南京緯三路過江通道泥水處理及全線路廢棄土再利用技術

張亞洲，夏鵬舉，魏代偉，姜 騰，陳喜坤，陸 帥

（1.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇南京 210098；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100088；3.南京河海科技有限公司，江蘇南京 210098）

南京緯三路過江通道泥水處理及全線路廢棄土再利用技術

張亞洲1，夏鵬舉2，魏代偉3，姜 騰1，陳喜坤1，陸 帥2

（1.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇南京 210098；2.中交隧道工程局有限公司，北京 100088；3.南京河海科技有限公司，江蘇南京 210098）

利用泥水盾構修建隧道不可避免地會產生大量泥漿和廢棄土，如何經濟環保地進行泥漿和廢棄土處理成為工程面臨的一大難題。以南京緯三路過江通道工程為背景，針對該地質條件下泥水處理的難點，通過合理的泥水場地布置和設備選型，并采用針對不同地層的配漿試驗、分離設備的選擇性使用等措施，實現了泥漿的高效、高質供給，確保了工程順利實施；根據泥水盾構前后掘進所穿越地質條件的差異，通過廢棄黏土和廢棄黏土泥漿配制盾構掘進用泥漿、廢棄粉細砂用作壁后注漿材料以及廢棄卵礫石和碎巖用于混凝土骨料等技術，實現了全線路廢棄土的再利用，不僅具有極大的經濟效益，還解決了廢棄土帶來的占地、污染等環境問題，為泥水盾構全線路施工中泥水處理和廢棄土再利用提供了新思路。

南京緯三路過江通道；泥水盾構；泥水處理；廢棄土；再利用

0 引言

近年來，泥水盾構施工技術越來越廣泛地應用于國內外過江隧道的建設，如已經建成的武漢過江隧道、日本東京灣隧道和在建的南京緯三路過江通道等，均采用泥水盾構法施工［1-2］。泥水盾構通過加壓泥漿支護開挖面［3］，盾構刀盤切削下來的渣土與泥漿混和后通過排漿管路輸出至地面泥水處理設備，經過處理后實現渣漿分離，泥漿再行循環，渣土進行棄運，由于施工過程中地下水和細顆粒的摻入，不可避免地會產生大量泥漿和渣土。目前，對于施工產生的多余泥漿和廢棄土，一般采用槽罐車或渣土車運到郊外棄置，而這種處理方式不僅造成資源的浪費，在運輸過程中常因漏撒而影響市容，處理不當甚至造成環境污染、河道淤塞和土壤板結等嚴重后果［4］。因此，如何經濟、環保地處理泥水盾構工程產生的多余泥漿和廢棄土已成為工程界關注的難題之一。

目前關于泥水盾構工程泥水分離技術泥水分離技術介紹較多［5-6］，而對于廢棄土的再利用研究較少［7］。如何實現廢棄土的現場再利用成為泥水處理中的一個重要問題。本文以南京緯三路過江通道工程為背景，根據工程地質條件分析泥水處理的難點，闡述泥水處理設備的配置方案和采取的各項措施，并分析該工程泥水處理的效果；根據施工過程中產生的各類廢棄土的工程性質，進行泥水盾構廢棄土全線路再利用處理，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

南京緯三路過江通道工程采用2臺φ14.93 m泥水加壓盾構由江北始發井出發，同向掘進施工。隧道設計為雙管隧道，其中，南管隧道長5 530 m（盾構段4 134.8 m），北管隧道長4 930 m（盾構段3 537.8 m）。盾構斷面達15 m，所穿越地層多為復合地層，但在一段區間內穿越的主要地層不變。盾構從淤泥質黏土地層始發，依次穿越粉細砂層和礫砂、卵石混合地層，再經過南岸粉細砂地層后，到達淤泥質黏土地層經接收井接收貫通。盾構穿越各地層具體長度如表1所示。

表1 緯三路過江通道盾構段穿越地層統計（以南線為例）Table 1 Distribution of different strata along southern tube of Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing

2 泥水及廢棄土處理難點分析

泥水及廢棄渣土處理的工作效率和效果在泥水盾構施工中不容忽視。對南京緯三路過江通道工程盾構參數及地質條件進行分析可知，該工程的泥水及廢棄土處理主要有以下難點：

1）盾構隧道開挖直徑達15 m，泥水處理量大，各方面協調難度高，易出現泥水泵負荷過大、開挖面泥水供應不足等情況，或者排漿量大而處理能力不足的困難，因此，合理的設備選擇及泥水場地布置十分重要。盾構在江底長距離的高滲透性、大水壓的砂卵石地層中泥膜形成困難，對泥水系統的調制漿能力、輸送能力及對泥水系統的綜合管理能力要求高。

2）盾構始發段掘進過程中穿越黏粉粒含量較高的淤泥質粉質黏土地層，將產生大量的黏土泥漿。盾構在這種黏土地層掘進時，泥水分離設備無法及時將微小黏土顆粒分離，導致泥漿比重及黏度不斷增大，為了調整泥漿性質，必須廢棄部分泥漿后在調漿池加入適量清水以滿足施工要求，從而產生了大量高比重、高黏度的廢棄泥漿。廢棄泥漿隨意排放不僅會破壞環境、影響文明施工，同時還會造成一定的污染。廢棄泥漿常規處理方法為外運棄置，但這種處理方法存在運輸和處理成本高、環保要求高等問題。

3）廢棄土量大，外運棄置造成浪費。盾構始發豎井段位于黏土地層，施工將產生大量的廢棄黏土；盾構在全斷面粉細砂地層（長達1 670 m）掘進時會產生大量粉細砂渣土；當盾構掘進到礫砂、卵石和砂巖地層時，會產生大量廢棄礫砂、卵石和碎巖。如果這些廢棄土按照通常外運棄置的方式進行處理，將造成巨大浪費和環境污染。

3 泥水處理技術分析

3.1 泥水處理場地布置及設備選型

南京緯三路過江通道工程泥水處理系統主要設置于地面（見圖1），由制漿系統、調漿系統、泥水輸送系統和泥水分離系統4個分系統組成，主要包括膨化池、調漿池、清水池、回漿池、沉淀池、旋流器、振動篩、壓濾機以及各種閥門、管道和泵等。制漿系統制備的泥漿，經調漿系統調整指標之后，由泥水輸送系統輸送到盾構泥水艙。經排漿泵送到地面的泥漿，再經預篩處理、一級旋流處理和二級旋流處理使渣土按照粒徑大小逐級分離排出，實現渣土分離后的泥漿則再次送入調漿系統進行性質調整，使其成為優質泥漿再循環到泥水艙。

圖1 緯三路過江通道工程泥水處理設備平面布置圖Fig.1 Plan layout of slurry treatment facilities

根據盾構段地質條件，參考國內設備使用情況，本工程選用黑旋風ZX-3000型泥水分離設備。該分離系統最大泥漿處理量為3 300 m3/h，設置有3級分離：第1級為預篩分離，利用振動篩的振動將泥漿中粒徑為3 mm以上顆粒篩除；第2級為1級旋流分離，分離粒度d50＝74 μm；第3級為2級旋流分離，分離粒度d50＝20 μm。旋流器工作原理：泥漿在壓力的作用下通入旋流器，旋流器內部漿液流體產生高速旋轉，由于離心力的作用，比重大的較大顆粒被甩向內壁，在自重作用下沿錐形殼體下降從下溢口排出，同時，在高速旋轉的旋流中心處產生負壓，經過凈化后，比重較小的細微顆粒在負壓的作用下從上溢口流出。篩分后渣土含水率小于25%，經分離凈化后泥漿密度小于1.3 g/cm3。

3.2 泥水處理相關措施及效果

泥水處理過程較為復雜，其效果不僅取決于設備的選型和泥水場地的布置，而且與科學管理密切相關，為保證南京緯三路過江通道大直徑盾構泥水處理的效率，采取了以下措施。

1）從人員素質、設備狀態和材料質量上進行控制。配備專業的泥漿配制試驗員，保證泥漿質量；定期進行設備維護保養，發現故障及時處理，保證設備運轉；嚴格管理進場制漿材料，對進場的膨潤土、添加劑和制漿用水進行試驗，滿足使用要求后進入調制漿現場。通過這些措施，使供漿量保證了盾構掘進每天6～8環（每環2 m）的施工進度，經過該系統處理后的泥漿質量優良，易于形成高質量的泥膜，確保施工安全。特別是在極端條件，如江底帶壓開艙時，成功保證了開挖面穩定。

2）積極開發采用經濟、科學、環保的泥漿配制和處理技術。經過現場配漿試驗，使不同地層的泥漿配制得到最優化。淤泥質黏土地層選用密度、黏度較低的泥漿以節約成本；粉細砂地層選用密度較大、黏度較小的泥漿以形成較好泥膜；卵石地層選用密度、黏度較大的泥漿以保證開挖面穩定。

3）科學進行設備管理，在不同地層，3級分離設備選擇性使用。淤泥質黏土地層施工時由于顆粒較細，1級篩分設備效果不明顯，因此關閉部分1級篩分設備，減少設備損耗和電力損耗；砂礫質地層時2級旋流設備將會導致泥漿中細顆粒過度篩分，引起泥漿密度過度減小［8］，需要大量補充膨潤土，因此關閉部分2級旋流設備，實現經濟性。在不同地層，各級分離設備的選擇性使用降低了設備損耗，減少了建設用能，并且節約了制漿材料，減少了分離工作量。

4）根據泥水循環工作原理及現場設備參數進行泥水系統收支平衡計算［8］，進行科學化管理（見圖2）。不僅從宏觀上掌握了泥水處理的效果和泥水調制的工作量，而且對泥水處理設備的調整、制漿材料用量和泥漿處理費用的估算發揮了重要作用。

4 全線路廢棄土再利用技術

通過泥水處理的各項措施，南京緯三路過江通道盾構施工中產生的大部分泥漿得到循環使用，減少了泥漿的廢棄量，各項質量指標也得到良好控制；但仍然存在大量廢棄土以及淤泥質黏土地層掘進時剩余的大量泥漿需要外運處理的問題。通過對盾構前后掘進的地質條件的差異與掘進順序上的時間差進行分析，開發了廢棄土的全線路綜合再利用技術。

圖2 泥水收支平衡計算Fig.2 Calculation of slurry balance

4.1 廢棄淤泥質黏土和泥漿再利用

南京緯三路過江通道工程明挖段、盾構始發豎井施工段以及盾構前期掘進均處于黏粉粒含量較高的淤泥質粉質黏土地層，產生了大量的廢棄黏土及廢棄黏土泥漿，這些廢棄黏土和泥漿按常規方法處理成本較高，且處理不當會造成環境污染。而盾構隨后穿越的全斷面粉細砂地層達1 670 m，該地層滲透系數為7.29×10-3cm/s，泥漿不需要另外添加粗顆粒等材料就能滿足成膜要求。但是，為了滿足泥漿物理穩定性及成膜后泥漿濾失量的要求，泥水盾構在該地層中施工時泥漿密度應調整為1.10～1.15 g/cm3，漏斗黏度為20 s以上。如果能在粉細砂地層的掘進段使用廢棄土和廢棄泥漿作為造漿材料進行配漿，將極大地降低配漿成本，并具有一定的環境保護效益。

經過現場配漿、滲透和成膜試驗發現［9］，利用該廢棄淤泥質粉質黏土及泥漿添加增黏劑進行配漿是可行的，每1 000 m3廢棄泥漿中增加添加劑5.1～8.5 t，得到的泥漿密度、黏度、泌水率和物理化學穩定性均滿足要求，并且在粉細砂地層成膜質量良好。泥漿最佳密度為1.12g/cm3、最佳黏度約20 s（蘇氏漏斗黏度），該種泥漿可以在粉細砂地層中滲透形成較為致密的泥皮型泥膜，可以實現開挖面的穩定。

基于上述原因，在泥水處理場地附近修筑了廢棄黏土和廢棄泥漿暫存池，用以存放廢棄黏土，在盾構掘進至隨后的粉細砂地層時將黏土和黏土泥漿泵入泥漿池，依據試驗結果進行泥漿調配以實現廢棄泥漿利用。

4.2 廢棄粉細砂再利用

南京緯三路過江通道中期需穿越較長的粉細砂地層，經泥水處理將會產生大量的廢棄粉細砂，常規的外運處理極易造成資源浪費。通過對廢棄渣土顆粒級配進行分析，發現這種廢棄土級配良好，1 mm以下顆粒達80%，這些成分為配制壁后注漿材料所需。

為此，從盾構壁后注漿施工要求、控制圍巖應力釋放、地層變形及隧道早期穩定性等角度出發，參照《建筑砂漿基本性能試驗方法》，對利用廢棄粉細砂配制的壁后注漿材料密度、流動度、分層度、泌水率、凝結時間、體積收縮率和早期強度等工程特性進行試驗，結果表明利用廢棄粉細砂（篩除1 mm以上顆粒）配制的漿液效果良好，滿足盾構隧道施工對壁后注漿漿液性質的要求。

南京緯三路過江通道工程盾構掘進至粉細砂地層后，將廢棄砂進行清洗，篩除1 mm以上顆粒后，用于配制壁后注漿漿液，控制水膠質量比為0.8，可以得到密度約1.97 g/cm3、稠度10.5 cm、流動度26.2 cm、泌水率1.2%、分層度3 mm、凝結時間17.5 h、體積收縮率10.1%、7 d強度為0.15 MPa左右的壁后注漿體，在工程應用中取得良好效果。減少了壁后注漿所用粉細砂的購買量，大大節約工程投資，減少了運輸成本，降低了環境污染。

4.3 廢棄礫砂、卵石和砂巖再利用技術

由表1可知，盾構穿越很長一段含有礫砂、卵石和砂巖地層，施工過程中將產生大量廢棄的礫砂、卵石及破碎風化巖，根據前期對粉細砂地層再利用的技術和經驗，研究了對礫砂、卵石和砂巖地層的廢棄渣土再利用技術。

由于盾構穿越礫砂、卵石和砂巖地層產生的廢棄土較大粒徑顆粒含量多，不再適用于配制壁后注漿材料。通過對廢棄渣土進行外觀清潔和含泥量檢驗，根據《建設用卵石、碎石相關規范》對廢棄渣土采用不同摻配比例進行了顆粒級配、力學性能等指標檢測［10］，結果表明，經篩分水洗設備處理后適當調整摻配比例可獲得良好的連續級配且符合《建設用卵石、碎石規范》Ⅱ類要求；進行不同摻配比例試驗，可獲得滿足混凝土拌制的砂、卵礫石集料；通過對混凝土配合比設計，盾構掘進出渣渣樣拌制的混凝土可以用于2級及以下等級路面和場內便道、場地硬化等工程施工。

基于上述試驗，南京緯三路過江通道工程對于該類廢棄渣土進行了篩分、水洗處理后作為混凝土拌制材料，選用水膠比0.42、砂率32%、水泥用量375 kg/cm3、砂子596 kg/cm3、碎石1 268 kg/cm3、水157 kg/cm3、外加劑4.13 kg/cm3配制的混凝土塌落度為40 mm，7 d和28 d抗壓強度分別為34.7、41.4 MPa，抗折強度為5.42 MPa，用于管片場工區場內道路、堆場硬化以及各工區臨時便道施工，均能滿足設計要求，提高了資源利用率。

4.4 廢棄土再利用效益

根據工程實施情況，對每一類廢棄土再利用所節約的材料、數量進行計算，然后扣除再利用工藝所增加的費用（如在礫砂、卵石和碎石利用過程中，扣除水洗、運輸、儲存場地租金等費用），得到最終所節約的成本，見表2。

表2 南京緯三路過江通道廢棄土再利用經濟效益統計Table 2 Statistics of economic benefit of recycling use of mucks produced in shield tunneling

由表2可知，各類廢棄土再利用合計可節約成本1 016萬元，經濟效益顯著。同時，極大地避免了材料浪費、廢棄土外運造成的環境污染及后續處理難題。

5 結論與建議

1）根據地層條件選用1級篩分及2級旋流設備，對泥水處理現場進行合理布置，并采用針對不同地層的配漿試驗、分離設備的選擇性使用等措施，保證了泥漿質量、泥水供應以及泥水分離效果等方面，滿足了施工要求。

2）南京緯三路過江通道以廢棄黏土和廢棄黏土泥漿配制掘進用泥漿，以廢棄粉細砂作壁后注漿材料，以廢棄礫砂、卵石和碎巖用作混凝土骨料，實現了全線路廢棄土綜合利用，不僅具有顯著的經濟效益，還解決了廢棄土帶來的占地、污染等環境問題。

3）綜合考慮泥水盾構前后掘進的地質條件差異與掘進順序上的時間差，從宏觀上對工程全線路進行工程廢棄土再利用系統規劃和實施，具有巨大的經濟價值和社會價值，是泥水盾構工程全線路泥水處理及廢棄土再利用的新思路。

4）考慮到不同工程盾構參數、地質條件和控制標準的差異，為實現泥水盾構工程全線路廢棄土再利用技術，需要在本文的基礎上進行大量試驗對各類廢棄土再利用的控制參數（如廢棄黏土泥漿的配比、壁后注漿材料廢棄粉細砂摻量、廢棄礫砂拌制混凝土的配合比等）進一步研究，提出其他類似再利用的方式。

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Slurry Treatment and Waste Muck Recycling Use in Construction of Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing

ZHANG Yazhou1，XIA Pengju2，WEI Daiwei3，JIANG Teng1，CHEN Xikun1，LU Shuai2

（1.Geotechnical Research Institute of Hohai University，Nanjing 210098，Jiangsu，China；2.CCCC Tunnel Engineering Company Limited，Beijing 100088，China；3.Nanjing Hohai Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210098，Jiangsu，China）

Tunneling by slurry shield inevitably produces a large amount of waste slurry and waste mucks，and how to deal with the waste slurry and waste mucks in an economical and environment-friendly manner is a big challenge for the project.In the construction of Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing，the difficulty in the slurry treatment is analyzed，rational slurry treatment plant is established，proper slurry treatment equipment is selected，and specific slurry mixing proportions and slurry separation equipment operation modes are used for different geological sections，which results in the efficient and high-quality supply of slurry and the successful implementation of the project.Furthermore，the clay mucks and the waste clay slurry are used to prepare fresh slurry for the shield boring，the fine sand mucks are used to prepare the backfilling grout and the gravel cobble mucks are used as aggregate for concrete mixing.In the end，great economic and environmental benefits are achieved.The practice provides a new way for the slurry treatment and muck recycling use for other projects in the future.

Weisanlu Yangtze River Crossing Tunnel in Nanjing；slurry shield；slurry treatment；waste muck；recycling use

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.018

U 455.43

B

1672-741X（2015）11-1229-05

2015-05-29；

2015-08-14

張亞洲（1991—），男，湖南岳陽人，河海大學巖土工程科學研究所在讀碩士，研究方向為巖土工程、盾構隧道施工技術。