泥水盾構(gòu)施工過程中的廢漿處理工藝

朱 濤

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著我國大城市人口的迅速增長及城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大城市對(duì)于快捷交通的需求日益明顯。在近年來的城市快速路建設(shè)過程中，泥水盾構(gòu)以其無需特殊土體改良、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、開挖面穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)越江隧道建設(shè)的主要施工技術(shù)[1]。

由于施工工藝關(guān)系，泥水盾構(gòu)在施工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿和渣土。隨著我國對(duì)城市基礎(chǔ)建設(shè)文明施工要求的不斷提升，如何環(huán)保科學(xué)地處理泥水盾構(gòu)施工過程中產(chǎn)生的廢漿，是目前城市隧道施工中需解決的問題。本文以上海市江浦路越江隧道新建工程為案例，簡述泥水分離結(jié)合壓濾干化工藝在泥水盾構(gòu)廢漿處理過程中的應(yīng)用。

1 工程概況

上海市江浦路越江隧道新建工程總體呈南北走向，北起楊浦區(qū)江浦路龍江路口，經(jīng)江浦路丹東路口后穿越黃浦江至浦東新區(qū)，順民生路向南至民生路商城路口，全長2.28 km。

江浦路越江隧道新建工程江中段以盾構(gòu)方式穿越黃浦江（圖1），盾構(gòu)隧道管片外徑11.36 m，管片厚480 mm。隧道施工時(shí)，采用2臺(tái)盾構(gòu)先后從浦東工作井始發(fā)至浦西工作井接收，隧道采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工。

圖1 江中段盾構(gòu)區(qū)間工程情況示意

2 泥水盾構(gòu)原理

泥水盾構(gòu)通過泥水循環(huán)的方式將渣土運(yùn)送到隧道外部，其開挖面的穩(wěn)定是通過泥水加壓來精確控制的。盾構(gòu)機(jī)在刀盤后面有一個(gè)密封隔板，與開挖面之間形成泥水艙，里面充滿了泥漿。盾構(gòu)機(jī)切削下的渣土與泥漿混合由排漿泵輸送至地面的泥水分離站，經(jīng)分離后進(jìn)入泥漿調(diào)整池進(jìn)行泥水形狀調(diào)整后，性能指標(biāo)優(yōu)良的泥漿由送泥泵送至盾構(gòu)的泥水艙重復(fù)使用，廢漿則需外運(yùn)處理（圖2）。

3 江浦路越江隧道新建工程泥漿處理形式

圖2 泥水盾構(gòu)泥漿處理流程示意

目前，國內(nèi)泥水盾構(gòu)廢棄漿液處理的方式主要有以下3種：壓濾處理、離心處理和固化處理。這3種廢漿處理形式各有特點(diǎn)。其中，固化處理成本低，但效率差、占地面積大；離心處理效果好，但噪聲大且設(shè)備費(fèi)用投入大，后續(xù)維護(hù)成本高；而壓濾處理占地面積小，在黏土層中廢漿處理效果與離心處理接近且資金投入相比于離心處理較小，在滿足渣土外運(yùn)的同時(shí)，達(dá)到綜合效果最優(yōu)[2]。

江浦路越江隧道新建工程根據(jù)現(xiàn)場處于浦東陸家嘴商業(yè)圈的地理位置及工程實(shí)際土層情況，選取康明克斯泥水分離系統(tǒng)及爾速壓濾系統(tǒng)相結(jié)合的形式來處理本工程的盾構(gòu)泥漿，以達(dá)到工程“廢漿零排放”的要求。其中，泥水分離選用2套KMZ-2 000×2型泥水處理系統(tǒng)，2套ZTJ-160型制調(diào)漿設(shè)備；壓濾設(shè)備選用4臺(tái)ERSU-3型設(shè)備以及2臺(tái)ERSU-4型設(shè)備。

3.1 泥水分離系統(tǒng)

從盾構(gòu)機(jī)排出的泥漿渣土通過管道（圖3）由渣漿泵泵送到地面泥水分離設(shè)備，渣土通過第一步緩沖箱減壓后流到下部的黏土塊-泥漿分離機(jī)（圖4），大于20 mm的物料通過分離機(jī)直接分離后進(jìn)入渣土，小于20 mm的顆粒和泥漿進(jìn)入粗篩進(jìn)行下一步分離。篩上物250 mm粒徑的大塊物料落到渣場，篩下物泥漿進(jìn)入下方儲(chǔ)漿槽，進(jìn)行下一步的分離分級(jí)和脫水。經(jīng)處理后落到渣場的物料含水量小于30%，滿足汽車運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

圖3 盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車尾部進(jìn)、排泥管

圖4 黏土塊-泥漿分離機(jī)

經(jīng)預(yù)篩分離后，直徑小于4 mm的物料進(jìn)入下部儲(chǔ)漿槽（預(yù)篩下部的儲(chǔ)漿槽與本模塊的儲(chǔ)漿槽相通），由1號(hào)渣漿泵抽至一級(jí)旋流器進(jìn)行分級(jí)，直徑大于0.074 mm的顆粒物進(jìn)入底流，落至一級(jí)分離2號(hào)振動(dòng)篩篩分脫水（圖5）；旋流器的溢流經(jīng)一級(jí)旋流回漿箱進(jìn)入二級(jí)分離模塊。振動(dòng)篩的篩上物主要為0.074～4.000 mm的砂料，落至渣場，含水率小于30%，滿足汽車運(yùn)輸要求。

一級(jí)旋流器的溢流經(jīng)一級(jí)旋流回漿箱進(jìn)入二級(jí)分離

圖5 一級(jí)旋流器及一級(jí)脫水篩

模塊的儲(chǔ)漿槽后，由2號(hào)渣漿泵將其抽至二級(jí)旋流器分級(jí)，直徑大于0.020 mm的顆粒物進(jìn)入二級(jí)旋流器底流，落入二級(jí)脫水篩脫水；二級(jí)旋流器的溢流進(jìn)入制、調(diào)漿系統(tǒng)，調(diào)整后送回盾構(gòu)機(jī)循環(huán)使用；振動(dòng)篩篩上物為粒徑0.020～0.074 mm的顆粒，落至渣場，其含水率小于30%，滿足汽車運(yùn)輸要求。

3.2 壓濾干化系統(tǒng)

經(jīng)泥漿分離處理后的漿液（粒徑≤0.02 mm）進(jìn)入現(xiàn)場濃縮池，自然沉淀后，密度較大（1.3～1.7 g/m3）的泥漿通過濃縮池底流泵泵送至棄漿池。在棄漿池中，廢漿通過入料泵把漿液注入相鄰濾板形成的濾室中，同時(shí)加入適當(dāng)化學(xué)劑[3]，在注滿后繼續(xù)泵料，給濾室內(nèi)的物料施壓，使廢漿中大部分的水通過濾布，從濾板上的溝槽流出。然后用高壓風(fēng)鼓動(dòng)濾板隔膜擠壓濾餅進(jìn)行脫水，最后使高壓空氣均勻通過整個(gè)濾餅斷面，置換濾餅內(nèi)的殘留水分（圖6）。

圖6 壓濾干化處理

壓濾后的土方含水率＜45%，適合卡車運(yùn)輸。同時(shí)濾液水可以作為制調(diào)漿系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)所需用水，也可用于內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)管道清洗。

4 在工程中的實(shí)際應(yīng)用效果

在江浦路越江隧道新建工程江中段盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，涉及的主要土層有：第①3層黏質(zhì)粉土、第④層淤泥質(zhì)黏土、第⑤1-1層黏土、第⑤1-2層粉質(zhì)黏土、第⑤2層黏質(zhì)粉土、第⑤3層粉質(zhì)黏土、第⑤4層粉質(zhì)黏土、第⑥層粉質(zhì)黏土、第⑦1-1層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、第⑦1-2層砂質(zhì)粉土。

本文以西線67環(huán)、150環(huán)、228環(huán)、340環(huán)、480環(huán)為例（圖7），根據(jù)地質(zhì)報(bào)告中土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表（表1）以及各環(huán)土層統(tǒng)計(jì)表（表2），對(duì)壓濾干化處理的理論出土量進(jìn)行分析。

圖7 西線土層地質(zhì)情況

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表2 各環(huán)土層統(tǒng)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，67環(huán)所在土層顆粒直徑小于0.02 mm的土體方量為77.57 m3，即通過壓濾干化處理出的土的理論方量為77.57 m3；150環(huán)所在土層顆粒直徑小于0.02 mm的土體方量為65.45 m3，即通過壓濾干化處理出的土的理論方量為65.45 m3；228環(huán)所在土層顆粒直徑小于0.02 mm的土體方量為59.4 m3，即通過壓濾干化處理出的土的理論方量為59.4 m3；340環(huán)所在土層顆粒直徑小于0.02 mm的土體方量為68.69 m3，即通過壓濾干化處理出的土的理論方量為68.69 m3；480環(huán)所在土層顆粒直徑小于0.02 mm的土體方量為85.98 m3，即通過壓濾干化處理出的土的理論方量為85.98 m3。

根據(jù)現(xiàn)場土層地質(zhì)的實(shí)際情況計(jì)算，江浦路隧道每環(huán)掘進(jìn)產(chǎn)生土方量159 m3，按最不利情況并考慮相應(yīng)系數(shù)，掘進(jìn)1環(huán)壓濾處理（顆粒直徑0.02 mm以下）土方量約為100 m3，每日掘進(jìn)10環(huán)，壓濾日需處理干泥量達(dá)到1 000 m3。現(xiàn)場配置4臺(tái)ERSU-3、2臺(tái)ERSU-4（其中ERSU-3每日處理干泥量200 m3，ERSU-4每日處理干泥量300 m3）以及2 000 m3的廢漿池以滿足現(xiàn)場處理需求。

目前，江浦路西線盾構(gòu)已貫通，實(shí)際掘進(jìn)過程中棄漿密度一般為1.3 g/cm3左右，平均每環(huán)棄漿量為300 m3左右，則平均每環(huán)的棄漿經(jīng)過壓濾后需處理土方量約90 m3，現(xiàn)場壓濾處理過程中在加入適量絮凝劑的情況下，可以滿足每日掘進(jìn)10環(huán)的土方處理需求。壓濾處理土方含水量＜ 30%，滿足汽車運(yùn)輸要求，現(xiàn)場作業(yè)能夠滿足“廢漿零排放”要求（圖8）。

圖8 廢漿壓濾處理后土體情況

5 結(jié)語

1）泥水分離結(jié)合壓濾干化作為一條新途徑，能有效解決大型泥水盾構(gòu)“廢漿零排放”問題，滿足日益提高的綠色施工要求。

2）各個(gè)項(xiàng)目需根據(jù)各自施工區(qū)域的土層情況，選取合適的泥水分離及壓濾干化設(shè)備型號(hào)并配置足量的設(shè)備及廢漿池，以滿足現(xiàn)場施工需求。

3）盾構(gòu)區(qū)間土層變化多端，應(yīng)根據(jù)土層變化情況及時(shí)調(diào)整化學(xué)藥劑摻量[4]，以保證施工順利展開。

[1] 華曉燁.南京長江第五大橋科技成果轉(zhuǎn)化實(shí)踐研究[J].科技創(chuàng)新, 2018(12):1-3.

[2] 袁永學(xué).大直徑泥水盾構(gòu)泥漿綠色處理技術(shù)探討[J].山東工業(yè)技術(shù), 2018(8):125-127.

[3] 王鑫.地泥水盾構(gòu)施工廢棄泥漿的環(huán)保處理技術(shù)[J].四川建材, 2018,44(11):47-48.

[4] 張偉.絮凝劑提高疏浚泥漿泥水分離性能研究[D].合肥:合肥工業(yè) 大學(xué),2018.