鐵路隧道鉆爆法施工廢水治理關鍵技術研究

茹 旭

(中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038)

隨著我國鐵路建設事業的快速發展，隧道工程所占的比重日益增加，其施工所帶來的環境影響亦引起人們的日益關注[1-4]。其中，鐵路隧道所產生的施工廢水是主要污染源之一[5-9]，現行《鐵路給水排水設計規范》(TB10010—2016)(以下簡稱“規范”)認為其主要污染因子為懸浮物(SS)、化學需氧量(COD)、石油類等，推薦采用混凝、沉淀、隔油、氣浮或過濾的處理方法，取得了一定的成效。但在工程實踐中也發現部分隧道施工廢水水質與規范不一致、個別處理單元效果不佳，以及設計水量無標準可循等問題。鑒于目前鐵路隧道施工以鉆爆法為主的實際情況，本文在大量現場調研和試驗工作基礎上，圍繞隧道施工廢水水質、水量和處理工藝等關鍵技術問題進行了研究，并提出了改進建議，以期為相關設計提供有益參考。

1 施工廢水主要污染物及處理工藝優化

1.1 施工廢水水質與主要污染物

施工廢水水質是廢水處理工藝的先決條件，而隧道巖性、施工材料及工法決定了施工廢水的水質。通常認為鉆爆法隧道施工中，開挖和爆破后產生大量的巖屑和粉塵是廢水中SS的主要來源；隧道襯砌、注漿所用混凝土、砂漿以及添加劑如減水劑、防凍劑等溶于水后，其水解產物多為堿性，導致廢水pH增高；施工所用炸藥如乳化炸藥或TNT等主要成分為NH4NO3或1，3，5-三硝基甲苯，導致廢水中存在一定含量的COD、氨氮或總氮等；此外，洞內施工機械的“跑、冒、滴、漏”等現象導致廢水中存在一定的石油類[8]。其他污染物原則上僅與特殊隧道巖土、地下水性質有關，如鹽巖隧道并不廣泛存在。故規范中給出隧道施工廢水主要污染物為SS、COD及石油類，且pH偏堿性，并提出了當施工廢水排放達到現行GB8978—1996《污水綜合排放標準》規定的一級排放標準或TB/T3007—2000《鐵路回用水水質標準》時，推薦采用混凝、沉淀、隔油、氣浮或過濾工藝去除SS和石油類等物質，具體如圖1所示。

圖1 規范推薦隧道施工廢水處理工藝流程

上述工藝在實際廢水處理中得到了廣泛的應用。但課題組調研發現，實際運營中氣浮單元的去除效率欠佳，且浮渣極少，說明廢水中石油類物質含量較低。為此，課題組選取成蘭、玉磨、麗香、鄭萬、格庫、陽安二線、京張城際等鐵路的多個隧道施工洞口工點，對上述污染物進行了重點監測和水質采樣分析，監測結果如表1所示。

對比現行《污水綜合排放標準》一級標準可以看出，典型隧道施工廢水中主要污染物為SS，其他COD、石油類、TP等均不超標。需要指出的是，現場監測中也發現個別隧道施工廢水中COD及氨氮超標現象，經分析，其主要原因是洞內設有地下車站，工作量大、施工人員多，糞便污水混入施工廢水所致。

表1 典型隧道施工廢水主要污染物濃度范圍

注：括號內為平均值。

1.2 處理工藝的優化

鑒于施工廢水中石油類能夠滿足GB8978—1996《污水綜合排放標準》中一級排放標準要求，故可取消規范推薦采用的“隔油”和“氣浮”處理單元。但考慮隔油工藝增加的投資不大，且安全系數有一定儲備，仍予以保留。同時由于施工廢水中pH值最高可達13.0，較規范中上限10.0顯著增大，而通過混凝劑(如鋁鹽或鐵鹽)的水解來降低廢水pH值至6.0～9.0是不現實的，因此有必要增加pH值調節措施，保障廢水處理達標排放。此外，依據表1，部分隧道施工廢水中SS最高可達6 530 mg/L，較規范中SS的上限4 500 mg/L顯著偏大，為降低后續處理負荷，應在調節沉淀池前增設沉砂單元，降低入池SS的含量。

綜上，對規范推薦的廢水處理工藝流程優化為沉砂、調節pH、混凝、調節沉淀隔油、過濾，詳見圖2。

圖2 優化后的隧道施工廢水處理工藝流程

經現場檢驗，該工藝對隧道施工廢水有良好的處理效果，當進水SS為1 064～3 766 mg/L，過濾出水SS在40～65 mg/L，可滿足GB8978—1996《污水綜合排放標準》中一級標準要求。

另外，因廢水中懸浮物含量高、水量波動大，為提高處理工藝抗沖擊能力，設計中的調節沉淀及過濾單元應設置為不少于2格(臺)，并可采用優化沉淀流態、增加斜板(管)等措施提高系統處理效率。

此外，對貧水隧道或短隧道，因涌水量極小，只有施工作業廢水排放，可只利用簡易沉砂池、調節pH值的方式，將主要污染物加以去除，能夠有效降低基建及運營成本。

2 施工廢水來源及設計流量計算方法

2.1 施工廢水來源

經現場調查，施工廢水來源主要為施工作業廢水及受污染的隧道涌水。前者是隧道鉆孔、降塵、混凝土養護等工序產生的廢水，根據圍巖等級、施工工法的差異，按照《鐵路工程預算定額手冊》(第二冊·隧道分冊)計算，該部分排水量qm為12～20 m3/延米。后者則是在賦存地下水的地層，因隧道開挖造成其涌出和滲漏，并與掌子面及地面接觸后受到污染，其水量與地下水賦存條件、巖性及其滲透系數K、降雨量等密切相關，是隧道施工廢水的主要來源。按照現行水文地質勘察設計規范要求，由水文地質專業根據現場調查、勘探、試驗等成果確定的水文地質參數，預測隧道正常涌水量Qs和最大涌水量Q0，其中Qs為隧道持續穩定的涌水量，Q0為隧道日最大涌水量。但如何利用涌水預測值作為施工廢水設計水量的依據，設計規范中并未做出明確規定。

2.2 施工廢水設計水量

隧道施工廢水由隧道施工作業廢水和隧道涌水兩部分組成。但由于現行設計規范中沒有明確并給出計算方法，在以往工程設計中計算水量時主要存在以下問題：一是未考慮施工作業廢水排放量qm；二是對隧道正常涌水量Qs或者最大涌水量Q0，選擇哪一個值作為設計依據意見也不一致；三是由于Qs和Q0是指隧道在沒有采取任何工程措施前提下的全隧道地下水排放量，并未考慮隧道襯砌、注漿等措施對涌水的消減作用，加之隧道通常設置多個施工洞口(含輔助坑道)分段施工，或者設置泄水洞分散排水，如直接用Qs或Q0作為某個施工洞口的廢水設計水量時，結果偏大。故在設計中應綜合考慮上述情況對隧道施工廢水設計水量的影響，并結合隧道施工方案予以確定，相關探討如下。

2.2.1 隧道襯砌和防排水設計影響

根據工程實踐，隧道涌水量與地下水賦存狀態和圍巖的滲透系數有關，即隧道的涌水量與圍巖綜合滲透系數K、水頭H有關，且K越大或H越大，涌水量越大，反之越小[10-13]。

(1)隧道襯砌影響。依據TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》，對地下水水頭不高的段落，設置的排水型隧道襯砌原則上不考慮外水壓力，即隧道自由排水，對涌水量無影響；在有水環境保護要求以及巖溶和地下水發育地段，隧道襯砌設計時按承受適當外水水壓考慮，即水頭減小、涌水量減少。在這種情況下，可根據襯砌滲透系數與圍巖滲透系數比值確定外水壓力的折減系數β[14-15]，據此推算涌水量折減系數。

(2)隧道注漿影響。當隧道所經過地段存在高壓富水區或特殊水環境要求時，通常采用注漿提高圍巖的綜合滲透系數，降低涌水量[16-19]。依據王建宇、鄭波、張成平等的研究成果[14,20-21]，采取帷幕注漿圈手段后，隧道涌水量為注漿圈外徑、襯砌內徑、襯砌外徑、注漿滲透系數和圍巖滲透系數、襯砌滲透系數的函數。經計算，對某一確定斷面的隧道，注漿體綜合滲透系數提高至圍巖滲透系數的10倍，隧道涌水量折減系數為0.45；滲透系數提高至50倍，折減系數為0.13；滲透系數提高至100倍，折減系數為0.07。因此，當采取注漿防水時涌水量將會大幅減小。

(3)泄水洞的影響。對設置泄水洞的隧道，由于部分地下水從其排出未被施工污染，不需要處理，且減少了隧道施工洞口的地下水排放量[22]，故對應施工洞口的廢水水量也相應減少。

綜上所述，對襯砌不考慮外水壓力的排水型隧道，由于其地下水水頭低、涌水量小，出現Q0的概率本身就不高；對采用“以堵為主、限量排放”設計原則的隧道，由于超前地質預報、超前注漿和承壓襯砌等措施目前已非常成熟，且可有效控制隧道涌水量，出現Q0的情況也很少。故采用Q0作為設計依據往往會導致廢水處理設施不能充分利用、規模偏大。雖然理論上可以利用隧道襯砌滲透系數、注漿體綜合滲透系數與圍巖滲透系數的比值推算出對Q0的折減系數，但由于其影響因素復雜，且現階段無成熟經驗，難以量化。而正常涌水量Qs相對平衡了施工期降雨量波動、襯砌和防排水設計等各種影響，現階段作為施工廢水水量的計算依據是較為適宜的。

2.2.2 隧道施工組織影響

一般來說，隧道施工從進口、出口分別掘進，長隧道施工受通風、工期等控制，還需要設置輔助坑道進洞掘進。在隧道設計中，每個施工洞口都會給出其負責掘進的正洞段落和長度。由于水文地質也是分段預測正常涌水量的，故可據此確定該段落涌水量，如有輔助坑道還應疊加其涌水量。

為此，根據鐵路隧道預測涌水量、防排水設計原則和施工方案等綜合考慮后，對單個隧道施工洞口工區的廢水設計水量Q計算如下。

(1)排水型隧道

(1)

式中Q——施工廢水設計水量，m3/d；

Qs-z——工區施工正洞的正常涌水量，m3/d；

Qs-f——工區施工輔助坑道正常涌水量，m3/d；

qm——施工作業廢水排放量，m3/(m·d)；

L——工區施工正洞長度，m；

T——工區施工工期，d；

Qx——泄水洞排水量，m3/(m·d)。

(2)以堵為主、限量排放隧道

(2)

各參數含義同上。

對于式(1)泄水洞的排水量Qx的確定，需要結合實際工程進行合理分析后確定。

3 施工作業廢水和涌水分流排放的可行性

鑒于隧道施工廢水的主要來源為施工涌水，其本質為清潔的地下水。若能找到將涌水單獨排放、避免污染的方法，即“清污分流”可進一步減少施工廢水處理量、節省投資。對此設想進行了深入論證，主要思路是依據隧道內地下水涌出位置的不同加以分流，即掌子面涌水將不可避免與該處的巖屑、巖粉和泥漿等混合而受到污染，難以單獨排放，但已襯砌段滲水可利用某些工程手段將其單獨引排至洞外，避免污染，特別是施工期順坡排水的隧道洞口更具有條件。課題組通過分析研究，提出順坡排水鐵路隧道(含輔助坑道)施工廢水“清污分流”方法，并在鄭萬鐵路某隧道試點成功[23]。

4 結語

(1)隧道施工廢水中主要污染物為SS且pH值>7呈堿性；氨氮、磷酸鹽、COD及石油類則為非主要污染物。

(2)當隧道施工廢水需滿足GB8978—1996《污水綜合排放標準》一級排放標準要求時，推薦處理工藝為沉砂、調節pH、混凝、調節沉淀隔油、過濾。

(3)隧道施工廢水設計水量應包括施工作業排水及隧道涌水，其中隧道涌水計算應以隧道預測正常涌水量為依據，并根據隧道防排水設計以及隧道正洞施工分段劃分、輔助坑道設置、工期等因素綜合考慮確定。