粉質(zhì)粘土地層泥漿處理技術(shù)的應(yīng)用分析

甘虎GAN Hu；肖桂華XIAO Gui-hua；向代剛XIANG Dai-gang

（三川德青工程機(jī)械有限公司，宜昌 443000）

0 引言

目前，在我國的泥水盾構(gòu)施工中，其穿越的地層以砂質(zhì)的黏土地層為主[1-3]，而在杭州地鐵8 號線SG8-2 項(xiàng)目，80%隧道區(qū)間都是粉質(zhì)黏土地層，在國內(nèi)外都少有報(bào)道，文獻(xiàn)[4]側(cè)重于泥漿環(huán)流系統(tǒng)的改造；文獻(xiàn)[5]側(cè)重于盾構(gòu)機(jī)刀盤的刀具進(jìn)行重新選型和配置；文獻(xiàn)[6]側(cè)重于濃縮過程和壓濾過程的設(shè)計(jì)方案；過程中粉質(zhì)黏土地層發(fā)生“自造漿效應(yīng)”。黏土微粒崩解到泥漿中，漿液比重、粘度迅速上升，泥漿的可塑性較強(qiáng)，在環(huán)流系統(tǒng)輸送過程中容易成團(tuán)，隨之而來的刀盤結(jié)泥餅、堵倉、堵管、爆管、爆泵、泥水分離設(shè)備分離效率下降、廢漿量增加等問題使得盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率急劇下降，嚴(yán)重影響盾構(gòu)施工的正常推進(jìn)。采用傳統(tǒng)的泥水處理技術(shù)，泥水分離設(shè)備效率低下，易跑漿，造成渣土外運(yùn)困難，廢漿量大，環(huán)流系統(tǒng)處于高濃度運(yùn)行，對盾構(gòu)施工帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 杭州地鐵8 號線過江隧道泥水處理的重難點(diǎn)分析

1.1 工程背景

杭州地鐵8 號線一期工程位于浙江省杭州市東部，為連接地鐵1 號線與大江東區(qū)域的重要地鐵線路。文橋區(qū)間風(fēng)井～橋頭堡站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，起終點(diǎn)里程為右DK2＋203.771～右DK5＋669.920，長3466.149m。本區(qū)間盾構(gòu)外徑為11.3m，內(nèi)徑為10.3m，管片厚度為0.5m，環(huán)寬2m，采用通用環(huán)，錯(cuò)縫拼裝。

穿越段隧道橫斷面代表地層占比如圖1 所示。

圖1 隧道橫斷面代表地層占比餅狀圖

該隧道掘進(jìn)斷面顯示80%以上地質(zhì)為粉質(zhì)粘土地層，粉質(zhì)粘土一般分布在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層下，主要由粉質(zhì)黏土和黏土組成，局部夾砂質(zhì)粉土，呈灰色、灰褐色，軟塑為主，局部流塑，含大量植物碎屑。

在杭州地鐵8 號線SG8-2 錢塘江隧道每環(huán)2m 的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中，其推進(jìn)速度平均20mm/min，進(jìn)漿流量約2200m3/h，出漿流量約2500m3/h，干渣量約387.71m3/h。因此，該泥漿處理系統(tǒng)的泥漿處理能力必須滿足2000-2500m3/h 的條件，其干渣量的篩分能力必須滿足630t/h。根據(jù)不同的地層要求，蘇氏漏氏黏度（泥漿指標(biāo)）控制在20～25s 左右，密度（泥漿指標(biāo)）控制在1.05～1.25g/cm3左右，含砂率（泥漿指標(biāo)）在3%以下[4]。

1.2 泥水處理重難點(diǎn)分析

①杭州地鐵8 號線SG8-2 隧道地處錢塘江風(fēng)景名勝區(qū)，周邊環(huán)境控制要求高，隧道所穿越的地層主要是黏土地層。該地層黏粒含量達(dá)到90%以上，自造漿能力極強(qiáng)，施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，粗略計(jì)算盾構(gòu)段施工過程中產(chǎn)生的廢漿量達(dá)到54 萬m3，SG8-2 標(biāo)段屬于杭州亞運(yùn)會(huì)的控制性工程，廢漿池的庫容無法滿足如此大量的泥漿存儲，如果泥漿處理不好，不僅會(huì)污染周邊環(huán)境，而且會(huì)直接影響工程進(jìn)度、威脅工程安全等一系列問題。

②細(xì)微顆粒占比較大，泥水設(shè)備分離效率降低，泥漿指標(biāo)惡化速度加快，調(diào)漿能力為1573m3，調(diào)漿能力不足，廢漿存儲能力為2230m3，廢漿存儲壓力大，如圖2 所示。

圖2 制調(diào)漿漿池布置圖

③泥水分離設(shè)備預(yù)篩跑漿嚴(yán)重，導(dǎo)致渣土外運(yùn)困難。前期因?yàn)轭A(yù)篩跑漿導(dǎo)致渣土不能滿足外運(yùn)條件，施工單位調(diào)整了盾構(gòu)機(jī)參數(shù)，降低將盾構(gòu)機(jī)排泥量調(diào)整為1700～1900m3/h 之間，掘進(jìn)速度在30～35mm/min 之間，導(dǎo)致整個(gè)環(huán)流系統(tǒng)攜渣能力差，泥漿濃度過高，環(huán)流系統(tǒng)中的泥漿可塑性較強(qiáng)，成團(tuán)率高，最大泥團(tuán)長400mm，如圖3 所示，導(dǎo)致堵管、堵倉現(xiàn)象嚴(yán)重，造成“噴涌”現(xiàn)象，進(jìn)入預(yù)篩中的瞬時(shí)流量成倍增加，導(dǎo)致預(yù)篩跑漿。粉質(zhì)黏土地層泥漿粘度較高，容易糊住篩面，使預(yù)篩徹底喪失分級功能，渣場設(shè)計(jì)存放量有一定限度（約30 環(huán)），在鏟車及挖掘機(jī)倒運(yùn)的基礎(chǔ)上，仍處于越積越多的狀況，當(dāng)渣土累計(jì)到一定程度后，分離設(shè)備下方已無足夠空間為連續(xù)掘進(jìn)提供條件，嚴(yán)重耽誤盾構(gòu)施工掘進(jìn)效率。

圖3 大泥團(tuán)示意圖

④沉淀池淤積嚴(yán)重，循環(huán)泥漿池容積減少，泥漿的比重和粘度會(huì)隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)而不斷上升，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)扭矩過大而降低盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)效率，這個(gè)時(shí)候必須通過棄漿的方式來調(diào)整漿液指標(biāo)進(jìn)而滿足盾構(gòu)機(jī)順利高效的掘進(jìn)條件。待壓泥漿池淤積嚴(yán)重，待壓泥漿比重過高（超過1.5g/cm3），導(dǎo)致壓濾機(jī)處理能力不足（見表1）。

表1 每環(huán)泥漿參數(shù)記錄表

2 泥漿處理系統(tǒng)及環(huán)流系統(tǒng)改造

2.1 結(jié)合地質(zhì)條件控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)

當(dāng)?shù)刭|(zhì)處于較軟黏土層時(shí)（N=6.4～13.3 擊/30cm），刀盤削切下的泥塊較小，具有較大的比表面積，由于土質(zhì)較軟且可塑性較強(qiáng)，易于堵塞排泥管路，因?yàn)榄h(huán)流系統(tǒng)的泥漿粘度較高，容易糊篩，所以控制泥團(tuán)大小將對正常掘進(jìn)產(chǎn)生有利影響。本工程中下調(diào)25%刀盤轉(zhuǎn)速及攪拌器速度后，帶漿現(xiàn)象有明顯好轉(zhuǎn)。進(jìn)入全斷面粉質(zhì)黏土地層后，出渣情況對比記錄見表2。

表2 刀盤轉(zhuǎn)速、攪拌參數(shù)變化對出渣情況的影響

2.2 增加刮泥裝置（如圖4）

圖4 刮泥機(jī)圖片

該裝置的工作原理是將敞開的槽體作為盾構(gòu)機(jī)排漿的接受載體，載體縫隙為50mm，能將50mm 以上的大塊泥團(tuán)或石塊與泥漿分離，刮泥機(jī)兩側(cè)設(shè)有用于傳動(dòng)的鏈條，刮板機(jī)下方設(shè)有可轉(zhuǎn)動(dòng)的托輪機(jī)構(gòu)，為解決傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)裝置[6]因鏈節(jié)與鏈節(jié)相互磨損導(dǎo)致緊繃的鏈條拉長，影響刮泥機(jī)正常運(yùn)行。刮泥機(jī)即能降低出渣的含水率，還能起到消能的作用，能使泥漿順暢回流至預(yù)篩分模塊單元，減少“噴涌”現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低泥漿在篩面上的流速，保證泥漿與篩面的接觸時(shí)間是發(fā)揮預(yù)篩分級功能的必要條件。

2.3 預(yù)篩篩面加裝沖洗裝置

為應(yīng)對粉質(zhì)黏土地層泥漿糊篩面后導(dǎo)致跑漿問題。在篩面上布置了4 根DN50 的鍍鋅鋼管，在每根鋼管上分布有12 個(gè)交叉布置的2.8mm 的噴頭，該裝置的添加，保證了預(yù)篩篩面基本上沒有糊篩現(xiàn)象產(chǎn)生，跑漿現(xiàn)象得到大大的改善。

圖5 預(yù)篩沖洗裝置示意圖

2.4 優(yōu)化泥水分離設(shè)備篩分效率

將預(yù)篩上層篩縫由原來的6mm 調(diào)整為15mm，下層篩縫由原來的3mm 調(diào)整為5mm，在該種地層形成梯次分級，進(jìn)一步提高固體物的分級效率，釋放一部分5mm 以下的固體物給到一級旋流器，可以進(jìn)一步提高一級旋流器額分離效率，通過改造后，整個(gè)分離設(shè)備的分離效率由原來的50%提升到80%。

2.5 定期清理沉淀池和廢漿池，提高廢漿處理能力和效率，保障盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)

沉淀池作為泥水分離設(shè)備的補(bǔ)充單元，定期清理沉淀池和廢漿池也是為了降低泥漿指標(biāo)惡化的速度，增大泥漿的存儲容積。

2.6 改用清水進(jìn)行調(diào)漿

壓濾機(jī)濾液水因添加助濾劑的原因產(chǎn)生的是強(qiáng)堿性水，壓濾機(jī)濾液水呈強(qiáng)堿性，在強(qiáng)堿性環(huán)境中，泥漿中的OH-離子增多，從而引起粘土顆粒陽離子交換吸附的容量增大，使粘土顆粒之間容易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，引起泥漿粘度和切力的提高。

2.7 優(yōu)化壓濾機(jī)漿液改良工藝，提高廢漿處理效率

將廢漿與助濾劑的混合改良過程與待壓過程分開，保證助濾劑與泥漿的充分反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步的提高壓濾機(jī)的廢漿處理效率，將壓濾機(jī)的進(jìn)料時(shí)間由原來的3600s調(diào)整為2600s，隔膜壓榨時(shí)間由原來的1200s 調(diào)整為600s（見表3）。

表3 600 平壓濾機(jī)理論和實(shí)際耗漿量對比表

按比重1.4g/cm3，20～21m3/h，6 臺600 平壓濾機(jī)一天可處理泥漿2400～2520m3。該項(xiàng)目一環(huán)的廢漿量為300m3左右，通過優(yōu)化壓濾機(jī)漿液改良工藝，可滿足每天8 環(huán)的掘進(jìn)效率。針對全斷面粉質(zhì)黏土地層這一行業(yè)內(nèi)的難題必須通過綜合性的解決方案，而不是某一個(gè)點(diǎn)上解決問題，從盾構(gòu)機(jī)的環(huán)流系統(tǒng)到泥漿處理系統(tǒng)的前處理、預(yù)篩分、調(diào)漿和廢漿處理等各個(gè)子系統(tǒng)要密切配合，才能高效的應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)在粉質(zhì)黏土地層掘進(jìn)時(shí)的各種問題。

3 結(jié)論

要解決全斷面粉質(zhì)黏土地層這一行業(yè)內(nèi)的難題必須通過綜合性的解決方案，而不是某一個(gè)點(diǎn)上解決問題。實(shí)踐證明，通過調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速及攪拌器速度、增加刮泥裝置，優(yōu)化泥水分離設(shè)備篩分效率、定期清理沉淀池、將壓濾濾液水調(diào)漿改成清水調(diào)漿、優(yōu)化壓濾機(jī)漿液改良工藝等一系列解決方案，有效控制泥水盾構(gòu)長距離粉質(zhì)黏土地層掘進(jìn)的泥漿指標(biāo)，整個(gè)環(huán)流系統(tǒng)的惡性循環(huán)運(yùn)行狀態(tài)得到極大的改善，設(shè)備故障率明顯降低，盾構(gòu)施工效率顯著提高。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度由最初的3 環(huán)/天提高到平均7～8 環(huán)/天，最快9 環(huán)/天。該綜合性解決方案解決了泥水盾構(gòu)機(jī)長距離粉質(zhì)黏土地層掘進(jìn)泥漿處理的技術(shù)難題，大大的提高了盾構(gòu)施工效率，為行業(yè)后續(xù)同類地質(zhì)施工提供很好的借鑒。采用適用性更強(qiáng)的泥漿綜合處理技術(shù)和建立科學(xué)完善的泥漿管理制度是未來盾構(gòu)工程高效順利施工的發(fā)展趨勢。