淺談泥水加壓盾構(gòu)施工中泥水分離

白椏楠

（中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

20 世紀(jì)60 年代，英國(guó)、日本、德國(guó)先后研究開(kāi)發(fā)了泥水加壓盾構(gòu)，該工法用泥漿壓力代替氣壓或土壓，并且應(yīng)用管道輸送代替軌道出渣運(yùn)輸，加快了施工速度，改善了勞動(dòng)條件和施工環(huán)境，并能較好地穩(wěn)定開(kāi)挖面和防止地表隆沉，成為一種劃時(shí)代的盾構(gòu)新技術(shù)，加快對(duì)該工法的研究至關(guān)重要。

1 泥水加壓盾構(gòu)概述

泥水加壓盾構(gòu)就是在盾構(gòu)刀盤(pán)的后方設(shè)置一道隔板，隔板與刀盤(pán)之間作為泥水壓力調(diào)節(jié)室。在開(kāi)挖面和泥水室中的泥水，通過(guò)空氣加壓在開(kāi)挖面形成致密泥膜，通過(guò)壓縮空氣和泥漿液位的調(diào)節(jié)，保證開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，開(kāi)挖下來(lái)的土體進(jìn)入泥水室，由攪拌裝置進(jìn)行攪拌，攪拌后的高濃度泥漿用連續(xù)泵站送到地面泥水分離站，把攜帶渣土的泥漿進(jìn)行篩分處理，然后，再送入泥水室，不斷循環(huán)使用。

泥漿指標(biāo)對(duì)泥水加壓盾構(gòu)施工的影響，主要有以下三個(gè)方面：（1）調(diào)節(jié)開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)壓力與開(kāi)挖面水土合壓保持動(dòng)態(tài)平衡，確保對(duì)地層擾動(dòng)降到最低；（2）泥水作用到開(kāi)挖面上后，通過(guò)壓力形成一層致密的泥膜，可以保證倉(cāng)內(nèi)壓力，穩(wěn)固地層；（3）泥水可以攜帶渣土到地面，保證施工的持續(xù)和效率。因此，保證泥漿在經(jīng)過(guò)泥水分離系統(tǒng)后的處理質(zhì)量至關(guān)重要。

2 工程概況

廣深港客運(yùn)專(zhuān)線深港連接隧道位于深圳市福田區(qū)會(huì)展中心至保稅區(qū)一帶，線路大致南北向，線路穿越深圳市中心城區(qū)，過(guò)深圳河進(jìn)入香港米鋪濕地，最后，到達(dá)香港米鋪豎井。區(qū)間盾構(gòu)施工采用海瑞克泥水加壓盾構(gòu)機(jī)，配套泥漿處理系統(tǒng)采用德國(guó)沙堡泥漿分離設(shè)備。

深港連接隧道為9.96m 雙洞單線盾構(gòu)隧道，隧道起點(diǎn)為皇崗公園豎井，終點(diǎn)為香港米埔車(chē)站，全長(zhǎng)3346m。隧道頂面最大埋深約48m，最小埋深約28m；最大曲線半徑12000m，最小曲線半徑2000m；最大坡度12‰，最小坡度3‰。整個(gè)隧道地層復(fù)雜多變，包含溶洞層、海洋沉積層、強(qiáng)風(fēng)化巖石層、黏土層等。

3 泥漿的作用

泥水處理模式與盾構(gòu)機(jī)的選型、掘進(jìn)速度、地質(zhì)條件等緊密相關(guān)，不同的機(jī)型及地質(zhì)條件決定了不同的泥水處理模式。

廣深港客運(yùn)專(zhuān)線皇崗豎井到米埔豎井采用雙線泥水加壓盾構(gòu)施工工藝，泥水分離設(shè)備采用德國(guó)沙堡處理設(shè)備，主要設(shè)備分為制漿設(shè)備、預(yù)分離設(shè)備、一級(jí)旋流、二級(jí)旋流等，掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)不同地層對(duì)泥漿的要求，及時(shí)調(diào)節(jié)漿液的密度、黏度、濾失量等泥漿主要指標(biāo)參數(shù)，以達(dá)到配合盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)的要求。

4 泥水分離設(shè)備主要組成

泥水分離設(shè)備主要分為制漿設(shè)備、預(yù)分篩、脫水篩、一級(jí)旋流器、二級(jí)旋流器、皮帶機(jī)、壓榨設(shè)備等。

4.1 制漿設(shè)備

制漿設(shè)備分為攪拌系統(tǒng)，上料系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，在自動(dòng)運(yùn)行模式下設(shè)備的功能由SPS 系統(tǒng)來(lái)控制并且參照極限值來(lái)被監(jiān)控。密度調(diào)節(jié)可以通過(guò)人工改變蜂窩輪閘門(mén)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同樣可以借助精確調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)水量，以此實(shí)現(xiàn)漿液指標(biāo)的修改。需要根據(jù)不同地層的需要調(diào)節(jié)新漿的密度、黏度、濾失量等參數(shù)，密度、黏度、濾失量等是漿液中膨潤(rùn)土含量的重要指標(biāo)。

4.2 篩分系統(tǒng)

預(yù)分篩和脫水篩原理以及構(gòu)造大體上相同，只是篩分渣土顆粒的直徑有所區(qū)別，預(yù)分篩上層篩板設(shè)計(jì)為上層10mm 鋼制篩板、4mm 鋼制篩板間隔鋪設(shè)，下層為2.5mm 鋼制篩板。

在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，地層多變，根據(jù)不同地層的出渣情況，篩板需要做出不同的調(diào)整，巖石地層及粗顆粒砂地層，上層斜坡篩板，及前端兩排更換為10mm 篩板，后面篩板更換為2.5mm 篩板，下層斜坡及前端兩排篩板更換為孔狀聚氨酯篩板，10mm 篩板對(duì)于石頭撞擊有較好的抵抗性，在砂層和巖石層，一般黏度低、濾失量高、顆粒較大，泥漿對(duì)篩板的過(guò)水性要求不高，但是，篩板容易磨損破損，所以下層用孔狀聚氨酯篩板延長(zhǎng)使用壽命，減少維修時(shí)間，更好地為掘進(jìn)提供條件。

經(jīng)過(guò)海洋沉積層時(shí)，粗顆粒較少，有貝殼和類(lèi)似貝殼的片狀石出現(xiàn)，上層斜坡篩板保持10mm 篩板不動(dòng)，其他的全部更換為2.5mm 篩板，下層從斜坡篩板到平鋪第4 排篩板全部換成孔狀聚氨酯篩板，這樣可以避免面積大但厚度很薄的片狀石進(jìn)入旋流系統(tǒng)，導(dǎo)致旋流器出口堵塞，影響旋流效果。

進(jìn)入黏土層后，上層篩板、下層篩板全部更換為10mm,并且在預(yù)分篩的尾部架設(shè)高壓水炮，不停地沖洗篩板，在這種地層中，泥漿密度升高的并不快但是黏度上升很快，懸浮顆粒大幅度增加，換漿過(guò)程中在保證攜渣能力和泥漿參數(shù)的情況下可以全部加清水進(jìn)行換漿，因?yàn)橐ＷC黏度，所以會(huì)產(chǎn)生大量密度低、黏度高的廢漿，對(duì)廢漿處理能力是一項(xiàng)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

4.3 篩分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

篩分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有震動(dòng)梁、振動(dòng)電機(jī)、震動(dòng)彈簧等主要構(gòu)件，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題有彈簧斷裂、震動(dòng)梁開(kāi)裂、電機(jī)底座開(kāi)裂、電機(jī)固定螺栓斷裂等。彈簧斷裂主要是產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，篩分主體不平衡，導(dǎo)致受力不均，使用壽命到期等原因。

震動(dòng)梁開(kāi)裂、電機(jī)底座開(kāi)裂、電機(jī)固定螺栓斷裂三個(gè)問(wèn)題實(shí)際上歸納起來(lái)就是一個(gè)原因，那就是振動(dòng)電機(jī)或者說(shuō)振動(dòng)電機(jī)螺栓安裝不合格。剛出現(xiàn)這種開(kāi)裂問(wèn)題時(shí)，分析原因是震動(dòng)幅度過(guò)大，需要調(diào)小震動(dòng)幅度，也可能是電機(jī)底座變形等。經(jīng)過(guò)在施工過(guò)程中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，一臺(tái)振幅調(diào)至70 一臺(tái)振幅調(diào)至100，振幅70 的電機(jī)底座，震動(dòng)梁出現(xiàn)開(kāi)裂，而振幅100 的反而完好，這可以說(shuō)明電機(jī)底座開(kāi)裂、震動(dòng)梁開(kāi)裂的主要原因不是振幅引起的。糾查原因，振幅70 的安裝時(shí)用的是氣動(dòng)扳手，打緊一遍后，不再?gòu)?fù)緊，直至螺栓斷裂，這樣往復(fù)幾次電機(jī)底座就會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)過(guò)程中受力不均出現(xiàn)變形或開(kāi)裂，而震動(dòng)梁作為振動(dòng)電機(jī)的承載體，自然受力也會(huì)不均，進(jìn)而出現(xiàn)開(kāi)裂。而振幅100 的振動(dòng)電機(jī)在打緊后用扭矩扳手逐個(gè)復(fù)緊，并且在運(yùn)行一段時(shí)候后再次復(fù)緊，確保每個(gè)螺栓受力完全均衡。

4.4 旋流系統(tǒng)

旋流系統(tǒng)分為一級(jí)旋流和二級(jí)旋流，根據(jù)選擇會(huì)有不同的組合，以本項(xiàng)目施工為例，一級(jí)旋流采用PC150旋流器，二級(jí)采用PC75 旋流器。

旋流器配有自我調(diào)節(jié)的潛流袋，可用在對(duì)功率、分離精度以及去水等要求很高的情況下。潛流袋是一個(gè)以真空方式工作的調(diào)節(jié)單元，具有良好的預(yù)排水和去水功能。裝滿物料時(shí)，漩流器進(jìn)口形成壓力，而溢流上則出現(xiàn)負(fù)壓。漩流器利用這種負(fù)壓使?jié)摿鞔l(fā)揮作用。根據(jù)負(fù)壓的高度不同，潛流袋的袋口或多或少地關(guān)閉。負(fù)壓可以通過(guò)溢流彎管上面的排氣閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。漩流器上的負(fù)壓必須按相應(yīng)的排放材料進(jìn)行調(diào)整。顆粒粗大時(shí)，負(fù)壓必須低于顆粒細(xì)小時(shí)的負(fù)壓。負(fù)壓過(guò)大，可導(dǎo)致漩流器堵塞。

4.5 掘進(jìn)過(guò)程換漿

掘進(jìn)過(guò)程中換漿是確保泥漿各項(xiàng)指標(biāo)符合掘進(jìn)要求的必要工作，換漿操作簡(jiǎn)單，但是，怎么換漿能達(dá)到井下掘進(jìn)要求是個(gè)需要操作手長(zhǎng)期琢磨和實(shí)踐的問(wèn)題。沙土層結(jié)構(gòu)疏松，容易垮塌、漏氣，泥漿含沙量高，密度升高快，在這個(gè)地層需要確保密度和黏度兩個(gè)指標(biāo)，密度影響泵送能力，黏度影響攜渣能力和泥膜形成，在地下水含量高的情況下，可以選擇密度1.25g/ml、黏度40s 的新漿，在地下水含量低的情況下，可以選擇密度1.15g/ml、黏度35s左右的新漿做置換；在黏土層，密度基本可以通過(guò)旋流效果得到保障，但是黏度升高較快，濾失量逐步減小，所以在該地層換漿時(shí)，可以選擇大部分甚至全部置換清水，這主要根據(jù)實(shí)際情況作出調(diào)整，需要密度、黏度、濾失量、泥膜厚度等各項(xiàng)指標(biāo)做參考，是一項(xiàng)簡(jiǎn)單但是細(xì)致的工作，直接考驗(yàn)操作手的操作能力。

4.6 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)在泥水加壓盾構(gòu)施工中是一個(gè)十分重要的組成部分，泥水系統(tǒng)的運(yùn)行和操縱由泥水監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)和完成，監(jiān)控系統(tǒng)由 PLC 程序?qū)崿F(xiàn)。施工中，監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時(shí)為中央控制室提供可靠的信息，采集泥水系統(tǒng)的技術(shù)數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)中的顯示屏和觸摸屏及時(shí)了解和掌握相關(guān)的泥漿處理指標(biāo)。檢測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)控泥水分離、處理、新漿制作、貯漿泵送、泥漿調(diào)整及密度測(cè)定。

5 結(jié)語(yǔ)

泥水盾構(gòu)施工時(shí)的泥水處理是影響泥水盾構(gòu)正常掘進(jìn)的主要因素之一，隨著泥水盾構(gòu)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，泥水處理系統(tǒng)的作用越發(fā)顯得重要。目前，泥水處理設(shè)備正在朝著集成化、模塊化方向發(fā)展。所謂集成化、模塊化, 就是把振動(dòng)篩、旋流器和泥漿槽等集成為一體。優(yōu)點(diǎn)是安裝使用方便、占地面積小、靈活機(jī)動(dòng)。