盾構(gòu)渣土資源化處理工藝及成套系統(tǒng)裝備研究

劉 恒, 孫曉輝, 牟 松, 周學(xué)彬, 李 恒, 陳湘生

(1.中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518054；2.深圳大學(xué)，廣東 深圳 518000；3.深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室，廣東 深圳 518000；4.中鐵工程服務(wù)有限公司，四川 成都 610083)

0 引言

截至2020年底，國內(nèi)已有45個城市開通城市軌道交通，運營線路總長度7 969.7 km。其中，盾構(gòu)隧道憑借其安全、可靠、快速和經(jīng)濟等優(yōu)勢在我國各大城市的地鐵建設(shè)中占絕大多數(shù)[1]。以深圳市為例，當(dāng)前深圳市地鐵系統(tǒng)已規(guī)劃33條線路，線路總長 1 385 km，目前已經(jīng)開通運營302 km，正在建設(shè)及規(guī)劃的采用盾構(gòu)掘進的地鐵線路長度在1 000 km以上。

在我國每年的盾構(gòu)隧道施工中，渣土以億m3計的體量產(chǎn)生，成為了經(jīng)濟發(fā)達城市固體廢棄物的主要來源之一[2]。由于盾構(gòu)施工中(以土壓平衡盾構(gòu)為例)大量泡沫劑和水的摻入，使得盾構(gòu)渣土含水率高、力學(xué)性質(zhì)差，不利于直接外運填埋處置，諸多棄土受納場地難以接收盾構(gòu)渣土[3]。同時，外運過程中產(chǎn)生的揚塵、噪音、交通負荷、路面損耗等負面因素廣受詬病[4]。隨著環(huán)保要求的提高，棄土場地建設(shè)也受到限制，傳統(tǒng)的外運處置更加難以為繼。盾構(gòu)渣土實際為地下開掘巖土，本身由包含不同顆粒級配的土、碎石或者混和碎石土組成，有巨大的資源化利用價值，若直接棄置與綠色發(fā)展理念和可持續(xù)發(fā)展理念相悖[5-7]。因此，對盾構(gòu)渣土的高效無害化、減量化、資源化處理[8-11]成為當(dāng)前及未來的發(fā)展必然，對城市生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

當(dāng)前，盾構(gòu)渣土原位資源化處理中所采用的主要技術(shù)路徑為借助振動篩、除砂器(一級旋流)、除泥器(二級旋流)進行固液分離和顆粒多級篩分，利用壓濾機、離心機對細顆粒泥漿進行固液分離以滿足排放標準及渣土一次資源回收。固液分離后的粗骨料、細骨料可在工程中直接使用，產(chǎn)生的水可在整個工藝中循環(huán)利用。泥餅含水率低于深圳市規(guī)定出場值(40%)，實現(xiàn)盾構(gòu)渣土大幅減量，同時滿足外運處置或其他資源化利用的條件。當(dāng)前，相關(guān)學(xué)者針對廢棄泥漿處理工藝及系統(tǒng)裝備開展了研究。呂廣等[12]研制出水基鉆屑絮凝壓濾一體機，研究了適用于廢棄泥漿減量化處置的新工藝。申智杰[13]介紹了獅子洋海底隧道大型泥水平衡盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)和泥水處理系統(tǒng)原理及設(shè)備配置，對泥水處理設(shè)備特點進行了闡述。武利祥等[14]介紹了一種泥水盾構(gòu)渣漿處理系統(tǒng)及工藝，該系統(tǒng)包含篩分器、旋流器等設(shè)備，使泥漿分離并循環(huán)利用。顧國明等[15]研究了MS泥漿處理系統(tǒng)，其特點包括管路敷設(shè)、取水排泥系統(tǒng)等。劉豫東等[16]研究了泥水處理系統(tǒng)及工藝，其處理系統(tǒng)包括篩分器、旋流器、沉淀池等。

但在工程實際中，仍然存在許多問題需要進一步研究，尤其在裝備對不同地層及狹小場地的適應(yīng)性、處理效率、智能化、集成化、模塊化以及資源化產(chǎn)品品控等方面需要深入研究，以進一步提升盾構(gòu)渣土的處理效能和質(zhì)量。

1 研究背景

在深圳地鐵14號線土壓平衡盾構(gòu)渣土資源化處理工程實踐中，先行投入使用的坑梓站處理場地占地面積達2 450 m2，處理能力約1 000 m3/d，存在占地面積過大、處理能力不足、操作復(fù)雜、設(shè)備運行穩(wěn)定性及對不同地層的適應(yīng)性不足等問題。在后續(xù)進行的六約北站渣土資源化處理工程中，亟需集成化、智能化程度更高及對不同地層所產(chǎn)生渣土適應(yīng)性更強的裝備系統(tǒng)。在此背景下，開展盾構(gòu)渣土處理工藝及成套裝備研究意義重大。

2 盾構(gòu)渣土處理工藝及成套裝備研究

2.1 盾構(gòu)渣土處理工藝

本研究所采用的盾構(gòu)渣土處理系統(tǒng)包括振動篩分系統(tǒng)、洗砂系統(tǒng)、絮凝系統(tǒng)、壓濾系統(tǒng)及中央控制系統(tǒng)，其工藝流程如圖1所示。在整個工藝設(shè)計中，渣土物料通過給料機分料至振動篩；振動篩分后粗骨料直接分離，細砂、粉粒、黏粒和水通過篩下溜槽進入洗砂系統(tǒng)；采用兩級葉輪洗砂機及水力旋流器將細砂洗出，以降低砂中含泥量，提高產(chǎn)品品質(zhì)；溢流及篩下泥漿進入絮凝系統(tǒng)，池底高含水率泥漿泵入壓濾系統(tǒng)，壓濾后形成低含水率泥餅和清水，清水在系統(tǒng)中循環(huán)利用。整個工藝流程采用多冗余設(shè)計，每一個子系統(tǒng)均進行特殊設(shè)計，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性?；诖斯に嚵鞒?，通過BIM建模進行了建造場景構(gòu)建，保證各個模塊在現(xiàn)場拼接、安裝的順暢性，如圖2所示。

圖1 深圳地鐵14號線六約北站盾構(gòu)渣土處理系統(tǒng)工藝流程

圖2 盾構(gòu)渣土處理成套設(shè)備BIM建模

2.2 盾構(gòu)渣土處理成套系統(tǒng)裝備研究

2.2.1 振動篩分系統(tǒng)

振動篩分模塊主要用于分離渣土中2 mm以上的粗骨料和2 mm以下的細骨料及細顆粒。深圳地鐵14號線六約北站盾構(gòu)渣土處理現(xiàn)場采用2臺橢圓振動篩，單臺長6 000 mm、寬2 160 mm、高2 000 mm，處理能力為120～160 m3/h。橢圓篩具有激振力大、篩分效率高、不易堵孔的特點。每臺橢圓篩設(shè)3層篩網(wǎng)，其篩孔尺寸自大到小分別是10、6、2 mm，每一層篩網(wǎng)上部均設(shè)有高壓噴淋裝置。針對該盾構(gòu)區(qū)間渣土類型，所采用的振幅范圍、頻率范圍、激振力分別為8～9.5 mm、12.67～13.67 Hz和200 kN。圖3為振動篩分模塊模型圖。

圖3 振動篩分模塊模型

振動篩工作順暢與否直接關(guān)系到系統(tǒng)的處理效率，本研究解決了傳統(tǒng)振動篩淤堵的問題，主要特點如下:

1)增加給料設(shè)備，將大塊渣土進行破碎，保證入料均勻、松散，提升處理效率；

2)振動篩上設(shè)置多層、分區(qū)域可調(diào)高壓噴淋裝置(見圖4)，可通過中央控制室主動控制噴淋壓力，壓力變化幅度為0.9～1.1 MPa；每一層振動篩上渣土均經(jīng)過3個噴淋區(qū)域，其中，第1區(qū)域為高壓破碎區(qū)，第2區(qū)域為沖洗區(qū)，第3區(qū)域為振動干燥區(qū)；

圖4 振動篩高壓噴淋裝置

3)振動篩配置菱形防堵篩網(wǎng)，篩孔直徑2 mm，避免淤堵發(fā)生；

4)振動篩振幅、頻率、激振力均可調(diào)節(jié)，大幅提升處理能力和地質(zhì)適應(yīng)性；

5)設(shè)置篩下溜槽，具有輔助沖洗功能；

6)所定制鋼結(jié)構(gòu)振動篩支架均可模塊化拼裝和移動搬運，整體集成化程度高。

2.2.2 洗砂系統(tǒng)

洗砂模塊由葉輪洗砂機、水力旋流器和脫水篩組成，主要功能是將0.075～2 mm的細骨料和0.075 mm以下的粉、黏粒分離。為提高洗砂模塊的工作效率，對其進行優(yōu)化組合設(shè)計，采用2臺串聯(lián)葉輪洗砂機、4臺并聯(lián)水力旋流器和1臺脫水篩(見圖5)，其中，葉輪機直徑為3.6 m，旋流器直徑為500 mm。

圖5 洗砂模塊

洗砂系統(tǒng)主要特點如下：

1)振動篩篩下物直入洗砂機，旋流器溢流物直入絮凝罐，洗砂機主力除砂，旋流器輔助除砂，避免旋流器工作不穩(wěn)定的影響；

2)采用變頻控制葉輪機驅(qū)動，通過中央控制室智能控制葉輪機轉(zhuǎn)速，降低淤積風(fēng)險；

3)設(shè)置大流量溢流結(jié)構(gòu)和高邊擋水洗砂機，防止溢水，滿足大流量洗砂需求；

4)旋流器底流嘴為可更換結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足不同洗砂需求；

5)模塊內(nèi)設(shè)分液箱，用于控制旋流器溢流泥漿的流速，智能分配進入各個絮凝罐的泥漿量；

6)所需鋼結(jié)構(gòu)為模塊化訂制，便于工廠化生產(chǎn)和現(xiàn)場拼裝。

2.2.3 絮凝系統(tǒng)

絮凝模塊用于對洗砂機溢流泥漿進行絮凝沉淀，為下一步泥漿壓濾做準備。六約北站盾構(gòu)渣土資源化處理現(xiàn)場的絮凝模塊由4套模塊化組合的絮凝罐和1臺自動加藥機組成，如圖6所示。

圖6 絮凝模塊

絮凝系統(tǒng)主要特點如下：

1)改進絮凝罐頂部進漿模式，采用螺旋式進料槽，保證泥漿和絮凝劑充分混合，然后經(jīng)過中心進料管使泥漿直入絮凝罐底部，保證泥漿快速沉淀；

2)合理設(shè)計絮凝罐尺寸，直徑為3.6 m，高6 m，便于模塊化組合和運輸；

3)為提高后續(xù)壓濾效率，罐底泥漿干物質(zhì)量控制在30%左右；

4)智能監(jiān)測絮凝罐液位和罐底絮凝沉淀泥漿的深度；

5)絮凝罐底部配備了反向沖洗設(shè)備，可在發(fā)生淤堵時進行及時疏通，無需人工介入。

2.2.4 壓濾系統(tǒng)

本模塊采用多臺板框壓濾機并聯(lián)的形式，提高設(shè)備整體運行的可靠性和連貫性，如圖7所示。壓濾機的壓緊壓力(18～20 MPa)和固液分離壓力(0.8～1 MPa)均可根據(jù)土質(zhì)情況調(diào)節(jié)，壓濾后泥餅的含水率在40%以下，板框壓濾機下部設(shè)置皮帶輸送機輸送泥餅。

圖7 壓濾模塊

壓濾模塊的智能化路徑體現(xiàn)在，通過集成在壓濾機上的含水率傳感器進行探測，并反饋至中央控制室，實時掌控泥餅含水率變化和壓濾效果。含水率傳感器測定板框間泥漿從注入到壓濾完成的含水率變化，如圖8所示。

圖8 體積含水率變化

2.2.5 管路系統(tǒng)

除上述各模塊之外，管路、管道的連接同樣關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性和模塊化拼裝的便捷性。具體包括：

1)壓力管路采用法蘭連接，非壓力管路采用雙半扣連接，且管路上均設(shè)有流量計和壓力計，并可通過中央控制室進行監(jiān)控和控制；

2)定制一系列長度不一的連接管道，如圖9所示，可通過拼裝適應(yīng)不同連接需求，硬質(zhì)管道與設(shè)備連接段采用軟管柔性連接，可適應(yīng)較大裝配誤差；

圖9 連接管道

3)各模塊均預(yù)留清水管路，便于開展設(shè)備設(shè)施深度清洗，響應(yīng)文明施工的要求。

2.2.6 智能化管理平臺

開發(fā)智能化中央管理平臺，如圖10所示。實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化中央控制，不僅可以監(jiān)控各個模塊的運行狀態(tài)，還可以對各個模塊發(fā)出指令，及時適應(yīng)不同的運行工況。系統(tǒng)可實現(xiàn)自動運行，并具有連鎖啟停、狀態(tài)監(jiān)測、自動報警功能,可以實現(xiàn)一鍵啟動和連鎖控制40余個開關(guān)，僅需4人左右就能夠運行整個系統(tǒng)并完成日常管理。圖11示出各模塊的PLC控制界面，包含控制參數(shù)調(diào)節(jié)交互界面和各模塊運行實時監(jiān)控畫面。

圖10 盾構(gòu)渣土高效資源化裝備智能化中央控制臺

圖11 PLC控制界面

3 工程應(yīng)用

深圳地鐵14號線六約北站土壓平衡盾構(gòu)渣土處理工程(地層以微風(fēng)化、中風(fēng)化角巖為主)采用本研究所述的新一代裝備系統(tǒng)，如圖12所示。設(shè)備占地面積僅470 m2，系統(tǒng)裝機功率為800 kW，設(shè)計最大處理能力達1 400 m3/d(以盾構(gòu)每d最多推進16環(huán)、每環(huán)產(chǎn)生渣土86 m3(虛方)計)。該設(shè)計處理能力主要受制于壓濾系統(tǒng)。系統(tǒng)中設(shè)置4臺壓濾機，單臺壓濾機每h產(chǎn)泥餅3.8 m3，每d作業(yè)16 h計，共計243.2 m3。以泥餅質(zhì)量占渣土總質(zhì)量的20%計，并考慮20%的裕度，則處理能力約為1 400 m3/d。整套系統(tǒng)中，每一個處理模塊均考慮了冗余設(shè)計，其中振動篩分模塊正常作業(yè)時僅需1臺振動篩即可滿足處理要求，另一臺振動篩具有備份和應(yīng)對不同類型渣土的作用。

圖12 盾構(gòu)渣土處理設(shè)備現(xiàn)場圖

該裝備投入運行后，未發(fā)生設(shè)備淤堵情況，且運行更為順暢，可靠性、容錯性更高。與深圳地鐵14號線坑梓站采用的升級前盾構(gòu)渣土處理裝備進行對比，處理能力和產(chǎn)品品質(zhì)取得了顯著提高，如表1所示。2020年11月某時段在非滿負荷運行條件下，每d所產(chǎn)生的粗骨料、細骨料和泥餅的方量如圖13所示。其中，每環(huán)平均可產(chǎn)生粗骨料40～60 m3、細骨料20～30 m3、泥餅10～20 m3，實現(xiàn)了最大規(guī)模的粗細骨料資源化利用和最小規(guī)模的外運處置，所產(chǎn)生的粗骨料、細骨料和泥餅如圖14所示。

圖13 六約北站盾構(gòu)渣土處理量與產(chǎn)品產(chǎn)量統(tǒng)計(非滿負荷運轉(zhuǎn))(2020年)

(a)粗骨料

表1 裝備升級前后對比

需要說明的是，本系統(tǒng)設(shè)計主要針對深圳地鐵14號線六約北站盾構(gòu)區(qū)間所產(chǎn)生的渣土。對于不同地層和不同強弱透水性的盾構(gòu)渣土，處理工藝有較大差異，應(yīng)進行采樣分析，對其含砂率、含泥量進行測定，基于含泥量范圍對設(shè)備進行選型，并制定與之相匹配的處理工藝。若渣土含泥量(粒徑0.075 mm以下的顆粒)超過所設(shè)限值(一般為70%～90%)，如淤泥質(zhì)地層所產(chǎn)渣土，考慮經(jīng)濟性和高效性，無需使用振動篩分及洗砂模塊，可基于機械壓濾的固液分離方法或基于化學(xué)固化方法進行脫水、干化。對于含泥量低于所設(shè)限值(如10%)的砂層或巖層，主要配置振動篩分和洗砂模塊，輔助配置絮凝壓濾模塊；而對于含泥量處于限值之間的砂層或巖層，則依據(jù)實際情況進行布置。

另外，盡管該裝備以盾構(gòu)渣土資源化為出發(fā)點進行升級研發(fā)，但可推廣至有類似泥漿、渣土處理需求的工程中，包括樁基或地下連續(xù)墻施工泥漿處理、市政管網(wǎng)淤泥處理、河湖疏浚淤泥資源化處理等工程。

4 思考及展望

盾構(gòu)渣土資源化處理工藝及裝備可從以下方面進一步優(yōu)化。

4.1 智能化

在當(dāng)前的盾構(gòu)渣土資源化裝備中，尚缺乏渣土產(chǎn)品的智能化產(chǎn)品品質(zhì)分析，包括粗細骨料的顆粒級配、含泥量等數(shù)據(jù)，以及將產(chǎn)品數(shù)據(jù)反饋至中央控制室進行設(shè)備運行狀況調(diào)整的功能。

在進一步的智能化優(yōu)化中，通過開發(fā)智能化骨料分析模塊，采用三維激光掃描儀及圖像識別算法得到粗細骨料產(chǎn)品的粒徑分布情況，并實時反饋至中央控制模塊。建立溢流液濁度和細砂含泥量之間的關(guān)系，通過分析洗砂模塊溢流的濁度探測數(shù)據(jù)，反演得到細砂含泥量，相關(guān)參數(shù)可反饋至中央控制模塊，及時調(diào)整運行參數(shù)。

4.2 模塊化、集成化

進一步優(yōu)化裝備系統(tǒng)的模塊化和集成化: 首先，將所有中轉(zhuǎn)儲液設(shè)備模塊化(如圖15所示)，使得場地內(nèi)無需挖土建池，減少基礎(chǔ)建設(shè)施工量，減小占地面積，加快安裝進度；其次，進一步集成各設(shè)備和模塊，使得各模塊的集裝箱化成為可能，如如圖16所示；最后，可將各個模塊拼裝，形成樓站式盾構(gòu)渣土環(huán)保處理系統(tǒng)，其設(shè)計模型如圖17所示，可滿足狹小空間內(nèi)的渣土高效資源化利用。目前已積累了一定的技術(shù)儲備，相關(guān)產(chǎn)品已完成設(shè)計，在合適的項目需求下即可啟動建造及應(yīng)用。

圖15 模塊化旋流攪拌供液池

圖16 模塊化絮凝箱體

圖17 集成化盾構(gòu)渣土高效資源化系統(tǒng)

4.3 高效資源化利用工藝

當(dāng)前，所得泥餅仍然通過外運進行處置，尚缺乏原位資源化利用的實踐。即使泥餅外運后進一步資源化利用，仍然需要對泥餅進行含水率調(diào)整、粉碎、拌和等操作，耗能、耗時。對于泥餅的高效資源化利用，通過開發(fā)絮凝-固化劑，使得在板框壓濾機中壓濾和固化一體化進行，并充分利用固化過程前期產(chǎn)物對壓濾的促進作用。同時，產(chǎn)生的泥餅強度能夠快速上升，可直接擠壓形成建材，大幅減少工藝環(huán)節(jié)，對高效資源化利用具有積極意義。

5 結(jié)論與建議

1)深圳地鐵14號線六約北站所采用的盾構(gòu)渣土資源化處理工藝和成套裝備具有智能化、集成化、模塊化的特點，設(shè)備的運行效率及對不同地層所產(chǎn)生渣土的適應(yīng)性均得到大幅提高。

2)實現(xiàn)了盾構(gòu)渣土資源化裝備的智能化中央控制、模塊化和集成化安裝，從而達到降低設(shè)備操作復(fù)雜度、減小占地面積、適應(yīng)不同施工場地的目的。另外，特殊設(shè)計的管道連接方式為裝備的多樣性集成連接提供了保障。

3)通過多冗余設(shè)計、智能傳感器應(yīng)用，包括振動篩參數(shù)控制、高壓噴淋控制、葉輪機變頻控制等，實現(xiàn)了篩分和洗砂過程的智能控制，有效避免了淤堵的發(fā)生。

對盾構(gòu)渣土資源化處理及裝備研究的建議如下：

1)盾構(gòu)渣土成套處理裝備的智能化、模塊化、集成化程度可進一步提高，形成模塊化、組合式盾構(gòu)渣土處理裝備，滿足各種場地及不同周邊環(huán)境的運行需求。

2)脫水壓濾后產(chǎn)生泥餅的原位建材化功能模塊尚需加入到整個系統(tǒng)中。尤其是在泥漿的絮凝階段，可采用絮凝-固化劑對泥漿進行處理，從而使壓濾后得到的泥餅形成結(jié)構(gòu)強度，可進一步擠壓形成建材，從而無需將泥餅外運，真正實現(xiàn)零排放和從渣土到建材的一站式處理。