小型盾構泥水處理系統(tǒng)應用分析

李勇，繆兵權，鄒宇林，李敏，陳莎，祁海燕

（中鐵環(huán)境科技工程有限公司，湖南 長沙 410200）

泥水平衡式盾構技術已廣泛應用到我國隧道工程中，由于泥水平衡式盾構機在掘進時會將掘進中的渣土和泥水一起排出，導致回用泥漿產生變化而不達標，目前國內為使排出的回用泥漿快速達標，在泥水平衡式盾構掘進工程中增加一套盾構泥水處理系統(tǒng)，盾構泥水處理系統(tǒng)集成了分離、制漿、調漿、脫水、加藥等機械設備，這些設備組成后因占地面積大，從而制約了盾構泥水處理系統(tǒng)的推廣。如何將這些設備高效集成起來，充分利用設備的結構特點及設備功能特點，實現(xiàn)盾構泥水處理系統(tǒng)小型化，為國內盾構泥水處理系統(tǒng)進一步優(yōu)化提供借鑒。

1 小型盾構泥水處理系統(tǒng)工藝流程

制漿系統(tǒng)將膨潤土和清水按照一定比例制成盾構機環(huán)流所需要的合格新漿，新漿通過泵輸送至調漿系統(tǒng)，調漿系統(tǒng)再將新漿輸送到盾構機的環(huán)流系統(tǒng)，環(huán)流系統(tǒng)將掘進中的渣土和泥漿輸送至泥水分離系統(tǒng)，分離出部分渣土和泥漿，渣土通過環(huán)保工程車輛外運至處理地，泥漿自流到調漿系統(tǒng)，調漿系統(tǒng)主要是用來調制合格泥漿，當泥漿超標時，調漿系統(tǒng)將部分超標泥漿輸送至泥漿脫水系統(tǒng)，脫水后的泥漿被分為清水和渣土，渣土外運，清水用來制漿和回用。

在掘進中會存在一定量的泥漿損失，當調漿系統(tǒng)的泥漿不能滿足供給需求時，制漿系統(tǒng)會將提前制好的新漿補給調漿系統(tǒng)來滿足系統(tǒng)的運行（圖1）。

圖1 小型盾構泥水處理系統(tǒng)工藝流程圖

2 小型盾構泥水處理系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計計算依據(jù)

工程采用盾構機直徑為De=2.84m，隧道截面積為Se=6.33m2，最大掘進速度為Vmax=1m/h，最大原狀土產量為Qmax=6.33m3/h，原狀土比重為ρe=1.8g/cm3，原狀土含水量為35%，盾構機排漿比重為ρs=1.318g/cm3，盾構機送漿比重為ρb=1.2g/cm3，盾構機最大送漿流量為Qsmax=200m3/h，盾構機最大排漿流量為Qpmax=220m3/h，平均每天掘進距離Le=20m。

2.2 總平面布置圖（圖2）

圖2 小型泥水處理系統(tǒng)總平面布置圖

該套系統(tǒng)布置在總工程施工場區(qū)內，為充分利用場區(qū)空間，提高渣土外運效率。盾構機排漿通過P1泥漿泵送至泥水分離系統(tǒng)，泥漿通過預篩、一級旋流器、二級旋流器、底篩等設備后脫水堆放外運，處理后的輕液泥漿進入泥漿濃縮罐，濃縮罐泥漿通過一次沉淀后泥漿溢流至調漿罐，制漿單元向調漿罐內注入新漿調整合格后的泥漿輸送至盾構機環(huán)流系統(tǒng)。

制漿單元功能包含射流混漿和新漿補給，通過膨潤土制漿單元向新漿罐輸送制備劑，在新漿罐內通過攪拌器調漿，輸送至調漿罐。制漿單元分為兩個儲漿罐和制漿罐，可滿足工程掘進復雜地段的緊急補給能力。

濃縮罐和調漿罐底部泥沙用渣漿泵送至離心機進行脫水。脫水后的污泥外運；脫水排出的液相回用，固相收集外運。

2.3 小型泥水處理系統(tǒng)參數(shù)

小型盾構泥水處理系統(tǒng)采用罐體式設計，可提高設備重復使用效益，避免現(xiàn)場一次性基建回填造成的一次性投資損失，集成化設計可實現(xiàn)疊層擴容，并不需要重新規(guī)劃場地，也可根據(jù)不同處理量進行各工藝流程系統(tǒng)擴容調整，系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 小型泥水處理系統(tǒng)主要參數(shù)

控制系統(tǒng)采用集中手動控制模式，可使操作員根據(jù)操作流程執(zhí)行工藝調整，避免較遠距離的穿梭造成工藝誤差。

3 系統(tǒng)關鍵參數(shù)的計算

小型盾構泥水處理系統(tǒng)整個設計計算涉及到結構設計計算、管道設計計算、設備選型計算等多個方面，其中上述設計里面關鍵技術設計選型有旋流器選型、振動篩出渣能力計算、離心機的選型計算、堆場面積的計算。

3.1 旋流器的選型

旋流器采用離心沉降原理，是一種分離分級設備。由于泥漿中的顆粒存在的不同粒度差，顆粒在離心力、向心力以及流體曳力的作用下，使顆粒達到分離分級的目的。選擇與系統(tǒng)匹配的旋流器可以提高篩分效率，減少篩分設備的投入。根據(jù)盾構區(qū)間的地質結構綜合分析，篩分后切割點分為兩級，系統(tǒng)設備的投入和能效趨于最佳，一級切割點為74μm，二級切割點為20μm，結合旋流器選型表2所示。

由表2可知，一級篩分選擇DN500規(guī)格的旋流器，二級篩分選擇DN100規(guī)格的旋流器，按照盾構機最大排漿處理量220m3/h可得，一級旋流器1個，二級旋流器12個可滿足處理量要求。

表2 旋流器性能參數(shù)

3.2 振動篩出渣能力計算

振動篩是采用振蕩激勵產生的往復振動將顆粒大小不同物料篩分脫水，多次通過均勻布孔的單層或多層篩面，再經過大小不同的篩孔將粗、細粒分離。考慮到篩板規(guī)格，同時又要確保振動篩的出渣能力可與盾構機掘進速度相配套，物料運行速度υ是關鍵。

直線篩物料運行速度υ的理論計算公式：

式中υ為物料運行速度，單位mm/s；kV為綜合經驗系數(shù)，一般取0.75～0.95；λ為單振幅，選取2.2mm；ω為振動頻率，選取120.58rad/s；δ為振動方向角，選取50°；α為篩面傾角，選取20°；計算可得υ≈0.183m/s（50Hz）。

直線振動篩處理量Q的理論計算公式：

式中，Q為振動篩處理量，m3/h；b為篩機有效寬度，選取0.8m；h為物料平均厚度，取0.02m；υ為物料運行速度，取0.183m/s；可得Q=10.54m3/h(50Hz)，Q＞Qmax，滿足處理要求。

3.3 離心機選型計算

離心機是利用離心力將固體顆粒從懸浮液中分離出來。由于20μm顆粒超出了泥水分離系統(tǒng)處理單元的分離范圍，工作泥漿濃度、比重升高產生超標泥漿，會導致調漿系統(tǒng)泥漿指標惡化。參考本區(qū)間工程報告，當掘進至粉質黏土層時，排漿含水率在94%。

粉質黏土層原狀土量Qc的理論計算公式：

式中，Qc為粉質黏土層原狀土處理量，m3/h；可得Qc≈94m3/h。其中會有50%排漿量進入離心系統(tǒng)進行脫水分離，因此離心機處理量為47m3/h。

3.4 堆場面積計算

堆場主要是用于將盾構機掘進出來渣土集中收納外運，而工程渣土外運又受當?shù)卣哂绊?，根?jù)當?shù)卣咭螅归g23:00到次日6:00允許城市工程渣土運輸，因此渣土的堆放存儲量應滿足一天盾構渣土量，堆放面積M的計算公式：

式中，M為堆放面積，m2；h為渣土堆放高度，一般取1～1.5m，這里取1m，計算可得M=126.6m2。經過對設備的合理的布局，充分利用場地結構，渣土現(xiàn)場實際堆放面積132m2,大于126.6m2，滿足設計需求。

4 結語

小型盾構泥水處理系統(tǒng)的應用與研究是靈活利用設備的結構和場地縱向空間，將復雜的工程設備按照工藝流程有效集成起來，提高了場地的利用率，為盾構泥水處理系統(tǒng)研究提供參考意義。

小型盾構泥水處理系統(tǒng)未來發(fā)展還應趨勢智能化、專用化和資源化。

智能化是將復雜地質泥水處理系統(tǒng)集監(jiān)測、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸及分析為一體，建立專業(yè)的知識庫，通過對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，選擇出最優(yōu)方案及控制方式。

專業(yè)化主要體現(xiàn)在設備專業(yè)化方面，比如：專用旋流器，針對盾構超標泥漿特性研制出新型的適用旋流器，而不是選型目前的選礦旋流器；專用泥漿篩，區(qū)別于礦用篩機來料穩(wěn)定的特性，盾構泥漿專用泥漿篩需要面對地質條件不斷變化，近乎通吃的苛刻條件；專用廢漿處理工藝，根據(jù)盾構工程廢漿的理化特性，進一步研究專用工藝來處理處置。

資源化是在盾構超標泥漿處理技術的發(fā)展趨勢下采用盾構超標泥漿固化處理及資源化利用新技術實現(xiàn)盾構超標泥漿制備出各類免燒建材、路基及建筑回填用土及園林用土，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，打造循環(huán)經濟。