TBM开挖施工中产生废水处理技术研究.pdf

Jun.20232023年6 月JOURNALOFDONCGUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.30No.3第30 卷第3期学院学报东莞理TBM开挖施工中产生废水处理技术研究徐亚坤（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆400700)摘要：应用试验研究方法，针对广州市花都区北江引水隧道TBM施工工程中产生的废水进行分析，构建科学、高效的TBM施工废水处理技术流程，进而为类似工程问题提供参考，为深入地开展理论分析奠定前期基础。在分析总结当前隧道施工污水处理情况与水质分析资料的同时，结合隧道施工废水沉降速度与粒径数据，基于精细化设计理念，开发出了平流沉淀池、斜管沉淀池与智能精滤机处理技术。在实际工程应用中发现，系统工作状态良好，同时能利用远程操作系统实时监控设备的工作状况，有效地减少人员的工作量，大幅降低了工程成本。关键词：隧道；TBM；施工污水中图分类号：X799.1文献标志码：A文章编号：1 0 0 9-0 31 2（2 0 2 3）0 3-0 0 8 9-0 6在铁路与公路工程项目中隧道TBM施工污水的释放会干预整个项目的水环境1-3，隧道施工垃圾若随意丢弃将会对附近的水环境造成极大的负面影响。首先使水体浊度升高、溶解氧浓度下降4-7 ；其次施工污水会使附近饮用水水源或农田用水受到不良影响，对附近百姓的用水安全造成威胁8-1 0 。现阶段，铁路项目隧道的施工废水重点使用气浮、混凝沉淀等技术来解决，然而因空间、技术、管控等环节的干扰，现实中处理器材需要耗费较大的成本，导致运维费用居高不下-1 3。所以，为了缓解施工废水对生态环境的影响，并使管理维护简单化、节约开支，有必要对科学处理、低成本维护的隧道施工污水处理技术领域展开研究。目前，主要的隧道施工废水处理方法是研究施工污水的核心污染要素，根据废水水量变化、悬浮物成分的特征，实施隧道施工废水沉降与粒径研究实验，分析处理技术流程，实施废水处理设备开发，并将其应用于TBM工程实践中，为铁路建设项目的隧道施工废水处理环节提供可选择的优化方案14-161隧道TBM施工废水污染物特性分析隧道施工的常用方法包括钻爆法与隧道掘进机（Tunnel BoringMachine，T BM）法等，这些方法所产生的施工废水大多来自地下水、岩体裂缝水，其水质整体接近天然水体水质，然而因为涌水与渗水不可避免地会与施工产生的固体垃圾如废渣等结合，导致悬浮物过多，出水质量降低，使出水不符合环保要求1 7 。现将各种施工技术下的隧道施工污水特点整理为表1 表1不同施工方式隧道施工废水特征比较项目钻爆法TBM首先，钻孔、装药、爆破；其次，通风排烟、出渣；再次，掘进、支护、出渣工艺锚喷支护（必要时支设钢拱等施工工序并行连架）；之后，钻孔（必要时打续作业。设超前支护孔），往复循环。地下水涌水、岩体裂隙水、注地下水涌水、岩体废水来源浆废水、降尘废水、钻孔作业裂隙水、注浆废水、废水。降尘废水。岩粉等固体颗粒物、岩粉等固体颗粒物、炸药爆炸支护作业流失的混污染物后残余污染物、支护作业流失凝土浆液等。无钻的混凝土浆液等。爆法的炸药等化学物质。水量变化大、悬浮物含量高、水量大、连续集中、特点不稳定。悬浮物含量高。不仅如此，隧道涌水、岩溶裂隙水、基岩裂隙水的水质与水量因地层性质的不同而呈现出一定的差异。因此，在不同的地段与地质条件下，涌水的水量会呈现出巨大的差异，日用水量在500m2000m波动。同时同一个隧道工程施工污水排放量在各个施工时期的变化也很大 9 1.1隧道TBM施工废水来源由于不同施工阶段与所选择的隧道施工技术收稿日期：2 0 2 2-1 1-2 2作者简介：徐亚坤（1 9 8 6 一）男，陕西彬州人，工程师，主要从事TBM隧道施工研究，Email：52 2 1 8 30 8 1 q q:c o m2023年东莞理90工学院学报上的差异，隧道项目排出的施工废水影响要素与水量也存在一定的差异，主要包括施工涌水与施工作业废水两种。前者重点涵盖了裂隙水、岩溶水等，这些水的水质优良，然而在出了洞后有很大的概率被洞内的灰尘、设备泄露的油污等影响，使水质受到了污染，这是施工废水的来源。后者是在隧道施工时出现的工业废水，含钻爆后因喷淋与降尘带来的污水、爆破后的产物硝铵等物质残渣带来的污水、喷淋注浆带来的废水与施工器械油污流带来的污水2 0 1.2隧道施工污水污染物的特点文献研究表明2 1 ，隧道施工废水中最核心的污染物成分是悬浮物。此外，由于大型施工设备的油污流出，其中可能含有石油类成分，而裂隙注浆采用的水泥砂浆材料会使废水内的pH上升。大部分隧道施工废水中氧气、氨、氮等含量都过多，对环境产生污染。参考铁路隧道施工废水水质的检测数据和文献信息发现，隧道施工废水的核心影响要素是悬浮物含量，且不同的施工阶段隧道污水悬浮物含量有显著的波动性，尤其在实施爆破、出渣、挖机等操作后，以及在清理废渣、清理沉淀池淤泥等步骤中，施工废水中的悬浮物含量显著升高2 O1.3当前隧道施工废水处理现状及问题目前，铁路隧道废水基本是运用沉淀池联合处理，因隧道放出的水量大，悬浮物很多，污水在沉淀池内只是临时性的停滞；此外，若沉淀池未在规定的阶段内洗涤干净，将导致沉降效率受到影响，使最终的处理结果也大打折扣2 3。为了能尽量稳定沉淀池的处理效率，可选择使用沉砂、混凝沉淀与气浮等辅助技术。如某铁路施工洞内引人了各种沉淀池技术，将混凝池、絮凝池、沉淀池与淤泥相互结合，污水流人到污泥循环沉淀池的前端时，需添加碱、Na,CO，与高分子絮凝剂PAC及高分子助凝剂PAM处理后流入高密度沉淀池的后端，使其水质得到改善。还在施工中的郑渝高铁郑万段、玉磨铁路等工程对污水的处理引人了混凝沉淀、气浮与过滤工艺，成昆铁路采用混凝沉淀和过滤工艺。此外，也有隧道采用平流沉淀池、隔油沉淀池与两级气浮过滤器的方式2 4。运用了沉淀、气浮与过滤工艺后，尽管大部分工程项目废水水质都有一定程度的改善，但弊端是处理设备占地面积大、对工程人员技术要求高以及设备运行费高，因此还应当在缩减设备占地空间、简化运维管理、减少运行费用等领域展开深人研究。2隧道TBM施工废水沉降及粒径分析试验隧道施工废水沉降的快慢与粒径是影响废水处理效果两个关键要素。本文以北江引水隧道4#隧道出口处排出的施工废水为研究对象，开展沉降与粒径研究测试，得到了浊度与沉降时间之间关系，为选定适当工艺处理流程和相关设备的开发提供参考。2.1沉降时间试验根据Stokes方程，悬浮颗粒物半径的平方和其在静水中的沉降速度成正比例关系，也就是颗粒物粒径越大，其沉降速度越快。图1 与图2 分别是不同浑浊度隧道施工污水沉降时间图（图1高浊度，图2 低浊度）。如图所示，开始沉降时，高浊度施工废水的沉降相对更快、同时满足Stokes方程，浊度变化速率随时间延长而下降。沉降试验持续一定时间后，大颗粒悬浮物已不再沉降，余下小颗粒悬浮物的沉降需要耗费极长的试验时间，最终不再自沉降，表现为沉降曲线趋近于与时间坐标轴平行。45004.00035003.0002.50015001 000500013 579111315171921232527293133353739时间/min图1高浊度隧道施工废水沉降时间曲线160014001 2001000NLN/8006004002000084223488824000422时间/min图2低浊度隧道施工废水沉降时间曲线91第3期徐亚坤：TBM开挖施工中产生废水处理技术研究2.2粒径分析在施工污水各级沉淀池的进出通道各自采样，以激光粒度仪对废水中颗粒物粒径进行研究。根据粒径分布情况绘制图3、图4。如图可见，隧道废水在处理前的粒径处于0.7 6 3 37 8.3m的范围内，集中分布于52.8 7 1 7 7.5m的范围内；在使用平流沉淀池设备处理后粒径位于0.7 6 383.26m的范围内，总体分布在2.56 2 8.8 5m的范围内。按照粒径的分布结果，平流沉淀池对超过8 5m的颗粒处理效果相对不错，基本能够全部去除。8100790微分分布80670%/业5累积分布6045034030220110000.00.11.010.0100.01000.0粒径/um图3沉淀池进口废水粒径分布8100790微分分布80670%业5累积分布6045040330220110000.00.11.010.0100.01 000.0粒径/m图4沉淀池出口废水粒径分布3隧道TBM施工废水处理技术研究根据隧道施工废水沉降和粒径分析信息，结合精细化设计原理，运用平流沉淀池、斜管沉淀池、重力式智能精滤机加以处理；另外，为了减少人工费用，实施智能管控开发，设施智能操作，工作人员只用在规定的时间监察与养护即可3.1处理技术的程序隧道施工废水出水后通过自身重力进人平流沉淀池，在沉淀池中处理掉大半径悬浮物后由压力泵将污水引人到斜管沉淀池中，在该池中再清理一些半径一般的悬浮物后，污水将进人到斜管沉淀池后端清水池内，该水池的浑浊情况基本上都不超过2 0 0 NTU，再由压力泵将污水引人到重力式智能精滤机内，实施过滤后排放到附近地区的水体中。精滤机反冲洗水和淤泥池上的清液将再次进入平流沉淀池内。污水处理技术流程见图5。平流沉淀池和斜管沉淀池的底部均安装了泥斗，通过动力排泥装置传递给淤泥装载池，该池在沉淀后沉淀物通过污泥泵进入板框压滤机，从压滤机排除的污泥定期外运。污水平流式斜管沉自动进水沉淀池淀池清水池精滤机清水排放上清液回流反渡洗水厨流污泥处运板框压滤机污泥浓缩池图5污水处理工艺流程3.2核心构筑物开发核心构筑物开发的技术参数见表2。1）多导流板平流式沉淀池。由于废水的水量和水质存在一定的波动性，为了实现沉淀池对20233年92工学院学报东莞理废水中悬浮颗粒物的沉淀效果，需将沉淀池的水流速度控制在适当的范围内，添加导流板增加泥沙流动阻力，加速沉降。结合自然沉降结果，确定7 mm/s的平流速度。另外，在平流沉淀池中先制作一个应急投药模块，在水量或进水浊度多于该沉淀池的产能时，运用该模块，从而使出水质量能保持稳定。平流沉淀池排泥结合泥斗的浊度管控实现智能处理，智能处理模式与泥斗内的浊度配合排泥螺杆泵的使用，使排泥时间控制在10 min左右。表2污水处理工艺主要构筑物技术参数平流 斜管自动工艺参数工艺参数沉淀池沉淀池精滤机主体尺寸7000 x4000 x主体尺寸3.400 x（长x宽高）4.000 x4000 x（长宽高）3.400X/mm4.2004200/mm4400有效水深滤速2.51.86648/m/(m h-)污泥斗高度反洗强度1.432/m/(L.m-2.s-1)表面符合反水2.54反洗方式/(m3.m-2.h-)冲洗停留时间/min6728反洗时间/min62）斜管沉淀池。由于平流沉淀池的处理效率不高，因此引人斜管沉淀池对废水悬浮物进行二次沉淀，充分净化施工废水的水质，在废水的浊度过高时，运用斜管沉淀池能较好地确保出水浊度降低至2 0 0 NTU，使精滤系统的进水压力保持恒定。3）重力式智能精滤机。以重力自流完成过滤，无需额外提供动力装置，能以自产清水来进行自动反清洗。3.3自动控制开发为了减少工人在维护时的工作量，提高设施的智能化程度，需要采用自动管控设备对水处理机制进行集中管控。管控系统根据水处理阶段的进出水浑浊情况、水量等智能运行各级管控阀门，进而达成远程智能管控。自动管控设备的核心控制技术是：1）进水控制。根据进水端废水的浊度控制进水电磁阀的启停，在进水浊度低于指定浊度600NTU的情况下，开启斜管沉淀池进水开关的同时闭合平流沉淀池的入水开关，污水将流入斜管沉淀池，在进水的浑浊低于1 50 NTU时，关掉该池的开关，启动精滤机的进水开关，污水将直接流人精滤机内。2）污泥操控模式。根据平流沉淀池、斜管沉淀池污泥泥斗浑浊情况记录仪中的信息，在浊度超过限定阀值时（此结果参考实地测试的信息来定），启动螺杆泵排泥，将泥斗内的淤泥运往淤泥沉淀池。该池内淤泥运往板框压滤机内，定时定量控制压滤机的投药量、压滤机与螺杆泵相互配合，在螺杆排泥泵开启后启动污泥投药系统。3）应急投药管控模式。结合平流沉淀池、斜管沉淀池进水浊度检测器提供的数据，在进水的浑浊程度超过污水处理的最大值时，系统开启进水应急投药机制，启动絮凝剂投药泵4工程实例分析北江引水隧道TBM施工废水处理设备的设计处理量是50 m/h，可满足现场实际处理要求。结合自动管控机制控制系统内每个步骤浊度的检测信息，浊度去除率和处理效率梳理见表3。据表3的数据，隧道施工污水的浊度在8 0 0 42 0 0NTU的范围，波动范围大。而隧道废渣的排放对污水的质量影响较大，废渣越多，洞身渗水的时间越久，排水的废水越浑浊。本文中废水处理设备出水浊度可控制在2 0NTU以下，核心处理环节是斜管沉淀池和精滤机，浊度清理率分别是7 8.9%9 4.8%、8 5.0%93.7%，平均清理率在9 0%左右。平流沉淀池由于空间大小的约束，悬浮物沉淀时间短，平均清理率实际不足33.4%。平流沉淀池与斜管沉淀池的出水悬浮物粒径分布见表4与表5。可见，斜管沉淀池在处理前粒径在0.2 59 6 5.2 8 5m的范围内，主要集中分布于0.9 8 5 1 4.2 0 7 m范围内。斜管沉淀池处理后的粒径分布在0.2 59 30.455m的范围内，集中分布于0.9 8 5 9.7 0 3um的范围内。根据粒径分布数据，斜管沉淀池对超过30 m的颗粒总体来说清除效果较好，大多数未清除的悬浮物颗粒粒径小于1 0 m。根据本系统在北江隧道TBM施工废水处理的实际运行状况，系统整体可以持续自动运行，同时能利用远程操作系统监控设施的工作状态。施工人员只需定期检测保养即可，能充分地减少人员的工作量。系统运行费用不高，经核算，处理药剂的费用区间是0.0 7 5 0.1 元/吨。0.0000.8140.0000.6731.9370.5561.7350.460.3160.3800.3141.3999800.2590680.214um1%十分布粒径93徐亚坤：TBM开挖施工中产生废水处理技术研究第3期表3污水处理工艺浊度去除率构筑物进水浊度/NTU进水平均浊度/NTU出水浊度/NTU出水平均浊度/NTU去除率范围/%平均去除率/%平流沉淀池811.4 4136.12.444.6641.6 2 965.61594.717.752.633.3斜管沉淀池641.62.965.61594.7102.0 264.7145.078.9 94.889.8自动精滤机102.0 264.7145.07.4 19.813.185.093.790.8表4平流沉淀池出水粒径分布微分分布累计分布粒径微分分布累计分布粒径微分分布累计分布粒径微分分布累记/%/%/um/%/%/um/%/%/um/%0.0000.0000.9852.7929.7094.5279.34860.30820.8012.234950.0590.0591.1923.39113.1005.4778.24668.55425.1691.193960.0770.1361.4424.11517.2156.6275.67774.23130.4551.418980.2910.4271.7455.17422.3898.0195.02479.25536.8510.917990.6831.1102.1125.73728.1269.7034.61183.86644.5900.419991.2412.3512.5556.22234.34811.7413.74787.61353.9540.202991.8844.2353.0927.14541.49314.2072.93790.58665.2850.0631002.5036.7373.7419.37750.87017.1912.24892.83478.9950.000100表5斜管沉淀池出水粒径分布粒径微分分布累计分布粒径微分分布累计分布粒径微分分布累计分布粒径微分分布累计分布/um/%/%/um/%/%/um/%/%/um/%/%0.2140.0000.0000.9853.28111.2254.52711.59369.46420.8010.49199.6440.2590.0330.0331.1923.73514.9605.4779.85679.32025.1690.24499.8880.3140.0440.0771.4424.53719.4976.6276.15085.47030.4550.112100.0000.3800.3810.4581.7455.71725.2148.0194.73890.20836.8510.000100.0000.4600.8941.3532.1126.35331.5679.7033.89994.10744.5900.000100.0000.5561.5772.9302.5556.89338.46011.7412.75296.85953.9540.000100.0000.6732.1975.2173.0928.16446.62414.2071.59298.45165.2850.000100.0000.8142.8177.9443.74111.24757.87117.1910.70299.15478.9950.000100.0005结语1）铁路项目隧道TBM施工废水大部分是来自施工中被污染的地下水涌水及钻爆法后带来的作业废水。由于不同施工场地的地质情况存在一定差异，涌水量也是不固定的，导致隧道施工废水的排放量在每个施工阶段存在一定的差异。2）悬浮物构成了隧道施工废水的主要成分，且各个施工阶段的悬浮物含量都有一定范围的波动。3）根据隧道施工废水污染物特性和试验结果，在沉降试验初始阶段，高浊度施工废水自然沉降速度较快，随着沉降试验的进行，大颗粒悬浮物已基本沉降完毕，剩余小颗粒悬浮物几乎不再自然沉降，平流沉淀池对于大于8 5m粒径的颗粒处理效果较好。4）根据隧道施工废水特性选择模块化设计原则，设计多导流板平流沉淀池、斜管沉淀池、重力式自动精滤机分级进行处理，对构筑物进行自动控制设计，以实现废水高效处理、自动化运行，减少人员工作量。5）在现场检测运转后发现，本系统能高效智能运行，同时能利用远程操作的方式监控设备的工作状态，有效降低人员工作强度、减少设备运行成本。参考文献1交通运输部.2 0 1 9 年交通运输行业发展统计公报N中国交通报，2 0 2 0-0 5-1 2（1）.2陈鹏.老山隧道水文地质条件与隧道建设的水环境效应研究D.南京：南京大学，2 0 0 5.3杨斌，莫苹，吴东国.隧道施工废水水质特征分析J公路交通技术，2 0 0 9,1 1（3）：1 33-1 37.4任伟.某隧道施工废水对地表水环境的影响J.中国科技信息，2 0 0 5,1 7（3）：1 0 7.5解东升，石少帅，陈士林，等.高风险岩溶隧道突水突泥灾害前兆规律与应用研究J.山东大学学报（工学版），2 0 1 2,42（1）：8 1-8 6.6梅志荣，张军伟，李传富.铁路长大隧道建设中地下水防治有关问题研究进展J.铁道工程学报，2 0 0 9，2 6（9）：7 8-8 2.7曾枪栋，李海清.回弄山隧道灾害性涌水突泥的原因分析与对策研究J.公路，2 0 0 8,52（3）：2 1 7-2 2 1.20233年94东莞理工学院学报8方振华，王鹰，冯涛.贵广高速铁路坪山隧道涌水量预测及涌水防治J.路基工程，2 0 1 0 1 6（1）：1 9 7-1 9 9.9STEFANIE E,BOCH R,ALBRECHT L,et al.Scalede posits intunnel drainage systems-Astudy on fabrics and formation mechanisms JJ.Sci-enceofThetotal Environment,2020:718.10贾志恒，陈战利.隧道工程施工废水对环境的影响及处理现状J.江西建材,2 0 1 6,2 3（2 2）：1 7 0-1 7 1.11徐明飞，张国珍，张洪伟，等.隧道涌水预测方法及防治对策研究J.地下水，2 0 1 8,40（1）：6-9.12何明磊.雪山梁隧道施工对地下水环境负效应评价研究D.成都：西南交通大学，2 0 1 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method to analyze the wastewater discharged during the TBMShield Excavation construction project of Beijiang water diversion tunnel in Huadu District,Guangzhou city,to construct a scientificand efficient TBM construction sewage treatment technical process,so as to provide reference for similar engineering problems andlay the early foundation for the in-depth theoretical analysis zone.In this paper,while analyzing and summarizing the current tunnelconstruction sewage treatment situation and water quality analysis data,combined with the tunnel construction sewage settlementspeed and particle size data,based on the fine design concept,developed the advection sedimentation tank,inclined pipe sedimen-tation tank and intelligent fine filter treatment technology.In the practical engineering application,it is found that the system is ingood working condition,and at the same time,it can monitor the working condition of the equipment in real time,effectively reduc-ing the workload of personnel and greatly reducing the engineering cost.Key words tunnel;TBM;construction sewage