进施工，泥水平衡盾构产出的废弃泥浆量一般为掘削土体积的2～3倍[3-6]。这些废弃的泥浆必须得到科学、妥善的处理，否则周边的生态环境将会受到严重影响。特别是在北京这种繁华大都市，对泥浆的科学处理提出了更高要求。

目前，国内众多学者针对泥水平衡盾构隧道产生的废弃泥浆的分离技术进行了分析研究。常鸽等[7]针对钱江隧道盾构掘进产生的废弃泥浆的混凝分离技术进行了探究，得到了混凝分离的最优化条件。袁永学[8]针对杭州望江路过江隧道施工过程中产生的废弃泥浆处理技术进行了探讨。李东升[9]对扬州瘦西湖大直径盾构隧道产生的泥浆分离方法进行了研究，得到了一种泥浆绿色处理技术。许满吉[10]针对南京长江隧道泥水盾构施工中泥浆处理的工艺流程进行了深入研究，其研究结果为泥浆妥善处理提供了在经济上控制成本、时间上保证进度的有益依据。魏向明[11]针对全黏土地层泥水盾构环流系统泥浆处理关键技术进行了研究，对盾构穿越泥水进行计算，并提出保证泥浆处理采取的各种措施。邵启昌[12]针对中心城区泥水盾构隧道泥水系统技术进行了系统的研究，提出了适用于城市卵砾石黏土混合地层的泥水处理配套技术。

综上，目前针对复杂城市环境大直径泥水平衡盾构泥浆的处理技术分析研究相对较少。本文以新建京张高铁清华园隧道为背景，针对在该隧道附近的复杂城市环境下，盾构掘进产生的废弃泥浆绿色处理技术进行了适应性分析与研究。该绿色处理技术的实施，有效地实现了在复杂城市环境下盾构施工“零排放”，为今后类似工程废浆处理技术提供了参考。

2 工程背景

2.1 隧道概况

新建京张城际铁路清华园隧道位于北京市繁华区域。该隧道正线全长6 020 m，其中盾构隧道部分长为4 448.5 m。该隧道分为南北两个盾构区间，采用直径为12.64 m的圆形泥水盾构机同时进行开挖掘进，是目前北京地区开挖断面最大的盾构隧道。

该隧道地处城市核心区，地面建（构）筑物多而复杂，地表环境复杂多变。同时该隧道近距离并行地铁13号线，穿越4处地铁、7处主要城市道路及88条重要市政管线，是国内目前穿越重要建构筑物最多的铁路单洞双线大直径盾构高风险隧道。

根据地质勘察资料与数据，该隧道所在现场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，粉质黏土、粉土地层中超过75μm粒径占比在15%左右；50～20μm粒径颗粒占比约50%，20μm粒径以下颗粒占比约35%。在卵石土层中，2～6 cm卵石的含量占比约60%，最大卵石的颗粒直径超过13 cm。相对而言，粉土、粉质黏土的自稳性较好，砂类土、卵石土自稳能力差，易出现坍塌等问题；同时由于地层变化较大，盾构掘进过程泥浆比重增长较快，劣化泥浆量增加较多，对盾构掘进效率影响较大。

2.2 工程特点

粉质黏土地层长达1 200 m，粒径在50μm以下成分在粉质黏土地层中占比50%以上，目前此类黏土颗粒较难通过泥水分离设备分离，掘进期间需废弃大量泥浆。因施工地点位于北京市海淀区境内，无场地处理成为制约盾构施工效率的一大难点，同时受特殊性政策及北京市高标准环保要求的影响，泥浆的处理方式也是制约掘进效率的难题。

该隧道所处地区环境复杂，环保要求高。地处城市核心区，周边居民、高校密集，施工环境与郊区、野外差异很大，特别是环保要求日益提高，对施工组织、物料运输、夜间施工、设备运转等造成了极大制约，严重影响施工组织。

工期要求高，场地不满足。该隧道地处北京海淀核心区，地面土地尤为珍贵，在地面占用过多的土地，拆迁难度大，影响交通正常运行。为保证节点工期，在如此复杂的条件下，确保2022年北京—张家口冬奥会期间的正常使用，盾构机每个月的平均进度指标为掘进280 m，在同类工程中是前所未有的。

3 泥浆环保综合处理技术

泥浆综合处理技术的作用是分离和处理盾构切削土砂形成的泥水，然后把分离出来的泥浆泵入调整槽。为响应京张高铁绿色办奥理念，京张高铁清华园隧道盾构施工采用ZXSⅡ-2500/20泥水处理设备、压滤设备及离心设备相结合的泥浆综合处理技术，实现泥浆的循环利用。

清华园隧道盾构掘进产生的废浆按以下步骤处理:收集→改性→压滤（含送浆、建压）→排出压滤产生的水→通过隔膜进行压榨→通过吹气进行脱水→卸出废料→对管路进行冲洗。通过PLC装置自动控制所有压滤过程，压滤过程可实现自动切换；通过压滤后形成的渣料含水率可降低至23%，这些渣料可以直接装车运送至废料处理厂。直接将回收的清水和二级旋流后的泥浆进行混合，达到进泥浆的要求，进而实现泥浆的重复利用。由此可做到泥浆循环利用，实现绿色环保施工。

3.1 技术原理

（1）通过预筛分技术、一级旋流分离及二级旋流分离技术，达到有效分离盾构循环泥浆中砂与泥的效果。

（2）采用脱水筛进行高频振动脱水，使外运废渣的含水率≤23%，适合自卸车直接运输。

（3）采用压滤设备处理多余的废浆来保证地面工程泥浆的零排放。

（4）采用离心设备缓解掘进时泥浆处理的压力，将泥浆分离成渣土和水。

（5）运用制调浆设备，达到盾构泥浆循环系统的流量平衡、物料平衡及循环泥浆的调节与快速补偿的效果。

（6）采用PLC远程控制模块，实现地面泥水处理系统的实时监控。

图1给出了泥浆综合处置技术各功能单元的关联示意。

图1 泥浆综合处置技术各功能单元关联

3.2 ZXSⅡ-2500/20泥水处理设备

盾构掘进时产生的污浆经由排泥泵经分配器分配后送入泥水分离设备的进浆槽，然后筛离粒径超过3 mm的渣料；筛分剩下的泥浆进入一级储浆槽，给两套一级旋流器进料，经过旋流除砂器及除泥筛进行筛分，旋流除砂器产生的溢流进入一级中储箱，沿排浆管排出或者进入一级或二级储浆槽，由二级旋流除砂器进浆泵泵入二级旋流除砂器组，二级旋流除砂器组底流口浓浆进入除泥筛的上层细筛，一、二级旋流器底部流经细筛脱水和筛选，分离出干燥的细渣料，筛下浆液则进入一级储浆槽池（见图2）；二级旋流器溢流自溜槽流入沉淀池或调浆池或二次除砂系统中。

图2 泥浆循环池

3.3 压滤设备

盾构机在黏土地层掘进时，泥浆中黏泥颗粒较多，黏度升高，旋流器分离性能将降低。经二级泥水分离设备处理后（见图3），泥浆中细黏土颗粒比重逐渐上升，应该及时清除，否则泥浆的携渣运输能力及环流系统的泵送运输能力将降低，进而影响盾构机泥水环流系统及施工进度。

图3 泥水分离设备

压滤设备的功能（见图4）是在泥水分离设备无法将足够固相颗粒分离出来，同时废浆比重也没有还原到掘进初期较低值（约1.10～1.20 g/cm3）情况下，进行彻底的固液分离。通过分离出低含水率（23%～27%以下）的渣土、回收含低固相颗粒（50 mg/L以下）的滤液，将泥浆比重还原到掘进初期所需的值，实现整个工程的施工过程“零排放”。

图4 泥水压滤设备

图5 离心设备

3.4 离心设备

为缓解掘进时泥浆处理的压力，同时增添了离心设备（见图5）对沉淀池高比重的泥浆进行离心处理。废弃的泥浆被泵送到离心设备通过高速离心处理，然后废弃泥浆被分离成可外运的渣土和水，废弃的渣土被外运出去，分离出的水流入循环系统进行重复利用。如此往复，实现了泥浆的绿色循环利用。

4 应用效果分析

传统的废弃泥浆处理技术效率低下、耗能严重，且污染环境严重。清华园隧道每掘进一环产生约400 m3的废弃泥浆，在泥浆中添加新研发的非离子型PAM絮凝剂，该絮凝剂无污染、无异味，可以加快泥浆絮凝、固结时间，析出的水可重复利用，固结后的土体稍加处理即可直接弃置。

结合工程中产生的废弃泥浆的性质，研发了一种新型高分子聚酯丝滤带材料，将其与一定量的非离子型PAM絮凝剂一同加入泥浆，使泥浆中微小颗粒下沉，将上层水抽排出后输送至压滤机，通过板式压滤机将多余水分挤压出，实现废弃泥浆快速压滤、不粘结，使水土实现严格分离，直接达到废水经处理后重复利用的标准。

掘进产生的泥水通过隔膜压滤设备处理，将泥土和水进行分离，使水资源得以重复利用，泥饼可以直接外运，达到节能环保的效果。

泥浆绿色环保综合处理技术已为京张高铁清华园隧道成功处理了75万m3废浆，其中产生46万m3渣土，废弃渣土如图6所示，压滤设备压滤后的废弃泥饼如图7所示。其余废浆经处置后重新进入环流系统循环利用。该绿色综合处理技术的成功运用大大减少了施工现场的扬尘，防止了废弃泥浆直接排入外界而造成的环境污染，提高了泥水的重复利用率，实现工程建设“零排放”，达到了降低成本、提高效率的目标，同时响应了国家绿色施工的号召。

图6 泥水处理设备筛分渣土

图7 压滤设备压滤后的泥饼

5 结束语

（1）京张高铁清华园隧道盾构施工采用ZXSⅡ-2500/20泥水处理设备、压滤设备及离心设备相结合的泥浆综合处理技术，实现了泥浆循环利用，达到了绿色、环保、节能、高效的目标。

（2）将一定量新研发的非离子型PAM絮凝剂加入泥浆，可实现废弃泥浆快速压滤、不粘结，使水土实现严格分离，直接达到废水经处理后重复利用的标准。

（3）为缓解掘进时泥浆处理的压力，同时增添了离心设备，废弃的泥浆被泵送到离心设备通过高速离心处理，实现了泥浆的绿色循环利用。

（4）泥浆绿色处理技术的实施保证了循环泥浆的质量，产生了更好的泥水平衡效果，达到了降本增效的目标，为今后类似工程提供了技术参考依据。