南水北調大興線頂管泥漿循環工藝優化研究

鄭 偉，王 申，聶晨陽，孟 歡

（北京金河水務建設集團有限公司，北京 102206）

1 工程概況

南水北調工程大興支線頂管項目位于北京市大興區及河北固安縣，分別與南干渠及廊涿干渠連通。大興支線連通管線采用1-DN2400管道，全長約46 km（其中北京段長約33.40 km），設計輸水流量為6.10 m3/s；新機場水廠連接線采用2-DN1800管道，全長約14 km，設計輸水流量4.90 m3/s。該項目主要是通過連通南干渠與河北廊涿干渠，使北京與河北的南水北調水互聯互通，同時規劃北京新機場水廠提供雙水源通道，為北京市增加一條南水北調中線水進京通道。

2 傳統頂管泥漿循環處理工藝

2.1 工藝流程

傳統頂管泥漿循環處理工藝流程如圖1所示，圖中一共分為4 個步驟，涉及頂管機，注漿孔，調節池三者：頂管泥漿經過振動篩除砂處理后進入調節池；調節池廢棄泥漿排至廢棄泥漿池外運處理；調節池中加入清水和膨潤土，調節循環漿濃度；循環漿回供給頂管機。

圖1 傳統泥漿循環處理工藝圖

在頂管施工過程中，泥漿的作用主要包含兩個：①泥漿在輸送和灌注過程中具有流動性，將管道外壁與土層之間的干摩擦變成濕潤摩擦，減小摩擦力和頂進力；②泥漿固結后呈現凝膠狀，與管壁、土層三者之間相互支撐，平衡土壓力，防止地面沉降。

2.2 傳統工藝存在的問題

雖然頂管技術在中國已經被廣泛應用，但是在理論結合工程實際方面研究較少，尤其是其中的泥漿循環工藝固化成型，在富水砂層的施工過程中的泥水平衡方面，對于泥漿的處理仍然存在一定的問題：

①傳統的泥水循環工藝在調節循環泥漿比重的過程中，需要加入清水和膨潤土，使頂管機泥水倉砂粒懸浮，從而確保排泥管道的排砂通暢，但是這樣會造成工程用水量浪費，廢棄泥漿無效處理，污染物占地面積達，處置費用及環境污染問題無法解決，給企業帶來環境效益的副作用。

②傳統工藝含水量較大，注漿效果不佳，不能夠及時形成完整有效的泥漿套，在頂管推進過程中出現頂管推力驟然增大的現象，導致后期出現較大變形，危害整體工程結構。

③南水北調工程屬于超長距離頂管施工項目，由于施工工期較長，泥漿的失水將會導致觸變泥漿失效，因此必須在管道沿程每隔一定距離設置補漿孔，及時補充新的觸變泥漿，但是這樣會增加傳統工藝的施工壓力，同樣為泥漿處理問題增加負擔。

④管道鋪設完畢后觸變泥漿會出現失水、收縮和凝固的現場，可能造成地表后期持續沉降的問題。因此，在頂管隧道貫通后需進行置換注漿，及時壓注水泥漿，置換或填充施工過程中的觸變泥漿，固結隧道和地層。

3 改進頂管泥漿循環處理工藝

3.1 改進工藝步驟

那么針對傳統工藝存在的問題，結合泥漿的灌注過程，經過優化改進，增加循環泥漿池、絮凝裝置、脫水機及尾水處理裝置。改進后的工藝步驟如下，流程圖如圖2 所示步驟一：頂管泥漿經過振動篩除砂處理后進入調節箱；步驟二：調節箱將廢棄泥漿通過絮凝裝置進行絮凝反應；步驟三：通過脫水機進行壓濾脫水，脫水濾液進入清水箱，干泥外棄；步驟四：清水箱脫水濾液補給循環泥漿池進行濃度調節；步驟五：循環泥漿池泥漿回供給頂管機。

圖2 循環泥漿性能對比分析圖

3.2 改進工藝現場應用

項目采用了優化改進的頂管泥漿循環處理系統，增加了循環泥漿池、絮凝裝置、脫水機及尾水處理裝置。其中調節箱為鋼制水箱，長8 m、寬2.80 m、高3.30 m。振動篩安裝在調節箱上方，功率為48 kW。循環泥漿池為磚砌水池，長13 m、寬3 m、高1.50 m；清水箱為PE 罐，容積20 m3。廢棄泥漿設計流量為15 m3/h；絮凝裝置為鋼制圓罐，直徑2.50 m、高3.50 m；脫水機為2臺帶式壓濾機，帶寬3 m。

對優化后循環泥漿工藝現場產生的泥漿檢測，頂管泥漿含水率78%左右。泥漿顆粒粒徑組成見表1。在各類粒徑中，粒徑<0.08 mm 的僅占18.40%，0.08～1.000 mm 的砂粒占比為81.60%，可以看到泥漿主要由砂粒組成。該組分不僅能夠增強循環過程中泥漿的潤滑作用，并且含水量較小的情況下，泥漿固結的時間縮短，大大減少施工周期，同時泥漿、管壁和土層三者的穩定性達到要求。

表1 泥漿顆粒粒徑組成表

傳統與改進后的泥漿循環處理工藝效益對比如表2 所示。脫水后的干泥含水率為46%左右，滿足污泥用于混合填埋＜60%的要求，取得了環保效益。新工藝節約用水24 m3/m，膨潤土2.50 t/m，廢棄泥漿處理節約45 元/m3。取得了經濟效益。廢棄泥漿經壓濾脫水后再外運處置，實現了泥漿減量、減少占地及資源化利用等效果，采用脫水濾液調節循環泥漿濃度，實現了節約用水效果。優化改進的頂管泥漿循環處理工藝解決了傳統工藝用水量大，廢棄泥漿占地面積大，處理費用高，污染環境等問題。

表2 傳統工藝與改進工藝的效益對比表

4 結論

①通過增加循環泥漿池、絮凝裝置、脫水機及尾水處理裝置來優化泥漿循環處理工藝，可以達到泥漿減量、節約用水及資源化利用等效果，實現廢棄泥漿的二次利用。

②相比于傳統工藝，優化后的泥漿循環工藝節約用水24 m3/m，膨潤土2.50 t/m，廢棄泥漿處理節約45元/m3。取得了經濟效益；脫水后的干泥含水率為46%左右，降低了32.35%，滿足污泥用于混合填埋＜60%的要求，取得了環保效益。

③優化后的泥漿循環處理工藝不僅可以應用在頂管施工中，而且可以擴展到鉆孔灌注樁，土壓平衡盾構機施工等大多數水利工程，具有重要的指導意義。