黏土地層隧道盾構(gòu)工程配套泥水分離設(shè)備選型技術(shù)

1工程概況

1.1 工程基本狀況

廣鋼新城車輛段出入場線隧道工程采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，從該車輛段出入場線明挖區(qū)間盾構(gòu)井始發(fā)后，向西北方向敷設(shè)，途經(jīng)煤堆涌、江夏村5層民房、廣州市文偉中學(xué)主教學(xué)樓等建（構(gòu)）筑物后，進(jìn)入西朗站前明挖接收井。本區(qū)間沿線西朗村兩側(cè)民房分布較為密集。出場線長度為 647.298m ，入場線長度為 686.642m 盾構(gòu)開挖直徑 6.68m ，管片內(nèi)徑為 5.8m ，線路最小半徑為250m ，最大縱坡為 34.8‰ ，隧道拱頂埋深為 3～21m 。

1.2工程地質(zhì)情況

該隧道工程覆土深度約為 3.21～22.75m ，盾構(gòu)施工區(qū)間由上至下穿越的地質(zhì)及其占比如下： ?1? 雜填土、lt;2-1Agt;淤泥層，占比 10% ；lt;4N-2gt;粉質(zhì)粘土，占比2% ；lt;5N-2gt;粉質(zhì)粘土，占比 12% ； ?6? 全風(fēng)化粗砂巖、lt;7-1gt;強(qiáng)風(fēng)化粗砂巖，占比 15% ； lt;8-1gt; 中風(fēng)化粗砂巖，占比 36% ： 中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖占比 25% 。

2泥水分離系統(tǒng)組成和工作原理

2.1泥水分離系統(tǒng)組成

泥水分離系統(tǒng)是與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)配套施工的關(guān)鍵設(shè)備[]。泥水分離系統(tǒng)設(shè)置在地面適當(dāng)位置，是一套集成度高、自動(dòng)化功能完善、工作效率高的大型機(jī)電設(shè)備，主要由固液分離設(shè)備、制調(diào)漿設(shè)備、壓濾設(shè)備、廢棄泥漿處理設(shè)備以及控制系統(tǒng)等組成[2]。

2.2泥水分離系統(tǒng)工作原理

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)之前，根據(jù)盾構(gòu)施工過程中的地質(zhì)情況，由制調(diào)漿設(shè)備配制漿液。配制漿液時(shí)，檢測泥漿的配合比、比重、含砂率、相對密度等指標(biāo)，以滿足不同地層的需要。將配制好的新泥漿送到新漿池進(jìn)行膨化反應(yīng)后送到調(diào)漿池，由制調(diào)漿設(shè)備配制好足夠使用的工作泥漿。

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，由送漿泵（P1.1泵）將工作泥漿輸送至盾構(gòu)機(jī)泥水艙，工作泥漿與掘進(jìn)產(chǎn)生的原狀土形成混合泥漿后，由排漿泵（P2.1泵）送至地面泥水分離系統(tǒng)的固液分離機(jī)，經(jīng)固液分離機(jī)將泥漿凈化，通過廢棄泥漿處理設(shè)備處理廢棄漿液。由制調(diào)漿設(shè)備根據(jù)地質(zhì)情況和泥漿參數(shù)，將凈化后的泥漿加水調(diào)漿、補(bǔ)充膨潤土添加劑、添加新漿，調(diào)整為工作泥漿。由送漿泵（P1.1泵）將調(diào)整后的工作泥漿送至盾構(gòu)機(jī)泥水艙，繼續(xù)與掘進(jìn)產(chǎn)生的原狀土形成混合泥漿。以此循環(huán)往復(fù)，源源不斷地通過泥漿將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)產(chǎn)生的原狀土排出，同時(shí)保持工作泥漿始終處于正常配合比狀態(tài)。廢棄漿液由自動(dòng)隔膜壓濾機(jī)過濾后完成污泥減量化、無害化、穩(wěn)定化處理，最終渣土含水率約為 30% 。泥漿循環(huán)工作原理如圖1所示。固液分離工作原理如圖2所示。

3固液分離設(shè)備選型

3.1 選型原則

一是生產(chǎn)上適用。滿足當(dāng)前的地層情況下的泥水分離需求，使用過程中性能穩(wěn)定、安全可靠、便于維護(hù)。二是技術(shù)上先進(jìn)。泥水處理過程中，要滿足節(jié)能、環(huán)保理念，減少電、水的使用，減少人工的投入。三是經(jīng)濟(jì)上合理。性價(jià)比較好，生產(chǎn)效率高，滿足盾構(gòu)施工需要[3]。

3.2選型依據(jù)

3.2.1 隧道工程地質(zhì)

對該隧道地質(zhì)情況分析結(jié)果表明，其粉細(xì)顆粒含量均大于 50% ，屬于軟土地層，大顆粒少，粉細(xì)顆粒比例高，且顆粒分布不均勻。

經(jīng)計(jì)算后得出滾筒篩的篩分率為 20%～25% ，渣土篩分率為 40%～45% ，棄漿處理率約為 30% 。固液分離后的泥漿進(jìn)入調(diào)漿系統(tǒng)，適量加入水、新漿、添加劑，恢復(fù)泥漿指標(biāo)后返回泥漿循環(huán)系統(tǒng)[4]。該隧道取土深度和土層粒徑分布情況如表1所示。其中：粉粒粒徑為0. 005～0. 075mm ，粉粒為 0.005～0.075mm ，細(xì)砂粒徑為0.075～0.25mm ，中砂粒徑為 0.25～0.5mm ，粗砂粒徑為0.5～2.0mm ，礫石粒徑為 2～20mm。

3.2.2盾構(gòu)機(jī)參數(shù)

該隧道選用的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的主要參數(shù)如下：刀盤的最大開挖直徑為 6680mm ；推進(jìn)系統(tǒng)最大推進(jìn)速度為60mm/min；泥漿環(huán)流系統(tǒng)的進(jìn)漿流量為 850m³/h ，排漿流量 900m³/h ；計(jì)劃每天掘進(jìn)環(huán)數(shù)為12環(huán)，計(jì)劃每天最多掘進(jìn)環(huán)數(shù)為16環(huán)。

3.2.3現(xiàn)場布置條件

廣州地鐵十號線七分部所在場地處在老城區(qū)，場地狹窄，附近居民樓多。因此對噪聲的控制要求高，環(huán)保問明施工要求嚴(yán)格。且大多數(shù)場地在高壓線下，為了保證設(shè)備和高壓線間有足夠的安全距離，泥水分離設(shè)備需要體積集成化、微小化。

3.2.4固液分離設(shè)備配置參數(shù)

結(jié)合以上各項(xiàng)條件和環(huán)保要求，選擇固液分離設(shè)備需考慮超細(xì)顆粒分離以提高循環(huán)泥漿的質(zhì)量、減少棄漿量，需考慮棄漿零排放干化處理、渣土減量化處理、固液分離設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)以盡可能減少占地面積等方面。固液分離設(shè)備配置參數(shù)如表2所示。

3.3固液分離設(shè)備具體配置

3.3.1滾筒篩分離機(jī)

滾筒篩分離機(jī)可保證現(xiàn)場文明整潔和施工效率。滾筒篩分離機(jī)工作性能突出，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，便于維護(hù)和管理，分離出的渣土含水量低于 30% ，可由汽車直接運(yùn)輸[5]。采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)地層需要進(jìn)行隨時(shí)切換，適用性更強(qiáng)。采用變頻控制，適合盾構(gòu)機(jī)在不同地層的推進(jìn)速度。

3.3.2獨(dú)立單層振動(dòng)篩

為適應(yīng)小于 74μ_m 顆粒的篩分，設(shè)計(jì)了獨(dú)立單層振動(dòng)篩進(jìn)行細(xì)小顆粒篩分處理。采用高頻低幅、角度范圍可變設(shè)計(jì)，配置二級旋流器，以更好完成細(xì)小顆粒的濃縮、分級，保證二級脫水的最佳篩分效果。減少細(xì)小顆粒進(jìn)入循環(huán)泥槳，以節(jié)約泥漿三級處理費(fèi)用。整機(jī)分離效率達(dá)到 80% 以上，渣土含水率 lt;30% ，可由汽車直接運(yùn)輸。對 0. 020～0.074mm 難脫水的顆粒，采用高頻振動(dòng)可有效完成渣土脫水；篩面采用 0.3～2mm 耐磨PU（聚氨酯）篩網(wǎng)，二級脫水篩的角度可調(diào)，有效降低渣土含水率。

3.3.3 旋流器

二級旋流器整體采用特殊的耐磨橡膠制成，分離效率在 80% 以上。當(dāng)進(jìn)入旋流器的漿液比重為 1.2～1.3g/cm³ 時(shí)，濃縮后底流比重約為 1.5～1.8g/cm³ 。底流濃度越高旋流器的濃縮效果越好，進(jìn)入脫水篩面的物料就更容易脫水，脫水時(shí)間越短生產(chǎn)效率越高；收集槽的底部鋪有特制超耐磨墊塊，以有效降低其磨損。

考慮設(shè)備使用壽命及穩(wěn)定性，一級旋流器采用分體式設(shè)計(jì)，內(nèi)襯20mm耐磨橡膠。沉沙嘴采用高鉻鑄鐵耐磨合金材料，耐磨損且可更換。二級旋流器采用聚氨酯材料，內(nèi)部噴涂耐磨涂層，耐磨損，分離效率高，使用壽命長。

4制調(diào)漿設(shè)備選型

漿液調(diào)制是泥水盾構(gòu)施工一個(gè)很重要的過程，對盾構(gòu)施工的掘進(jìn)速度、控制沉降和攜帶渣土發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此要合理、正確地選擇制調(diào)漿設(shè)備。由于本項(xiàng)目黏土地層占比較大，在掘進(jìn)過程中新漿需求量較小，所以制調(diào)漿過程主要在始發(fā)階段。選取的制調(diào)漿設(shè)備主要參數(shù)[6]如表3所示。

制調(diào)漿設(shè)備由新漿、化學(xué)藥劑添加、調(diào)漿設(shè)備、調(diào)漿池、清水池等設(shè)備單元組成，為1臺(tái) Φ6.7m 隧道盾構(gòu)掘進(jìn)連續(xù)提供工作漿液。

5壓濾設(shè)備選型

5.1工作原理

自動(dòng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)壓濾設(shè)備達(dá)到保壓狀態(tài)后，渣漿泵啟動(dòng)，將渣漿輸入壓濾機(jī)濾板腔體過濾脫水，達(dá)到設(shè)定的進(jìn)料壓力后渣漿泵停止，水壓榨系統(tǒng)啟動(dòng)第二次壓榨脫水，達(dá)到設(shè)定的壓榨壓力后停止壓榨，壓濾設(shè)備啟動(dòng)拉板小車自動(dòng)卸料。一個(gè)循環(huán)完成后壓濾機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

壓濾機(jī)往復(fù)運(yùn)行由PLC（可編程控制器）自動(dòng)控制。壓濾機(jī)壓榨后的泥餅含水率 30% 左右，符合環(huán)保及運(yùn)輸要求。濾液返回泥水系統(tǒng)回收利用，也可以用于場地沖洗、圍擋噴淋、洗車槽用水、消防用水等[7]。壓濾設(shè)備工作原理如圖3所示。

5.2壓濾機(jī)工況分析

壓濾機(jī)每個(gè)循環(huán)時(shí)間為 2h ，每24h循環(huán)12次，每個(gè)循環(huán)處理泥漿約 30m³ ，每天單臺(tái)壓濾機(jī)泥漿處理量公式如下：

L₁=ncη

式中： L₁ 為單臺(tái)壓濾機(jī)日處理能力 （m³），n 為每24h循環(huán)次數(shù)（12次）， c 為每個(gè)循環(huán)泥漿處理量 （30m³） ； η 為工作效率（ 85% ）。經(jīng)計(jì)算得出單臺(tái)壓濾機(jī)日處理能力為 306m³ 。而兩臺(tái)臺(tái)壓濾機(jī)日處理能力為 612m³ 。

在正常情況下每日盾構(gòu)施工12環(huán)，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)每環(huán)使用泥漿量為 160m³ ，每日分離設(shè)備分離出可循環(huán)利用的泥槳比例為 70% ，由此可計(jì)算出單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)每日棄漿量，其公式如下：

Q=hq（1-f）

式中： Q 為單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)每日棄漿量 （m³ ）， h 為每日盾構(gòu)施工環(huán)數(shù)（12環(huán)）， q 為每環(huán)泥漿量（ 160m³ ）， f 為每日分離設(shè)備分離出可循環(huán)利用的泥漿比例（ 70% 。經(jīng)計(jì)算得出單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)每日產(chǎn)生的棄漿量為 576m³ 。

盾構(gòu)機(jī)每天最快掘進(jìn)施工16環(huán)，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)每環(huán)泥漿量為 160m³ ，每日經(jīng)過分離后剩余 30% 棄漿由壓濾機(jī)處理，經(jīng)計(jì)算得出單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)每日產(chǎn)生棄漿量為 768m³ 。

從壓濾機(jī)處理能力與每天需處理廢槳比較，考慮到盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)環(huán)數(shù)和最快掘進(jìn)環(huán)數(shù)的不連續(xù)性，經(jīng)過綜合對比，選擇兩臺(tái)壓濾機(jī)即可滿足施工需要。壓濾設(shè)備主要參數(shù)如表4所示。

6結(jié)束語

在城市地鐵施工中，渣土對環(huán)境影響較大。泥水盾構(gòu)施工能很好的控制施工沉降和降低渣土運(yùn)輸成本，減少環(huán)境污染，泥水盾構(gòu)機(jī)和泥水分離設(shè)備是泥水盾構(gòu)施工的主要組成部分。泥水分離設(shè)備的選型對泥水盾構(gòu)施工的經(jīng)濟(jì)性、安全性、成本、工期有重要影響。通過對泥水分離設(shè)備的工作原理、選型原則、選型方法進(jìn)行研究，結(jié)合項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，為以后隧道盾構(gòu)項(xiàng)目泥水設(shè)備選型提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]賈金建.泥水盾構(gòu)機(jī)泥水循環(huán)系統(tǒng)選型及應(yīng)用[J].工程機(jī)械與維修，2013（2）：148-150.

[2]竺維彬，鞠世健，王暉.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)（新版）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，第一版，2020.8：206-214.

[3]鄧勇，李增良.盾構(gòu)三十六技.北京：中國鐵道出版社，第1版，2021.5：6-7.

[4]陳鵬.大直徑泥水盾構(gòu)配套泥水管路直徑及其匹配的泥水分離設(shè)備能力的選取[J].鐵道建筑術(shù)，2018（S2）：211-213.

[5]魏向明.全黏土地層泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)泥漿處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（7）：77-80.

[6]毋海軍.圓礫粉細(xì)砂層泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2019（8）：60-63.

[7]陳鵬.大直徑泥水盾構(gòu)配套泥水管路直徑及其匹配的泥水分離設(shè)備能力的選取[J].鐵道建筑術(shù)，2018（S2）：211-213.