大直徑泥水盾構(gòu)施工泥水處理系統(tǒng)配置及應(yīng)用

徐光偉/XU Guangwei

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450048）

泥水平衡盾構(gòu)施工常用的泥水處理方法有沉淀池法和機(jī)械分離法。在泥水沉淀池處理方法中，從盾構(gòu)排泥管泵送出含有大粒徑渣土、密度大的泥水，經(jīng)過(guò)迷宮型泥漿沉淀池沉淀后，將沉淀后的泥漿挖出晾曬。由于盾構(gòu)泥漿使用膨潤(rùn)土或高分子材料制作，循環(huán)泥漿黏度和懸浮作用較大，泥水中的渣土沉淀速度較慢，需要通過(guò)添加化學(xué)絮凝劑提高分離效率，同時(shí)需要大面積場(chǎng)地來(lái)建造大規(guī)模的泥漿沉淀池和晾曬場(chǎng)，如果在施工場(chǎng)地受限的情況下，采用這種傳統(tǒng)工藝的泥水分離方法無(wú)法滿足施工進(jìn)度要求和環(huán)保要求。目前機(jī)械分離法處理方案在國(guó)內(nèi)外泥水盾構(gòu)施工中使用較多，泥水通過(guò)預(yù)分篩／滾動(dòng)篩、旋流器、脫水篩等進(jìn)行分離，分離效果好，占地少。

1 泥水分離站簡(jiǎn)介

泥水分離站的主要任務(wù)是充分利用泥漿循環(huán)，減少?gòu)U漿的排放量，其難點(diǎn)是保留泥漿中有效顆粒且去除泥漿中的其他有害物質(zhì)。

盾構(gòu)排漿泵通過(guò)管路將攜帶開挖渣土的泥漿從開挖倉(cāng)輸送到泥水分離系統(tǒng)中，高流量的泥漿經(jīng)過(guò)減壓裝置到滾動(dòng)篩或者振動(dòng)預(yù)分篩，進(jìn)行第一步篩分，把3mm 以上粒徑的渣土從泥漿中分離出來(lái)。通過(guò)篩網(wǎng)的泥漿進(jìn)行第二步粗顆粒旋流分離階段，泥水分離站的一級(jí)泥漿泵將泥漿抽到粗顆粒旋流器中，粗顆粒旋流分離器上溢流被收集至脫水篩下方的集漿箱中，然后二級(jí)泥漿泵在第三步細(xì)顆粒旋流分離階段將其抽送到細(xì)顆粒旋流器中，細(xì)顆粒旋流分離器是最后一個(gè)分離階段，從泥漿中分離出20～25μm 以上顆粒。兩個(gè)旋流分離階段的底流流入脫水篩，使分離出的含有較大顆粒的泥漿進(jìn)一步脫水干化，經(jīng)脫水篩處理的液體也被收集在脫水篩下面的集漿箱中，并通過(guò)二級(jí)泥漿泵再次被輸送至細(xì)顆粒旋流器中，通過(guò)細(xì)顆粒旋流器上溢排出的泥漿重新回到盾構(gòu)泥水循環(huán)中。

經(jīng)泥水分離站處理后的泥漿中細(xì)微顆粒逐漸增加，如果不及時(shí)置換，將引起泥漿的比重、含沙量和黏度上升，直接影響泥膜質(zhì)量、攜渣能力、環(huán)流系統(tǒng)的泵送能力，進(jìn)而影響到掌子面穩(wěn)定、盾構(gòu)的掘進(jìn)效率。當(dāng)泥漿比重、黏度、含沙量等指標(biāo)達(dá)到某一極限值時(shí)，要將一部分高比重泥漿置換出來(lái)，并用新鮮的膨潤(rùn)土懸浮液代替。高比重的泥漿不能進(jìn)行再次使用，通過(guò)壓濾機(jī)或離心機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步干化處理。

2 泥水分離站選型

本工程項(xiàng)目采用直徑15.55m泥水平衡盾構(gòu)，區(qū)間長(zhǎng)2 780m，盾構(gòu)隧道穿越的主要典型地層有粉細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)黏土等，上覆地層主要有填土層、砂質(zhì)粉土層和灰色淤泥質(zhì)黏土層。

工程沿線穿越河流，受潮位影響較為明顯，河道周邊地層的粉砂滲透性較好，是地表水和地下水良好的聯(lián)絡(luò)通道。沿線地下水主要有賦存淺部土層中的潛水、微承壓水及承壓水。

針對(duì)本工程土層顆粒細(xì)、分離困難、處理量大等特點(diǎn)，相應(yīng)的泥水處理系統(tǒng)應(yīng)滿足大直徑盾構(gòu)施工要求的處理量、處理效果等。

2.1 盾構(gòu)進(jìn)排漿流量計(jì)算

為滿足15m 級(jí)盾構(gòu)最大掘進(jìn)速度50mm／min的要求，盾構(gòu)進(jìn)排漿流量計(jì)算公式如下

其中，盾構(gòu)最大推進(jìn)速度v取5cm／min，原狀土比重ρ0約1.83～2.0t／m3，進(jìn)漿比重ρ1約1.1～1.2t／m3，排漿比重ρ2約1.3～1.5t／m3，開挖直徑D為15.55m，綜合考慮，盾構(gòu)最大排漿流量取3 000m3／h。

2.2 進(jìn)排漿管道直徑計(jì)算

根據(jù)液體的流量和流速的大小，可按下式計(jì)算管路的直徑

其中，Q為流量（L／min）；V為流速（m／s）。

按V=4m／s，綜合考慮，盾構(gòu)進(jìn)、排漿管直徑取d排=d進(jìn)=500mm。

2.3 泥水分離站主要配置

本項(xiàng)目泥水分離站共4 層，其中第一層為鋼筋混凝土基礎(chǔ)及整合在此基礎(chǔ)內(nèi)的清水池；第二層為振動(dòng)篩分單元；第三層為一二級(jí)旋流處理單元及中控室，第四層為滾動(dòng)篩系統(tǒng)，與地面的調(diào)漿池形成功能完善的泥水分離系統(tǒng)。泥水分離站進(jìn)行了根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)需求進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，泥漿處理能力3 000m3／h，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 泥水分離站主要參數(shù)

2.3.1 預(yù)分系統(tǒng)

預(yù)分系統(tǒng)是泥水分離的第一步分離階段，一般有振動(dòng)預(yù)分篩或者滾動(dòng)預(yù)分篩，把由排泥管排出的泥漿粒徑為3mm 以上的渣土等進(jìn)行首次分離。

振動(dòng)預(yù)分篩有兩層篩板，振幅是衡量篩分能力的重要指標(biāo)，由激振頻率、激振力大小和預(yù)分篩重量決定。振動(dòng)電機(jī)是激振源，4 臺(tái)振動(dòng)電機(jī)作同步反向運(yùn)動(dòng)，使預(yù)分篩產(chǎn)生直線振動(dòng)，通過(guò)調(diào)整偏心塊的夾角可實(shí)現(xiàn)激振力的變化；同時(shí)也可以通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)分篩的傾斜度來(lái)應(yīng)對(duì)篩板出渣不暢或者渣料含水率偏高的情況。

滾動(dòng)預(yù)分篩與泥水環(huán)路排漿管道相連，滾筒篩通過(guò)兩個(gè)摩擦輪驅(qū)動(dòng)裝置滾動(dòng)，隨著不斷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，渣土發(fā)生松動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和分離，大粒徑的渣土通過(guò)滾動(dòng)篩內(nèi)安裝的卸料排出。本項(xiàng)目配備2 臺(tái)直徑為?2.4m 滾動(dòng)篩，單臺(tái)泥漿處理能力達(dá)到1 500m3／h，高壓噴淋系統(tǒng)連續(xù)清洗和疏通滾動(dòng)篩篩網(wǎng)，在滾動(dòng)篩周圍設(shè)工作平臺(tái)，用來(lái)保證不會(huì)將篩網(wǎng)堵塞，棄土通過(guò)溜槽流入渣土場(chǎng)。

2.3.2 旋流分離系統(tǒng)

1）旋流進(jìn)漿泵 旋流器本身是沒(méi)有動(dòng)力的，要靠泥漿泵提供一定的壓力，使泥漿高速進(jìn)入旋流器。旋流進(jìn)漿泵是旋流器工作的動(dòng)力來(lái)源，其工作壓力和流量直接影響旋流器的處理性能，同時(shí)也是保證整個(gè)分離系統(tǒng)正常工作關(guān)鍵，所以進(jìn)漿泵選型確保其可靠性。

2）旋流分離器 通過(guò)旋流進(jìn)漿泵提供的高壓、高速的泥漿進(jìn)入旋流器進(jìn)漿口，在旋流體內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，泥漿中一定范圍的大粒徑顆粒物質(zhì)沿軸向和徑向同時(shí)向下和向外運(yùn)動(dòng)，然后沿著旋流體內(nèi)壁向下從旋流器底流口排出，形成了一個(gè)外旋流場(chǎng)；小粒徑的顆粒物質(zhì)在中心軸線方向運(yùn)動(dòng)，并在軸線中心形成向上運(yùn)動(dòng)的外旋流場(chǎng)，從上溢口排出，這樣就達(dá)到了大、小粒徑的物質(zhì)分離的目的。

根據(jù)盾構(gòu)隧道不同地質(zhì)情況的漿液特性來(lái)選擇適當(dāng)?shù)男髌鞒叽绾驮O(shè)計(jì)旋流器進(jìn)漿口、旋流體和上溢口等。

圖1 旋流分離器

進(jìn)漿口的大小決定著泥漿的入口速度，入口形式采用漸開線形。在進(jìn)漿口形成連續(xù)、平滑的流動(dòng)漿液，保證泥漿到達(dá)旋流器圓柱壁接觸的切向點(diǎn)之前具有確定的粒子方向。這種設(shè)計(jì)最大限度地減少了湍流，并減少了大粒子由于湍流或彈跳作用而使旋流器發(fā)生失效的可能。

在給定漿液體積下，旋流體的大小對(duì)壓降的影響最大。一般來(lái)說(shuō)，旋流體越大，切口越粗，從而處理的固體粒徑越大。相反，一個(gè)較小的旋流體意味著更細(xì)、更低的固體粒徑，但過(guò)小的尺寸會(huì)減少處理能力，導(dǎo)致處理性能較差。對(duì)于不同的漿液，旋流體的大小和壓降相互依賴，要在旋流體與處理能力之間尋求最佳平衡。

2.3.3 旋流器真空調(diào)節(jié)單元

粗、細(xì)顆粒旋流器底流口均配備橡膠真空袋，并與上溢流真空調(diào)節(jié)閥一起配合達(dá)到所需的性能。在進(jìn)漿濃度波動(dòng)的情況下，通過(guò)真空袋、真空調(diào)節(jié)閥的調(diào)整，可獲得較高的底流濃度和較低的溢流濃度，其最高底流濃度可達(dá)85%。

2.3.4 脫水篩

粗、細(xì)顆粒旋流器底流進(jìn)入脫水篩后段，為確保細(xì)渣料的脫水效果，落渣處裝0.5mm 篩板，出渣處裝0.3mm 篩板，同時(shí)根據(jù)掘進(jìn)地層不同，可更換不同規(guī)格篩板以達(dá)到較好的處理效果，并配置一個(gè)可調(diào)節(jié)篩板角度的可變頻振動(dòng)篩。振動(dòng)篩將旋流器底流脫水后從篩面篩出，渣土落至渣場(chǎng)堆置或經(jīng)由輸送設(shè)備輸送至指定堆置點(diǎn)。振動(dòng)篩振動(dòng)強(qiáng)度可達(dá)5g 以上。

2.3.5 離心機(jī)

離心機(jī)是一種臥式螺旋卸料、連續(xù)操作的沉降設(shè)備。在全速運(yùn)轉(zhuǎn)下，連續(xù)進(jìn)料、分離、洗滌和卸料，分離含固相物粒度大于0.005mm，濃度范圍為2%～40%的懸浮液，利用離心分離原理對(duì)廢漿進(jìn)行固液分離，去除泥漿中的巖屑等有害細(xì)小固相顆粒，減少環(huán)境污染。

主要由主機(jī)總成、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)出料接口，潤(rùn)滑系統(tǒng)等幾部分組成。采用高效臥旋離心機(jī)進(jìn)行廢漿處理，廢漿實(shí)現(xiàn)“零排放”。廢漿進(jìn)入離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓后，泥漿中密度較大顆粒在離心力作用下迅速沉積到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成沉渣層，由與轉(zhuǎn)鼓同方向旋轉(zhuǎn)但具有一定轉(zhuǎn)速差的螺旋輸送器葉片推向轉(zhuǎn)鼓小端，然后經(jīng)出渣口排出。泥漿中密度較小顆粒及水，在離心力作用下，沿清液通道，從轉(zhuǎn)鼓大端溢流孔流出，實(shí)現(xiàn)泥漿清液與廢渣分離，達(dá)到脫水目的。

3 結(jié)語(yǔ)

泥水盾構(gòu)施工是盾構(gòu)法施工中較為復(fù)雜的施工方法，影響盾構(gòu)施工效率的不僅僅有盾構(gòu)設(shè)備本身，而且各工序都需要有序銜接，其中泥水分離設(shè)備更是直接影響盾構(gòu)是否能正常施工，所以對(duì)泥水盾構(gòu)配套泥水分離站的處理能力、處理效果、機(jī)械穩(wěn)定、綠色環(huán)保等提出較高的要求。通過(guò)介紹處理能力為3 000m3／h 的泥水分離站各關(guān)鍵系統(tǒng)選型配置、針對(duì)性設(shè)計(jì)，為同類地質(zhì)地下工程采用大直徑泥水盾構(gòu)施工提供參考。