臥式離心機(jī)高含水率盾構(gòu)泥漿絮凝劑比選及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800）

隨著我國城市地鐵及過江隧道的大規(guī)模建設(shè)，泥水平衡盾構(gòu)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。該工法在盾構(gòu)開挖面的密封隔艙內(nèi)注入泥漿，通過泥漿加壓使內(nèi)外壓力平衡，以保證開挖面土體的穩(wěn)定。而當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤切削下來的土體與泥水混合，并泵送至地面，從而產(chǎn)生大量高密度的泥漿。泥漿經(jīng)地面泥水分離設(shè)備處理后，一部分泥漿進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)循環(huán)使用，剩余泥漿則需要進(jìn)行脫水處理。若泥漿處理不當(dāng)將會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。

臥式螺旋離心機(jī)占地面積小，泥漿處理大的優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)，逐步應(yīng)用于盾構(gòu)泥漿的脫水處理中。臥式螺旋離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其分離效率有較大影響，已有一些學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)開展研究。荊寶德等[1]針對(duì)大直徑雙錐角臥螺離心機(jī)，對(duì)轉(zhuǎn)轂錐角進(jìn)行仿真模擬得出最優(yōu)轉(zhuǎn)轂錐角為9.5°。吳蕾等[2]研究了長(zhǎng)徑比對(duì)分離效率的影響，認(rèn)為離心機(jī)處理量隨長(zhǎng)徑比增加而增大，同時(shí)其分離性能也越好，但長(zhǎng)徑比過大反而會(huì)導(dǎo)致分離效率降低，因此長(zhǎng)徑比是在某一范圍內(nèi)具有相對(duì)最優(yōu)值。邱發(fā)華等[3]研究了物料入射角對(duì)分離效率的影響，認(rèn)為進(jìn)口入射角為30°時(shí)離心機(jī)分離效率最高。但是針對(duì)不同的物料性質(zhì)需調(diào)整離心機(jī)參數(shù)尋找最佳的離心脫水效果。

本文以濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道工程為背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥漿粘粒含量高的特點(diǎn)，對(duì)分子量不同的兩種陰離子型聚丙烯酰胺進(jìn)行比選，選取最優(yōu)藥劑應(yīng)用于臥式螺旋式離心機(jī)，根據(jù)離心出渣土含水率調(diào)整離心機(jī)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最佳的離心脫水效果。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)酀{取自濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道工程盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)泥水分離系統(tǒng)分離出送入離心機(jī)前的泥漿，使用Mastersize2000 激光粒度儀測(cè)試泥漿粒度組成，得到的泥漿顆粒級(jí)配曲線（圖1）。

圖1 泥漿顆粒級(jí)配曲線

通常狀況下，泥水平衡盾構(gòu)穿越粘土層時(shí)排出的泥漿經(jīng)過泥水分離系統(tǒng)預(yù)篩分器能篩除粒徑大于3mm 的渣土塊，經(jīng)一二級(jí)旋流器處理后篩出大部分粒徑大于75μm 的顆粒，先后經(jīng)過兩次除砂除泥處理后的一部分泥漿送入離心機(jī)進(jìn)行脫水處理。由圖1 可知，泥漿中粘粉粒含量高達(dá)99%，泥漿中細(xì)小土顆粒含量高，不易自然沉淀，極大地影響了泥漿的脫水效率。

試驗(yàn)采用藥劑為陰離子型聚丙烯酰胺（APAM），分子量為1 200 萬和1 800 萬，均為白色顆粒狀粉末，水溶性強(qiáng)，將APAM 配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的溶液進(jìn)行試驗(yàn)。后續(xù)脫水試驗(yàn)采用XYY1000-3500 型離心機(jī)進(jìn)行離心脫水效果的驗(yàn)證，以滿足現(xiàn)場(chǎng)泥漿處理的需要。

2 臥式螺旋離心機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 臥式螺旋離心機(jī)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目采用XYY1000-3500 型離心機(jī)進(jìn)行泥漿的固液相分離。該設(shè)備主要由螺旋推料器、轉(zhuǎn)轂、罩殼、液壓差速器、主輔電機(jī)、減震器、機(jī)座等組成。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)轂建立離心力場(chǎng)，使得泥漿開始分離，根據(jù)排渣與分離的要求，轉(zhuǎn)轂設(shè)計(jì)成錐段和柱段兩部分。螺旋推料器與轉(zhuǎn)轂同向旋轉(zhuǎn)，可以使沉降到轉(zhuǎn)轂壁上的固體能連續(xù)不斷地推向錐轉(zhuǎn)轂口的群渣口。差速器可以使螺旋與轉(zhuǎn)轂之間的差轉(zhuǎn)速能夠保持穩(wěn)定。

表1 XYY1000-3500型離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 臥式螺旋離心機(jī)工作原理

臥式螺旋離心機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)轂與螺旋推料器采取主輔2 臺(tái)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)同向高速旋轉(zhuǎn)且在差速器的作用下形成了一定數(shù)值的差轉(zhuǎn)速（其數(shù)值由變頻器程序調(diào)節(jié)控制）來共同推料。從進(jìn)料口將泥漿壓入到由轉(zhuǎn)轂與螺旋推料器組合形成的螺旋流道內(nèi)，因轉(zhuǎn)轂的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力，基于固液兩相比重差的緣故，泥漿中固相顆粒迅速被逆向轉(zhuǎn)轂內(nèi)壁并沉積在內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)轂做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的螺旋推料器其上的螺旋葉片不斷地將沉積在轉(zhuǎn)轂內(nèi)壁上的固體顆粒刮走并推向出料口，分離后的清液經(jīng)出液口溢流出轉(zhuǎn)轂，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固液兩相的連續(xù)分離。

泥水盾構(gòu)在粉質(zhì)粘土地層中掘進(jìn)時(shí)，隨著掘進(jìn)距離的增加，泥漿比重會(huì)持續(xù)增高，從而影響正常的泥漿循環(huán)攜渣能力，所以泥水盾構(gòu)施工過程中泥漿的廢棄處理是無法避免的問題。該離心機(jī)可直接將廢漿分離成渣土與達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的廢水。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速，可調(diào)整離心機(jī)處理能力和渣土含水率。所以在滿足最大處理能力和最佳處理效果這一對(duì)矛盾中，需找到最佳轉(zhuǎn)速值，以確定最佳的離心脫水工況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 泥漿絮凝效果分析

將絮凝劑用于臥螺離心機(jī)前需確定最合適絮凝劑及其最優(yōu)添加量，圖2 為加入分子量1 200 萬陰離子型聚丙烯酰胺對(duì)泥漿絮凝沉降效果的影響。

圖2 添加分子量1200萬APAM時(shí)的絮凝沉降效果

由圖2 可知，加入分子量1 200 萬APAM后，對(duì)泥漿的絮凝沉降有一定影響。當(dāng)APAM 添加量較小時(shí)，泥漿中未見絮團(tuán)，仍呈流體狀，隨著APAM 用量的增加，泥漿逐漸出現(xiàn)泥水分離的現(xiàn)象，當(dāng)添加量為0.054%時(shí)，泥漿中細(xì)顆粒逐漸團(tuán)聚成大絮團(tuán)，出現(xiàn)泥水分離現(xiàn)象，此時(shí)泥漿約脫去30%水分，當(dāng)添加量為0.064%時(shí)，泥漿脫水的水分有所減少，這是由于過量的APAM 包裹著絮團(tuán)中包含水分，導(dǎo)致分離出的水分減少。

如圖3 所示，分子量1 800 萬APAM 同樣會(huì)影響泥漿的絮凝沉降。當(dāng)APAM 添加量為0.046%時(shí)，便出現(xiàn)了泥水分離現(xiàn)象，此時(shí)由于添加量較少，APAM 分子鏈未能完全連接粘土顆粒，僅有部分水分析出，隨著APAM 用量的增加，泥漿泥水分離的現(xiàn)象更為明顯，大絮團(tuán)逐漸形成，發(fā)生絮凝沉降，泥漿脫去約30%的水分，隨著APAM添加量的增加，泥漿脫去的水分并未顯著增加。

圖3 添加分子量1800萬APAM時(shí)的絮凝沉降效果

由于絮凝劑比選主要用于指導(dǎo)泥水盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)離心機(jī)處理廢漿，故基于絮凝及離心脫水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對(duì)比分析（以絮凝劑最優(yōu)添加量進(jìn)行對(duì)比），見表2。兩種類型APAM 添加量分別為0.054%和0.051%，每方泥漿中干粉添加量?jī)H相差36g，而由于每噸APAM 的價(jià)格差異，使得處理每方泥漿的絮凝劑成本相差了3.3元。而在兩種絮凝劑添加至泥漿中，絮凝和離心脫水效果相近的情況下，選擇分子量為1 200 萬的國產(chǎn)陰離子型聚丙烯酰胺可取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 絮凝劑成本比較

3.2 泥漿離心脫水效果分析

現(xiàn)場(chǎng)配置有絮凝劑溶液罐，罐中分子量1 200萬的陰離子型聚丙烯酰胺溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，其通過剪切泵與泥漿進(jìn)行混合，輸送至離心機(jī)處理。由于離心機(jī)轉(zhuǎn)轂的大小對(duì)出渣含水率有較大影響，因此在保證相同處理量的情況下，通過調(diào)節(jié)兩種絮凝劑添加后臥式螺旋離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，選 取1 200r/min、1 400r/min、1 500r/min、1 600r/min 四個(gè)轉(zhuǎn)速，得到了出料的含水率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。轉(zhuǎn)速對(duì)泥渣含水率的影響如圖4 所示。

由圖4 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 200r/min 增加到1 500r/min 時(shí)，土工含水率降低了約10%，可知較高的轉(zhuǎn)速使出料口的泥渣含水率變低，即增大轉(zhuǎn)速可使離心作用力加強(qiáng)，從而泥漿顆粒與水更易分離，但后續(xù)轉(zhuǎn)速提高到1 600r/min 時(shí)，含水率降低幅度不明顯。因此考慮到所需能耗、臥式螺旋沉降離心機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性等因素，將泥漿處理時(shí)的離心機(jī)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500r/min 較為合適。最終離心機(jī)進(jìn)料含固率約30%，離心機(jī)組單機(jī)處理量40～60m3/h，分離后泥渣土工含水率約50%，可以滿足后續(xù)運(yùn)輸條件。

圖4 出料的含水率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

4 結(jié)論

基于XYY1000-3500 型臥式螺旋離心機(jī)，通過室內(nèi)絮凝沉降試驗(yàn)，測(cè)定不同轉(zhuǎn)速下的泥渣含水率分析泥漿的脫水效果，得出以下結(jié)論。

1）分子量1 200 萬、1 800 萬APAM 能使泥漿快速絮凝沉降，隨著APAM 用量的增加，泥漿泥水分離的現(xiàn)象更為明顯，大絮團(tuán)逐漸形成。在絮凝脫水效果相近的情況下，選擇分子量為1 200 萬的國產(chǎn)陰離子型聚丙烯酰胺可取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2）出料口泥渣的含水率隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加而降低，但是綜合考慮到所需能耗、運(yùn)行穩(wěn)定性等，離心機(jī)轉(zhuǎn)轂轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500r/min 時(shí)較為適宜。