南水北调大兴线顶管泥浆循环工艺优化研究

郑 伟，王 申，聂晨阳，孟 欢

（北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206）

1 工程概况

南水北调工程大兴支线顶管项目位于北京市大兴区及河北固安县，分别与南干渠及廊涿干渠连通。大兴支线连通管线采用1-DN2400管道，全长约46 km（其中北京段长约33.40 km），设计输水流量为6.10 m3/s；新机场水厂连接线采用2-DN1800管道，全长约14 km，设计输水流量4.90 m3/s。该项目主要是通过连通南干渠与河北廊涿干渠，使北京与河北的南水北调水互联互通，同时规划北京新机场水厂提供双水源通道，为北京市增加一条南水北调中线水进京通道。

2 传统顶管泥浆循环处理工艺

2.1 工艺流程

传统顶管泥浆循环处理工艺流程如图1所示，图中一共分为4 个步骤，涉及顶管机，注浆孔，调节池三者：顶管泥浆经过振动筛除砂处理后进入调节池；调节池废弃泥浆排至废弃泥浆池外运处理；调节池中加入清水和膨润土，调节循环浆浓度；循环浆回供给顶管机。

图1 传统泥浆循环处理工艺图

在顶管施工过程中，泥浆的作用主要包含两个：①泥浆在输送和灌注过程中具有流动性，将管道外壁与土层之间的干摩擦变成湿润摩擦，减小摩擦力和顶进力；②泥浆固结后呈现凝胶状，与管壁、土层三者之间相互支撑，平衡土压力，防止地面沉降。

2.2 传统工艺存在的问题

虽然顶管技术在中国已经被广泛应用，但是在理论结合工程实际方面研究较少，尤其是其中的泥浆循环工艺固化成型，在富水砂层的施工过程中的泥水平衡方面，对于泥浆的处理仍然存在一定的问题：

①传统的泥水循环工艺在调节循环泥浆比重的过程中，需要加入清水和膨润土，使顶管机泥水仓砂粒悬浮，从而确保排泥管道的排砂通畅，但是这样会造成工程用水量浪费，废弃泥浆无效处理，污染物占地面积达，处置费用及环境污染问题无法解决，给企业带来环境效益的副作用。

②传统工艺含水量较大，注浆效果不佳，不能够及时形成完整有效的泥浆套，在顶管推进过程中出现顶管推力骤然增大的现象，导致后期出现较大变形，危害整体工程结构。

③南水北调工程属于超长距离顶管施工项目，由于施工工期较长，泥浆的失水将会导致触变泥浆失效，因此必须在管道沿程每隔一定距离设置补浆孔，及时补充新的触变泥浆，但是这样会增加传统工艺的施工压力，同样为泥浆处理问题增加负担。

④管道铺设完毕后触变泥浆会出现失水、收缩和凝固的现场，可能造成地表后期持续沉降的问题。因此，在顶管隧道贯通后需进行置换注浆，及时压注水泥浆，置换或填充施工过程中的触变泥浆，固结隧道和地层。

3 改进顶管泥浆循环处理工艺

3.1 改进工艺步骤

那么针对传统工艺存在的问题，结合泥浆的灌注过程，经过优化改进，增加循环泥浆池、絮凝装置、脱水机及尾水处理装置。改进后的工艺步骤如下，流程图如图2 所示步骤一：顶管泥浆经过振动筛除砂处理后进入调节箱；步骤二：调节箱将废弃泥浆通过絮凝装置进行絮凝反应；步骤三：通过脱水机进行压滤脱水，脱水滤液进入清水箱，干泥外弃；步骤四：清水箱脱水滤液补给循环泥浆池进行浓度调节；步骤五：循环泥浆池泥浆回供给顶管机。

图2 循环泥浆性能对比分析图

3.2 改进工艺现场应用

项目采用了优化改进的顶管泥浆循环处理系统，增加了循环泥浆池、絮凝装置、脱水机及尾水处理装置。其中调节箱为钢制水箱，长8 m、宽2.80 m、高3.30 m。振动筛安装在调节箱上方，功率为48 kW。循环泥浆池为砖砌水池，长13 m、宽3 m、高1.50 m；清水箱为PE 罐，容积20 m3。废弃泥浆设计流量为15 m3/h；絮凝装置为钢制圆罐，直径2.50 m、高3.50 m；脱水机为2台带式压滤机，带宽3 m。

对优化后循环泥浆工艺现场产生的泥浆检测，顶管泥浆含水率78%左右。泥浆颗粒粒径组成见表1。在各类粒径中，粒径<0.08 mm 的仅占18.40%，0.08～1.000 mm 的砂粒占比为81.60%，可以看到泥浆主要由砂粒组成。该组分不仅能够增强循环过程中泥浆的润滑作用，并且含水量较小的情况下，泥浆固结的时间缩短，大大减少施工周期，同时泥浆、管壁和土层三者的稳定性达到要求。

表1 泥浆颗粒粒径组成表

传统与改进后的泥浆循环处理工艺效益对比如表2 所示。脱水后的干泥含水率为46%左右，满足污泥用于混合填埋＜60%的要求，取得了环保效益。新工艺节约用水24 m3/m，膨润土2.50 t/m，废弃泥浆处理节约45 元/m3。取得了经济效益。废弃泥浆经压滤脱水后再外运处置，实现了泥浆减量、减少占地及资源化利用等效果，采用脱水滤液调节循环泥浆浓度，实现了节约用水效果。优化改进的顶管泥浆循环处理工艺解决了传统工艺用水量大，废弃泥浆占地面积大，处理费用高，污染环境等问题。

表2 传统工艺与改进工艺的效益对比表

4 结论

①通过增加循环泥浆池、絮凝装置、脱水机及尾水处理装置来优化泥浆循环处理工艺，可以达到泥浆减量、节约用水及资源化利用等效果，实现废弃泥浆的二次利用。

②相比于传统工艺，优化后的泥浆循环工艺节约用水24 m3/m，膨润土2.50 t/m，废弃泥浆处理节约45元/m3。取得了经济效益；脱水后的干泥含水率为46%左右，降低了32.35%，满足污泥用于混合填埋＜60%的要求，取得了环保效益。

③优化后的泥浆循环处理工艺不仅可以应用在顶管施工中，而且可以扩展到钻孔灌注桩，土压平衡盾构机施工等大多数水利工程，具有重要的指导意义。