復(fù)雜地層泥水盾構(gòu)泥漿及渣土綜合處理施工技術(shù)

周玉標(biāo)，曾瑞華

（廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

近年來，隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷開發(fā)及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，盾構(gòu)隧道施工技術(shù)越來越廣泛地得到應(yīng)用。泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中環(huán)流系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，傳統(tǒng)的泥水分離處理，采取單一的泥漿渣土分離技術(shù)，僅把泥漿與砂土進(jìn)行分離，部分泥漿經(jīng)調(diào)制后重新環(huán)流循環(huán)，其余泥漿作為棄漿外運(yùn)處理。由于黏土或含泥量大的地層造漿能力強(qiáng)，盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的廢棄泥漿過多，造成棄漿外運(yùn)量大、槽罐車外運(yùn)因環(huán)保問題困難且成本高，若棄漿外運(yùn)不及時(shí)，將導(dǎo)致盾構(gòu)停機(jī)而延誤工期。同時(shí)廢棄泥漿的含水率高、保水性較好，導(dǎo)致其中水分自然晾曬很難脫除，不但需要棄渣場(chǎng)占用土地資源，而且對(duì)環(huán)境造成較大的壓力。我國幅員遼闊，地質(zhì)條件相差較大，盾構(gòu)區(qū)間線路上既存在巖層又存在土層或砂層的情況十分常見。泥水平衡盾構(gòu)在砂層或含砂率高的地層中掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)泥水處理設(shè)備分離出的渣土含有大量砂石。在國內(nèi)砂石需求日益增長(zhǎng)下，只采取簡(jiǎn)單的外運(yùn)處理，致使砂石資源浪費(fèi)、利用不充分?；诖?，一種符合綠色環(huán)保且可持續(xù)發(fā)展的適用于復(fù)雜地層泥水盾構(gòu)泥漿及渣土綜合處理施工技術(shù)得到研究與實(shí)踐。

白椏楠以廣深港客運(yùn)專線泥水盾構(gòu)施工德國沙堡泥水分離設(shè)備為例，對(duì)泥水的分離處理進(jìn)行系統(tǒng)論述，介紹了泥水平衡盾構(gòu)施工中泥水分離設(shè)備在復(fù)雜地層中常見問題及處理方法。余承曄等通過將盾構(gòu)施工過程所產(chǎn)生的盾構(gòu)渣土和廢水匯總后統(tǒng)一經(jīng)過分篩系統(tǒng)、泥水分離系統(tǒng)這兩種組合工藝的處理，使盾構(gòu)泥漿及廢水得到有效的處理，處理后各污染物濃度明顯降低。楊釗等以福州地鐵厚庭—桔園洲區(qū)間隧道泥水盾構(gòu)下穿烏龍江施工為例，研究了利用泥水盾構(gòu)廢棄泥漿配制壁后注漿材料的可行性，并探討了水膠比、粉灰比、砂膠比、泥漿比重4 個(gè)因素對(duì)壁后注漿材料的影響規(guī)律。

目前國內(nèi)針對(duì)泥水盾構(gòu)泥漿及渣土處理的研究，主要集中在單一地通過分離設(shè)備減少廢漿排放或篩分渣土上，而對(duì)“盾構(gòu)棄漿代替膨潤土用于同步注漿+壓濾機(jī)泥漿處理+洗砂機(jī)篩分渣土”3種處理方式有機(jī)結(jié)合的研究相對(duì)較少。本文以新白廣1 標(biāo)白云機(jī)場(chǎng)隧道段工程為研究背景，介紹其工藝流程、材料設(shè)備投入及操作要點(diǎn)，對(duì)該施工技術(shù)處理效果進(jìn)行分析并總結(jié)其在工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

新白廣城際白云機(jī)場(chǎng)隧道段分為一站三區(qū)間，區(qū)間采用?9 130 雙模盾構(gòu)泥水模式進(jìn)行施工，襯砌管片內(nèi)徑8m，外徑8.8m，寬度1.6m，厚度40cm，強(qiáng)度等級(jí)C50，抗?jié)B等級(jí)P12，線路單延長(zhǎng)約8 650m。區(qū)間地質(zhì)情況復(fù)雜，不良地質(zhì)溶土洞發(fā)育強(qiáng)烈，綜合見洞率高達(dá)28.18%（見洞鉆孔數(shù)量/總鉆孔數(shù)量）。穿越區(qū)域主要包括<3-2>粉細(xì)砂層、<3-4>粗砂層、<3-5>礫砂層、<4-2C>泥炭質(zhì)土層、<4N-3>粉質(zhì)黏土層、<4-4>含礫粉質(zhì)黏土層、<7-3>粉砂巖層，局部經(jīng)過<3-3>中砂層、<5-2>硬塑狀灰?guī)r殘積土層、<6>碎屑巖巖石全風(fēng)化帶、<7>碎屑巖巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、<8>碎屑巖巖石中風(fēng)化帶。其中據(jù)勘察統(tǒng)計(jì)三個(gè)區(qū)間地質(zhì)情況砂層占比31.79%，黏土層占比44.70%、巖層占比23.51%。

2 工藝流程

泥水盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的攜渣環(huán)流循環(huán)泥漿經(jīng)泥漿管路流向地面泥水分離設(shè)備（黑旋風(fēng)）進(jìn)行簡(jiǎn)單的泥漿渣土分離，其中一部分泥漿經(jīng)調(diào)制后重新進(jìn)入土倉用于平衡掌子面水土壓力，而絕大部分泥漿作為棄漿一部分用于同步注漿原材料、一部分經(jīng)壓濾機(jī)處理轉(zhuǎn)換成泥餅及清水。同時(shí)，渣土經(jīng)二級(jí)分篩、砂石檢測(cè)后得到可用于建筑材料的砂子，而洗砂產(chǎn)生的廢水通過壓濾機(jī)進(jìn)行環(huán)?；幚?。泥漿及渣土綜合處理工藝流程如圖1 所示。

圖1 泥漿及渣土綜合處理工藝流程圖

3 材料設(shè)備投入

壓濾系統(tǒng)2 套，每套包括8臺(tái)XMYG200/1250U液壓板框式壓濾機(jī)，每臺(tái)壓濾機(jī)濾板72 張、過濾面積達(dá)到200m3、過濾壓力不小于1.0MPa、濾室容積3.82m3、整機(jī)重量10t。配套1 個(gè)容量300m3儲(chǔ)漿罐，存儲(chǔ)棄漿，并設(shè)置3 臺(tái)壓濾機(jī)入料泵，每臺(tái)入料泵功率45kW，最大流量150m3/h。

統(tǒng)計(jì)工程實(shí)際工效，壓濾機(jī)工作單個(gè)過濾周期為120min，盾構(gòu)施工時(shí)間為3 個(gè)臺(tái)班24h 作業(yè)，考慮設(shè)備故障、工人休息等因素，折減系數(shù)取0.8，壓濾機(jī)容積為3.82m3，泥餅含水率取70%，泥漿含水率取97%，每臺(tái)壓濾機(jī)每日可處理?xiàng)墲{量為366.7m3。按照單臺(tái)盾構(gòu)每日掘進(jìn)4環(huán)指標(biāo)，每掘進(jìn)一環(huán)（1.6m）產(chǎn)生泥漿理論體積為104.7m3，考慮黏土層中或含泥量大的地層由于造漿能力強(qiáng)，每日需處理廢棄泥漿最大值為206m3×2 臺(tái)×4 環(huán)=1648m3，而2 套壓濾系統(tǒng)每日總處理量達(dá)到366.7m3×16 臺(tái)=5867.2m3，壓濾處理遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足泥水平衡盾構(gòu)在黏土地層掘進(jìn)施工需求。壓濾機(jī)過程耗時(shí)：注漿20min，保壓46min，泄壓8min，卸泥36min，回程10min。

洗砂設(shè)備包括4 臺(tái)螺旋式洗砂機(jī)、2 臺(tái)輪式洗砂機(jī)、2 臺(tái)脫水振動(dòng)篩、1 臺(tái)斗式給料機(jī)、2 臺(tái)皮帶輸送機(jī)、粗細(xì)篩板、若干鋼箱及渣漿泵等，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 洗砂設(shè)備基本參數(shù)表

2 臺(tái)螺旋式洗砂機(jī)或輪式洗砂機(jī)各自組成一套設(shè)備，通過多級(jí)洗選、篩離細(xì)顆粒砂與石粉流失較少，產(chǎn)出的砂級(jí)配較好，細(xì)度模數(shù)容易控制，質(zhì)量較為穩(wěn)定。按照盾構(gòu)日掘進(jìn)4 環(huán)指標(biāo)，渣土松散系數(shù)取1.14，渣土比重取1.8，每日出土量理論重量為104.7m3×1.14×1.8t/m3×8=1718.8t。而3 套洗砂每日總處理量達(dá)到：（80+155×2)×24=9360t，完全滿足盾構(gòu)施工渣土處理需求。1t 洗砂產(chǎn)出的砂石一般需要消耗1.5t 的水，考慮蒸發(fā)、砂石攜帶水分等損失，每噸砂石能制造的廢水廢漿最大為1.2m3，2 套壓濾系統(tǒng)每日總處理量5 867.2m3，廢棄泥漿及廢水廢漿每日需總處理量1718.2×1.2+1648=3710.6m3＜5867.2m3，壓濾處理洗砂制造的廢水廢漿，不影響泥水平衡盾構(gòu)正常掘進(jìn)。

原始盾構(gòu)同步注漿砂漿主要材料包括水泥、粉煤灰、膨潤土。由于膨潤土漿液是有一定的黏度懸浮漿液，可以增加漿體穩(wěn)定性，防止?jié){液的離析，增大漿體黏度，阻礙河沙顆粒下沉。為擴(kuò)展廢棄泥漿環(huán)保經(jīng)濟(jì)的回收再利用措施，采用多余泥漿代替膨潤土漿，經(jīng)試驗(yàn)人員對(duì)棄漿性能檢測(cè)，取比重1.25、粘度30s、含砂率3%的多余泥漿作為原材料后，用于同步注漿。由于多余泥漿主要由膨潤土、黏土顆粒、CMC 增稠劑等添加劑、少量的砂、水等組成的具有一定粘度的懸浮漿液，拌和后的砂漿各項(xiàng)指標(biāo)（強(qiáng)度、稠度、流動(dòng)性等）均能滿足同步注漿材料的要求，用于管片背后注漿的充填性得到保證砂漿前后配比如表2 所示。

表2 每方砂漿前后配合比表 （單位：kg）

4 操作要點(diǎn)

4.1 壓濾機(jī)工作過程

壓濾系統(tǒng)的工作是配合入料泵、加壓水泵進(jìn)行的，壓濾機(jī)主要執(zhí)行以下動(dòng)作程序。

1）保壓階段 壓濾機(jī)啟動(dòng)，入料泵及水泵開始工作，此時(shí)液壓油缸保持不動(dòng)。由于液壓缸受到較大壓力，板框間濾腔內(nèi)部承受高壓，此時(shí)必須保持液壓缸不能泄露。即處于保壓過程。

2）脫水期間 入料泵及水泵持續(xù)工作，沿著注漿孔將廢棄泥漿注入壓濾機(jī)兩板框形成的濾腔中。隨著注漿增多，泥漿受到擠壓力越來越大，水就透過濾布流進(jìn)兩側(cè)導(dǎo)水槽，經(jīng)3個(gè)清水鋼箱逐級(jí)沉淀后，可用于場(chǎng)地清洗、調(diào)漿及砂漿拌和用水。而濾腔中剩下擠壓后的濾餅。該階段液壓缸處于持續(xù)保壓狀態(tài)。

3）泄壓及卸泥過程 水泵停止后打開壓榨水回水管蝶閥，卸掉水壓；打開壓濾機(jī)回漿管閥門卸掉壓濾機(jī)里的漿壓；按壓濾機(jī)電柜松開按鈕，液壓缸腔內(nèi)的高壓液壓油排入液壓油箱，液壓缸退回到限位開關(guān)位置停止；按下電柜拉板按鈕，拉板小車自行拉板卸泥；由于泥餅受擠壓自行脫落困難，需采用人工逐塊卸泥。在卸泥過程中如發(fā)現(xiàn)有泥餅沒脫落或?yàn)V布折角沒綁好可拉小車下的繩索臨時(shí)暫停，處理好再拉繩索拉板小車恢復(fù)工作；卸泥完成后，清洗濾布上的泥漬，拉板小車及液壓缸已歸位，為下一過濾周期做好準(zhǔn)備。而泥餅經(jīng)車輛外運(yùn)回收至磚廠、陶瓷廠加工。

4.2 洗砂設(shè)備工作過程

1）篩離大直徑塊石、漂石 由于盾構(gòu)掘進(jìn)地層復(fù)雜、炭質(zhì)灰?guī)r風(fēng)化程度不一、普遍存在裂隙發(fā)育，導(dǎo)致刀具未能很好地起到磨巖的作用，并且剝離下來的較大直徑塊石經(jīng)泥水分離后成為渣土的一部分，若進(jìn)入洗砂機(jī)內(nèi)容易磕傷設(shè)備。通過人工焊接角鋼與直徑16mm 的鋼筋組成隔離篩板，鋼筋凈間距10cm，有效地阻隔塊石。

2）上料、初篩 安裝斗式給料機(jī)、鏈條傳動(dòng)，將經(jīng)過隔離篩板分離后的渣土由水池輸送至初篩網(wǎng)上，利用重力作用，以粒徑20mm 為界分離砂與石，細(xì)顆粒砂分別流向輪式及螺旋式洗砂機(jī)內(nèi)，而粗骨料石子則由皮帶傳輸?shù)戒撓鋬?nèi)。

3）兩級(jí)篩分 細(xì)骨料砂由于盾構(gòu)掘進(jìn)地層的復(fù)雜，不可避免地會(huì)帶有泥土和其他雜質(zhì)，如不經(jīng)過洗砂這步驟，砂子在存放時(shí)會(huì)凝結(jié)在一起，影響使用效果，而洗砂機(jī)對(duì)物料進(jìn)行二級(jí)洗選篩離作業(yè)，清除包裹在砂子周圍的泥土等雜質(zhì)，還可以破壞砂粒表面的水汽層，有利于脫水疏干達(dá)到篩分出潔凈度更高的砂子。洗砂用水，采用PVC 管路直接連接壓濾機(jī)導(dǎo)水槽，實(shí)現(xiàn)洗砂廢水到洗砂用水的無縫循環(huán)。

4）細(xì)篩 洗砂后的細(xì)砂和水漿液通過高效濃縮旋流器濃縮至60%以上濃度，均勻進(jìn)入振動(dòng)篩面，首先過濾出大量液體，經(jīng)渣漿泵引入廢水廢漿鋼箱內(nèi)，排往壓濾系統(tǒng)的儲(chǔ)漿罐。隨后受到振動(dòng)的影響，強(qiáng)迫細(xì)砂向前運(yùn)動(dòng)分離液體控制形成粗砂濾層，進(jìn)行二次內(nèi)水分過濾，微細(xì)砂脫離水分張力與粗砂混合成團(tuán)狀，然后團(tuán)狀砂剝離粗砂濾層快速直線運(yùn)動(dòng)至排砂口干排然后由皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送至一旁，經(jīng)檢測(cè)合格后，可用于建筑材料。干排后的細(xì)砂含水率控制在10%～15%之內(nèi)，從而達(dá)到輸送、干堆、運(yùn)輸?shù)饶康摹?/p>

4.3 砂漿拌和

采用4 寸鍍鋅鋼管將多余泥漿引流至鋼箱內(nèi)儲(chǔ)存，砂漿拌和前進(jìn)行泥漿的性能，由于泥水平衡盾構(gòu)在下穿不同地層時(shí)泥漿比重和粘度會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)多余泥漿粘度大于30s 時(shí)，需在砂漿拌和中增加適量的水，使砂漿有更好的工作性能。

5 處理效果分析

根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)各個(gè)地層中排出的泥漿處理情況進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)，共調(diào)查統(tǒng)計(jì)80 環(huán)。通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，排出泥漿量以砂層為主的地層平均149.5m3/ 環(huán)、棄 漿44.8m3/ 環(huán)、渣土115.2m3/環(huán)，以粉質(zhì)黏土為主的地層平均297.9m3/環(huán)、棄漿193.2m3/環(huán)、渣土125.6m3/環(huán)，以巖層為主的地層平均130.0m3/環(huán)、棄漿25.3m3/環(huán)、渣土119.4m3/環(huán)。應(yīng)用綜合處理施工技術(shù)，經(jīng)壓濾系統(tǒng)處理，實(shí)現(xiàn)棄漿零外運(yùn)、而需要增加泥餅外運(yùn)，其中泥餅外運(yùn)量以砂層為主的地層平均3.0m3/環(huán)、以粉質(zhì)黏土為主的地層平均9.32m3/環(huán)、以巖層為主的地層平均1.7m3/環(huán)，具體如表3 所示。

表3 各地層泥漿情況統(tǒng)計(jì)表

同時(shí)對(duì)盾構(gòu)渣土洗砂的應(yīng)用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在去除巖層尤其是灰?guī)r等非代表性的地層的情況下。應(yīng)用綜合處理施工技術(shù)，有效地利用渣土中存在的砂石資源、保護(hù)天然砂石資源及減少渣土的外運(yùn)，其中以砂層為主的地層細(xì)骨料砂產(chǎn)量平均82.9m3/環(huán)、棄渣32.3m3/環(huán)，以粉質(zhì)黏土層為主的地層細(xì)骨料砂產(chǎn)量平均56.5m3/環(huán)、棄渣69.1m3/環(huán)，具體如表4 所示。

表4 各地層渣土情況統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)語

總結(jié)得出，通過將多余泥漿代替膨潤土漿、安裝壓濾設(shè)備及洗砂設(shè)備，實(shí)現(xiàn)廢棄泥漿全部轉(zhuǎn)化成泥餅及清水、渣土中的砂石得到洗選分離，大幅度減小泥漿及渣土的外運(yùn)量，降低盾構(gòu)同步注漿成本，并能利用壓濾后的清水循環(huán)回用在洗砂及盾構(gòu)施工上，減少項(xiàng)目工程用水支出。同時(shí)該施工技術(shù)采用壓濾處理克服洗砂帶來的廢水廢漿排污難題，工藝技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)便，保證泥水平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的施工效率。