淺談泥水盾構(gòu)中泥漿分離系統(tǒng)

張 華

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

1 工程概況

新加坡T217項(xiàng)目是湯姆森線Land Transport Authority地鐵項(xiàng)目一子區(qū)間。此項(xiàng)目的隧道呈堆疊狀式排列，命名為南向隧道、北向隧道。預(yù)計(jì)會(huì)遇到的地質(zhì)條件是全風(fēng)化土壤(GVI)到略微風(fēng)化的巖石(GII)。對(duì)于北向隧道，TBM將首先遇到高度完全風(fēng)化的Bukit Timah組(GIV～GV)，然后它繼續(xù)在巖石界面之間穿過(guò)一定的長(zhǎng)度，將遇到全斷面的中度風(fēng)化巖石到輕微風(fēng)化的巖石(GIII～GII)，但是在掘進(jìn)結(jié)束附近，TBM將在巖石上方通過(guò)；對(duì)于南向隧道，大部分穿越地層條件都是高度完全風(fēng)化的Bukit Timah組(GIV～GV)。TBM從CH 31+600到CH31+700將遇到混合面地層，選擇混合式的泥水盾構(gòu)機(jī)[1]。

泥水盾構(gòu)是在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的后部設(shè)置隔墻板，其與盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)間形成泥水壓力倉(cāng)。當(dāng)?shù)孛娴哪酀{通過(guò)泥漿泵送入泥水壓力倉(cāng)并保持在一定液位后，采用加壓或保壓來(lái)保證掌子面的穩(wěn)定。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)由旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)將掌子面渣土切削下來(lái)后經(jīng)過(guò)破碎機(jī)和攪拌裝置攪拌形成高濃度泥漿，再通過(guò)泥漿輸送泵將高濃度泥漿運(yùn)送至地面，這是泥水加壓平衡盾構(gòu)法的特征[2]。

2 泥水分離系統(tǒng)

2.1 泥水盾構(gòu)的組成及流程

2.1.1 泥水盾構(gòu)的組成

泥水盾構(gòu)由盾構(gòu)機(jī)、泥水輸送系統(tǒng)、泥水分離系統(tǒng)、掘進(jìn)管理系統(tǒng)組成。

2.1.2 泥水系統(tǒng)的流程

盾構(gòu)排漿→振動(dòng)篩→溢流箱→旋流器→調(diào)整箱→盾構(gòu)送漿。

2.2 泥水分離系統(tǒng)

盾構(gòu)泥水分離系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)由泥水運(yùn)輸分系統(tǒng)、泥水分離分系統(tǒng)、漿液攪拌分系統(tǒng)以及泥水監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)四大部分組成，不可缺少其中任一系統(tǒng)[3]。

圖1 泥水分離系統(tǒng)示意

泥水分離廠主要由振動(dòng)篩、旋流泵、旋流器、離心機(jī)和皮帶等設(shè)施構(gòu)成。

2.2.1 泥水分離系統(tǒng)要求及原理

2.2.1.1 泥水分離系統(tǒng)要求

根據(jù)地質(zhì)情況、工期要求及盾構(gòu)機(jī)性能等條件，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)對(duì)泥水分離系統(tǒng)的主要要求如下：

(1)對(duì)泥漿分離廠的要求。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)直徑：φ6670mm，一環(huán)長(zhǎng)度1400mm。掘進(jìn)速度：20mm/min～50mm/min，最大送漿量為14.2m3/min，最大排漿量為15m3/min。單環(huán)最大排漿量：15×(1400/20)=1050m3，R-035最大處理流量20m3/min。滿(mǎn)足要求。

(2)對(duì)泥漿性能的要求。保護(hù)泥漿泵功能，降低管路的磨損率和堵塞現(xiàn)象，其基本特性為：①泥漿比重控制在1.1g/cm3～1.3g/cm3(如泥漿比重過(guò)大則增大阻力，降低泥漿泵的輸送能力從而降低掘進(jìn)速度；反之，攜帶渣土能力弱造成管路堵塞，泥膜構(gòu)成遲緩易造成掌子面的穩(wěn)固性下降從而增加地面沉降速率等風(fēng)險(xiǎn))；②粘性控制在35s～45s，利用粘性低的泥漿，泥膜構(gòu)成遲緩容易導(dǎo)致掌子面的穩(wěn)固性下降，攜帶刀盤(pán)切削下來(lái)的巖層性能減弱，易造成土倉(cāng)出渣口堵塞，加快泥漿泵和管路的磨損速率；③含砂率要求5%以下，含砂率過(guò)高，比重大、粘性低，增加泥漿泵和管路的磨損速率。

2.2.1.2 泥水分離系統(tǒng)原理

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)由旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)將掌子面的巖層切削下來(lái)后，經(jīng)過(guò)破碎和攪拌裝置形成高濃度泥漿，通過(guò)泥漿泵將其排送至地面海瑞克R-035泥水分離設(shè)備廠，先進(jìn)行粗篩網(wǎng)篩分，將渣土直徑在3.1mm以上的分離出來(lái)，利用皮帶將粗渣輸送至渣坑，泥漿流入下溢箱內(nèi)；再利用旋流泵泵送至一二級(jí)旋流器(一級(jí)旋流器可除去泥漿內(nèi)0.18mm以上的顆粒，二次旋流器可除去0.035mm以上的顆粒)；從旋流器的沉砂嘴排出的顆粒落入細(xì)篩網(wǎng)進(jìn)行再次篩分，篩分后的渣經(jīng)皮帶輸送至渣坑；而通過(guò)二次旋流器處理后的泥漿經(jīng)溢流管流入中轉(zhuǎn)箱內(nèi)，調(diào)整漿液后再通過(guò)輸送泵，送入盾構(gòu)機(jī)土壓室內(nèi)。

2.2.2 輸送系統(tǒng)

從地面調(diào)整槽中將泥水調(diào)整至當(dāng)前掘進(jìn)巖層所需泥漿后，由地面的泥水輸送泵P1.1通過(guò)DN300管路送至掌子面泥水區(qū)中，經(jīng)過(guò)土倉(cāng)內(nèi)壓力作用構(gòu)成泥膜穩(wěn)固掌子面，同時(shí)將刀盤(pán)切削下來(lái)的渣土，經(jīng)過(guò)破碎和攪拌裝置制成高濃度泥漿，然后再由排泥泵P2.1通過(guò)DN300管路運(yùn)送至地面泥水分離廠，經(jīng)過(guò)旋流器處理后的泥漿流入中轉(zhuǎn)箱中，實(shí)時(shí)檢查調(diào)整泥漿使其滿(mǎn)足當(dāng)前掘進(jìn)地質(zhì)所需性能后再通過(guò)P1.1輸送泵泵入泥水倉(cāng)中[4]。

2.2.3 振動(dòng)篩系統(tǒng)

泥漿內(nèi)不同直徑的巖土顆粒粗糙分離，通常選用振動(dòng)篩裝置，因?yàn)檎駝?dòng)篩的篩網(wǎng)可由多種規(guī)格篩網(wǎng)組成，而每層篩網(wǎng)規(guī)格可選用逐級(jí)減小的形式構(gòu)成。

振動(dòng)篩對(duì)盾構(gòu)機(jī)排至泥水分離廠的高濃度泥漿作初步分離，除去不同粒徑的顆粒。各種粒徑的渣土可以通過(guò)振動(dòng)篩不同孔徑的篩網(wǎng)進(jìn)行分離，渣土直徑大于篩網(wǎng)孔徑的被排除到漿液之外，由皮帶輸送至渣坑，而篩分后的漿液自流至溢流箱內(nèi)。

振動(dòng)篩由篩框、篩網(wǎng)、振動(dòng)電機(jī)、減振彈簧、支架等基本結(jié)構(gòu)件組合而成。

2.2.4 旋流分離器

旋流分離器是由一種類(lèi)似錐體的結(jié)構(gòu)件組成，它的進(jìn)料口位于殼體頂部側(cè)面，在圓錐體的頂端設(shè)置一上溢流出口，底部設(shè)置一沉砂出口，漿液通過(guò)旋流泵從旋流器進(jìn)料口進(jìn)入做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生離心力，分別流向旋流器的頂部和底部。尺寸大、重量重的顆粒受重力影響沿著筒壁向下運(yùn)動(dòng)，最終通過(guò)沉砂口排出；尺寸小、重量輕的顆粒受到較小的重力和慣性力作用，沿旋流器向上運(yùn)動(dòng)，最終由上溢流口排出。旋流分離器廣泛應(yīng)用于泥水分離廠，根據(jù)旋流器不同的直徑和頸長(zhǎng)比，它能夠從泥漿中分離出大量砂和淤泥[5]。

旋流器的作用是將振動(dòng)篩篩分后的漿液再次進(jìn)行處理，本項(xiàng)目選用兩種規(guī)格的旋流器組成此系統(tǒng)：第一種規(guī)格的旋流器組裝成一級(jí)旋流處理方法稱(chēng)之為除砂處理，一級(jí)旋流器是將粒徑在0.18mm以上的渣土脫離泥漿；第二種規(guī)格的旋流器組裝成二級(jí)旋流處理稱(chēng)之為清潔處理，二級(jí)旋流器是將粒徑在0.035mm以上的渣土脫離泥漿。

優(yōu)點(diǎn)是：①構(gòu)造簡(jiǎn)單；②體積小，總用地規(guī)模??；③生產(chǎn)能力大；④分離的粒徑適用范圍較大。但分離泥漿的效率較低，因此，一般采用幾級(jí)串聯(lián)或與離心機(jī)等分離裝置配套使用，進(jìn)一步提高泥漿分離效率。

2.2.5 離心機(jī)

離心機(jī)是使用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓使廢棄泥漿發(fā)生離心力使固體顆粒截留在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，固體顆粒在旋轉(zhuǎn)鼓的作用下從排渣孔排出，再經(jīng)過(guò)皮帶輸送至渣坑；同時(shí)泥漿中的液體通過(guò)濾芯被轉(zhuǎn)鼓甩出，從而達(dá)到液固拆分的目的。

通過(guò)二級(jí)旋流器處理后的廢棄泥漿所含顆粒直徑非常小，通過(guò)加入一定濃度的絮凝劑液體，使絮凝劑與細(xì)小顆粒合成較大的顆粒，利用離心機(jī)將廢棄泥漿進(jìn)行液固分離。廢棄泥漿經(jīng)離心機(jī)分離的固體顆?？芍苯油膺\(yùn)，離心機(jī)分離后的水純度比較高，可以直接排放至市政雨水管網(wǎng)或用作施工現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)用水[6]。

2.2.6 制漿系統(tǒng)

制漿系統(tǒng)由儲(chǔ)存罐、泵、漏斗、制漿裝置、水源和控制系統(tǒng)等組成。

制漿裝置由文丘里噴嘴、加強(qiáng)筋、下料口、螺旋輸送機(jī)、泥漿泵等構(gòu)成。該系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)漿罐內(nèi)的漿液不斷攪拌，同時(shí)在泥漿泵輸送泥漿過(guò)程中，文丘里噴嘴造成負(fù)壓將進(jìn)料管內(nèi)膨潤(rùn)土吸入漿液中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)攪拌的功能。

盾構(gòu)排出的泥漿攜帶著盾構(gòu)機(jī)切削下來(lái)的渣土成分，經(jīng)泥水分離廠處理后，如中轉(zhuǎn)箱內(nèi)的泥漿經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)泥漿性能未達(dá)所需指標(biāo)或輸送量不夠，通過(guò)調(diào)漿系統(tǒng)調(diào)配或補(bǔ)充新鮮漿液以滿(mǎn)足輸送泥漿的性能指標(biāo)或所需用量，保證盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。

2.2.7 泥漿的操作及質(zhì)量控制

在掌子面的巖層，因?yàn)槟酀{經(jīng)過(guò)加壓后不停浸透，泥水中的細(xì)小顆粒填入巖層孔隙中構(gòu)成泥膜減小土倉(cāng)內(nèi)壓力損失，以使土倉(cāng)內(nèi)壓力更有效地作用于掌子面從而保證掌子面的穩(wěn)固。在泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中控制土倉(cāng)內(nèi)壓力和保證泥水質(zhì)量是非常重要的。

對(duì)于不同的地質(zhì)條件，必須使用不同配比的漿料。例如，在全斷面巖石開(kāi)采中，與全斷面土壤相比，材料運(yùn)輸將更加重要；另一方面，混合斷面開(kāi)采，材料運(yùn)輸和面部穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此，在不同地質(zhì)條件下掘進(jìn)時(shí)，對(duì)不同的泥漿性能指標(biāo)(表1)進(jìn)行分類(lèi)和維護(hù)非常重要。

表1 泥漿性能指標(biāo)分類(lèi)

泥膜的形成速度和質(zhì)量將影響掌子面的穩(wěn)定情況。為此，泥水應(yīng)具有以下特性：

(1)泥水比重：泥水比重是泥漿的重要指標(biāo)。掘進(jìn)過(guò)程中的輸送泥漿比重過(guò)高，將影響泥漿泵的輸送能力從而降低盾構(gòu)掘進(jìn)速度；過(guò)低則導(dǎo)致泥膜形成緩慢不利于掌子面的穩(wěn)定。因此，使用安裝在泥漿管路的差壓式密度計(jì)和γ射線裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥漿比重。

(2)含砂量：泥漿內(nèi)的砂粒具有填堵巖層空隙的功能。在滲水地質(zhì)中，構(gòu)成泥膜的速率與泥水中砂粒的含量和粒徑有直接的關(guān)系，為了保證泥膜形成質(zhì)量，控制泥漿內(nèi)所含顆粒的粒徑及含量。

(3)泥水的粘性：泥漿的粘度低達(dá)不到攜帶渣土能力和穩(wěn)固掌子面的要求；而粘度過(guò)高容易導(dǎo)致刀盤(pán)結(jié)泥餅，并影響泥漿泵的輸送能力易造成堵塞情況。在施工中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)前和即將面臨的地質(zhì)狀況、泥水分離系統(tǒng)內(nèi)出渣狀況、進(jìn)出口泥漿比重的差值等各種因素綜合考慮。

(4)屈服值：屈服值是指漿液處于流動(dòng)狀態(tài)下的剪切力值，而流動(dòng)阻抗則是因?yàn)槟嗨信c所含土粒之間的牽引力所形成，是保證泥水良好形態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

(5)析水量和pH值：析水量和pH值是泥水性能的綜合指標(biāo)，在較大程度上和泥水的粘性有關(guān)，所以懸浮性好的泥漿意味著析水量小，反之也就越大[7]。

(6)外加劑的作用：在砂巖地質(zhì)中掘進(jìn)時(shí)，隨著泥漿被污染的頻率加快，需增加檢測(cè)頻率并調(diào)整泥漿各性能參數(shù)以保證泥漿的質(zhì)量，如加入膨潤(rùn)土、CMC等外加劑；在泥巖地質(zhì)中掘進(jìn)時(shí)，隨著泥漿中顆粒物不斷增多，使排放的泥漿濃度越來(lái)越高，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)分析出細(xì)小顆粒與通過(guò)混合后的CMC或絮凝劑等化學(xué)藥劑液體進(jìn)行稀釋則成為主要手段。

當(dāng)盾構(gòu)在巖石地層掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)過(guò)一級(jí)旋流分離器處理后泥漿就滿(mǎn)足使用需求。這時(shí)可轉(zhuǎn)換溢流出漿口閥門(mén)，將凈化后的泥漿直接流入中轉(zhuǎn)箱，根據(jù)當(dāng)前地質(zhì)所需泥漿性能指標(biāo)實(shí)時(shí)檢查和調(diào)配后泵送至盾構(gòu)機(jī)上。

當(dāng)盾構(gòu)在中風(fēng)化泥巖或砂巖地層中掘進(jìn)時(shí)，經(jīng)過(guò)一級(jí)旋流分離器不能將泥漿濃度和含砂率降低至使用指標(biāo)內(nèi)時(shí)，轉(zhuǎn)換溢流出漿口閥門(mén)，使泥漿進(jìn)入二級(jí)旋流分離器處理后再流入中轉(zhuǎn)箱，根據(jù)當(dāng)前地質(zhì)所需泥漿性能指標(biāo)調(diào)配后泵送至盾構(gòu)機(jī)上。

當(dāng)盾構(gòu)在全風(fēng)化泥巖或淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土巖層掘進(jìn)時(shí)，二級(jí)旋流分離器不能將泥漿密度降低至使用指標(biāo)內(nèi)時(shí)，可將攪拌后的一定濃度CMC或聚丙烯酰胺液體泵入中轉(zhuǎn)箱，進(jìn)行調(diào)配處理后泵送至盾構(gòu)機(jī)上。

2.2.8 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

泥水系統(tǒng)的運(yùn)行和操縱由PLC程序?qū)崿F(xiàn)。施工中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)收集相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)為監(jiān)控室提供可靠的信息，同時(shí)通過(guò)管理系統(tǒng)界面及時(shí)了解當(dāng)前泥漿指標(biāo)并做出相應(yīng)的調(diào)配。在監(jiān)控管理系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)對(duì)泥水的分離和處理、新漿的儲(chǔ)存量和調(diào)配、密度測(cè)定等信息的監(jiān)控和操作。

3 結(jié)語(yǔ)

該泥漿分離廠分離后的泥漿重復(fù)使用率高且含砂率低，并延長(zhǎng)了輸送泵及管路等構(gòu)件的使用壽命；廢棄泥漿分離后的渣土含水率低便于運(yùn)輸，避免渣土排放問(wèn)題造成環(huán)境污染。

泥漿分離系統(tǒng)是泥漿循環(huán)系統(tǒng)非常關(guān)鍵的分系統(tǒng)，對(duì)泥漿成膜、開(kāi)挖面穩(wěn)定和攜帶渣土具有重要影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)工況，做好分離系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，保證泥漿的分離和性能。