茹 旭
(中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)
隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展,隧道工程所占的比重日益增加,其施工所帶來的環(huán)境影響亦引起人們的日益關(guān)注[1-4]。其中,鐵路隧道所產(chǎn)生的施工廢水是主要污染源之一[5-9],現(xiàn)行《鐵路給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10010—2016)(以下簡稱“規(guī)范”)認(rèn)為其主要污染因子為懸浮物(SS)、化學(xué)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(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)部分隧道施工廢水水質(zhì)與規(guī)范不一致、個(gè)別處理單元效果不佳,以及設(shè)計(jì)水量無標(biāo)準(zhǔn)可循等問題。鑒于目前鐵路隧道施工以鉆爆法為主的實(shí)際情況,本文在大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和試驗(yàn)工作基礎(chǔ)上,圍繞隧道施工廢水水質(zhì)、水量和處理工藝等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究,并提出了改進(jìn)建議,以期為相關(guān)設(shè)計(jì)提供有益參考。
施工廢水水質(zhì)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(zhì)。通常認(rèn)為鉆爆法隧道施工中,開挖和爆破后產(chǎn)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(chǎn)物多為堿性,導(dǎo)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(dǎo)致廢水中存在一定含量的COD、氨氮或總氮等;此外,洞內(nèi)施工機(jī)械的“跑、冒、滴、漏”等現(xiàn)象導(dǎo)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(zhì)有關(guān),如鹽巖隧道并不廣泛存在。故規(guī)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(dāng)施工廢水排放達(dá)到現(xiàn)行GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)或TB/T3007—2000《鐵路回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》時(shí),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(zhì),具體如圖1所示。
圖1 規(guī)范推薦隧道施工廢水處理工藝流程
上述工藝在實(shí)際廢水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。但課題組調(diào)研發(fā)現(xiàn),實(shí)際運(yùn)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(zhì)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(gè)隧道施工洞口工點(diǎn),對(duì)上述污染物進(jìn)行了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和水質(zhì)采樣分析,監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。
對(duì)比現(xiàn)行《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。需要指出的是,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中也發(fā)現(xiàn)個(gè)別隧道施工廢水中COD及氨氮超標(biāo)現(xiàn)象,經(jīng)分析,其主要原因是洞內(nèi)設(shè)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(hào)內(nèi)為平均值。
鑒于施工廢水中石油類能夠滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求,故可取消規(guī)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(shù)有一定儲(chǔ)備,仍予以保留。同時(shí)由于施工廢水中pH值最高可達(dá)13.0,較規(guī)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(xiàn)實(shí)的,因此有必要增加pH值調(diào)節(jié)措施,保障廢水處理達(dá)標(biāo)排放。此外,依據(jù)表1,部分隧道施工廢水中SS最高可達(dá)6 530 mg/L,較規(guī)范中SS的上限4 500 mg/L顯著偏大,為降低后續(xù)處理負(fù)荷,應(yīng)在調(diào)節(jié)沉淀池前增設(shè)沉砂單元,降低入池SS的含量。
綜上,對(duì)規(guī)范推薦的廢水處理工藝流程優(yōu)化為沉砂、調(diào)節(jié)pH、混凝、調(diào)節(jié)沉淀隔油、過濾,詳見圖2。
圖2 優(yōu)化后的隧道施工廢水處理工藝流程
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn),該工藝對(duì)隧道施工廢水有良好的處理效果,當(dāng)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。
另外,因廢水中懸浮物含量高、水量波動(dòng)大,為提高處理工藝抗沖擊能力,設(shè)計(jì)中的調(diào)節(jié)沉淀及過濾單元應(yīng)設(shè)置為不少于2格(臺(tái)),并可采用優(yōu)化沉淀流態(tài)、增加斜板(管)等措施提高系統(tǒng)處理效率。
此外,對(duì)貧水隧道或短隧道,因涌水量極小,只有施工作業(yè)廢水排放,可只利用簡易沉砂池、調(diào)節(jié)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(yùn)營成本。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,施工廢水來源主要為施工作業(yè)廢水及受污染的隧道涌水。前者是隧道鉆孔、降塵、混凝土養(yǎng)護(hù)等工序產(chǎn)生的廢水,根據(jù)圍巖等級(jí)、施工工法的差異,按照《鐵路工程預(yù)算定額手冊(cè)》(第二冊(cè)·隧道分冊(cè))計(jì)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(shù)K、降雨量等密切相關(guān),是隧道施工廢水的主要來源。按照現(xiàn)行水文地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范要求,由水文地質(zhì)專業(yè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、勘探、試驗(yàn)等成果確定的水文地質(zhì)參數(shù),預(yù)測(cè)隧道正常涌水量Qs和最大涌水量Q0,其中Qs為隧道持續(xù)穩(wěn)定的涌水量,Q0為隧道日最大涌水量。但如何利用涌水預(yù)測(cè)值作為施工廢水設(shè)計(jì)水量的依據(jù),設(shè)計(jì)規(guī)范中并未做出明確規(guī)定。
隧道施工廢水由隧道施工作業(yè)廢水和隧道涌水兩部分組成。但由于現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中沒有明確并給出計(jì)算方法,在以往工程設(shè)計(jì)中計(jì)算水量時(shí)主要存在以下問題:一是未考慮施工作業(yè)廢水排放量qm;二是對(duì)隧道正常涌水量Qs或者最大涌水量Q0,選擇哪一個(gè)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)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(duì)涌水的消減作用,加之隧道通常設(shè)置多個(gè)施工洞口(含輔助坑道)分段施工,或者設(shè)置泄水洞分散排水,如直接用Qs或Q0作為某個(gè)施工洞口的廢水設(shè)計(jì)水量時(shí),結(jié)果偏大。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮上述情況對(duì)隧道施工廢水設(shè)計(jì)水量的影響,并結(jié)合隧道施工方案予以確定,相關(guān)探討如下。
2.2.1 隧道襯砌和防排水設(shè)計(jì)影響
根據(jù)工程實(shí)踐,隧道涌水量與地下水賦存狀態(tài)和圍巖的滲透系數(shù)有關(guān),即隧道的涌水量與圍巖綜合滲透系數(shù)K、水頭H有關(guān),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(jù)TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,對(duì)地下水水頭不高的段落,設(shè)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(duì)涌水量無影響;在有水環(huán)境保護(hù)要求以及巖溶和地下水發(fā)育地段,隧道襯砌設(shè)計(jì)時(shí)按承受適當(dāng)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(jù)襯砌滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)比值確定外水壓力的折減系數(shù)β[14-15],據(jù)此推算涌水量折減系數(shù)。
(2)隧道注漿影響。當(dāng)隧道所經(jīng)過地段存在高壓富水區(qū)或特殊水環(huán)境要求時(shí),通常采用注漿提高圍巖的綜合滲透系數(shù),降低涌水量[16-19]。依據(jù)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(nèi)徑、襯砌外徑、注漿滲透系數(shù)和圍巖滲透系數(shù)、襯砌滲透系數(shù)的函數(shù)。經(jīng)計(jì)算,對(duì)某一確定斷面的隧道,注漿體綜合滲透系數(shù)提高至圍巖滲透系數(shù)的10倍,隧道涌水量折減系數(shù)為0.45;滲透系數(shù)提高至50倍,折減系數(shù)為0.13;滲透系數(shù)提高至100倍,折減系數(shù)為0.07。因此,當(dāng)采取注漿防水時(shí)涌水量將會(huì)大幅減小。
(3)泄水洞的影響。對(duì)設(shè)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(duì)應(yīng)施工洞口的廢水水量也相應(yīng)減少。
綜上所述,對(duì)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(xiàn)Q0的概率本身就不高;對(duì)采用“以堵為主、限量排放”設(shè)計(jì)原則的隧道,由于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、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(xiàn)Q0的情況也很少。故采用Q0作為設(shè)計(jì)依據(jù)往往會(huì)導(dǎo)致廢水處理設(shè)施不能充分利用、規(guī)模偏大。雖然理論上可以利用隧道襯砌滲透系數(shù)、注漿體綜合滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)的比值推算出對(duì)Q0的折減系數(shù),但由于其影響因素復(fù)雜,且現(xiàn)階段無成熟經(jīng)驗(yàn),難以量化。而正常涌水量Qs相對(duì)平衡了施工期降雨量波動(dòng)、襯砌和防排水設(shè)計(jì)等各種影響,現(xiàn)階段作為施工廢水水量的計(jì)算依據(jù)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(jìn)口、出口分別掘進(jìn),長隧道施工受通風(fēng)、工期等控制,還需要設(shè)置輔助坑道進(jìn)洞掘進(jìn)。在隧道設(shè)計(jì)中,每個(gè)施工洞口都會(huì)給出其負(fù)責(zé)掘進(jìn)的正洞段落和長度。由于水文地質(zhì)也是分段預(yù)測(cè)正常涌水量的,故可據(jù)此確定該段落涌水量,如有輔助坑道還應(yīng)疊加其涌水量。
為此,根據(jù)鐵路隧道預(yù)測(cè)涌水量、防排水設(shè)計(jì)原則和施工方案等綜合考慮后,對(duì)單個(gè)隧道施工洞口工區(qū)的廢水設(shè)計(jì)水量Q計(jì)算如下。
(1)排水型隧道
(1)
式中Q——施工廢水設(shè)計(jì)水量,m3/d;
Qs-z——工區(qū)施工正洞的正常涌水量,m3/d;
Qs-f——工區(qū)施工輔助坑道正常涌水量,m3/d;
qm——施工作業(yè)廢水排放量,m3/(m·d);
L——工區(qū)施工正洞長度,m;
T——工區(qū)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(shù)含義同上。
對(duì)于式(1)泄水洞的排水量Qx的確定,需要結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行合理分析后確定。
鑒于隧道施工廢水的主要來源為施工涌水,其本質(zhì)為清潔的地下水。若能找到將涌水單獨(dú)排放、避免污染的方法,即“清污分流”可進(jìn)一步減少施工廢水處理量、節(jié)省投資。對(duì)此設(shè)想進(jìn)行了深入論證,主要思路是依據(jù)隧道內(nèi)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(dú)排放,但已襯砌段滲水可利用某些工程手段將其單獨(dú)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(diǎn)成功[23]。
(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(dāng)隧道施工廢水需滿足GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí),推薦處理工藝為沉砂、調(diào)節(jié)pH、混凝、調(diào)節(jié)沉淀隔油、過濾。
(3)隧道施工廢水設(shè)計(jì)水量應(yīng)包括施工作業(yè)排水及隧道涌水,其中隧道涌水計(jì)算應(yīng)以隧道預(yù)測(cè)正常涌水量為依據(jù),并根據(jù)隧道防排水設(shè)計(jì)以及隧道正洞施工分段劃分、輔助坑道設(shè)置、工期等因素綜合考慮確定。