福州地鐵5號線泥水盾構泥漿處理技術

葉康慨

(中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

泥水盾構以技術先進、地質適應性強、壓力控制精準和安全可靠等優點被廣泛使用在穿越江河湖海的地下工程施工中，如何解決泥水盾構的在粘土層、淤泥質地層、粉質粘土、(含泥)礫粗砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖(砂土狀)、中風化花崗巖等地層掘進時泥漿分離的方法和快速掘進，滿足日益嚴峻的環保形勢，這就需要對泥水盾構在泥水分離系統配套及泥漿處理技術以及泥漿分離管理進行研究和摸索。

1 工程概況

1.1 工程地理位置

福州市軌道交通5號線一期工程下穿閩江段位于荊溪新城站～區間風井盾構區間，該區間總長1 816 m，區間線間距12～16 m，最大坡度28‰，盾構下穿閩江段，長度315.41 m，線間距12 m，隧道埋深24～28.7 m，隧道上方覆土厚土17.8～28.7 m，江面穩定水位最大深度4.3 m，潮汐水位最大深度8.1 m。泥水盾構區間線路走向平面圖見圖1。

圖1 泥水盾構區間線路走向平面圖

1.2 工程地質與水文地質

(1)工程地質情況

根據(補充)地勘報告，過江泥水盾構隧道穿越的地層主要為：淤泥、淤泥夾砂、淤泥質土、粉質粘土、(含砂)粉質粘土、(含泥)礫粗砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖(砂土狀)、中風化花崗巖等。以盾構中心為統計高度，左、右線隧道穿越的各種地層所占比例及粒徑大小見表1、表2，隧道穿越的地質剖面圖見圖2。

表1 盾構穿越的地層地勘資料顆粒分析

表2 左、右線洞身各地層統計表

圖2 盾構穿越閩江段地質斷面圖

(2)水文地質情況

本工程地下水按埋藏條件分為上層滯水、潛水、承壓水三種類型。地層主要有粉質黏土、淤泥、淤泥質土、(含泥)礫粗砂及強風化花崗巖，其滲透系數分別為3.0E-4、3.0E-3、3.0E-3、35.00、6.00(m/d)。

1.3 盾構選型情況

本工程采用兩臺中鐵工程裝備集團有限公司生產的710/711#氣墊式泥水平衡盾構機進行施工，盾構開挖直徑Φ6.52 m。采用面板式刀盤，最大開口率22%。盾構最大掘進速度50 mm/min。

2 泥漿分離系統設備選型

2.1 泥漿分離設備的選型設計計算依據

根據本工程所使用的泥水盾構設備參數，泥漿分離設備的選型設計計算依據見表3。

表3 泥漿分離設備的設計計算依據匯總表

由表3數據可以計算出：

出渣量：Q=60πD2*V/4=100.16 m3/h；

排漿流量：Q排=Q*(ρ0-ρ1)/(ρ2-ρ1)=648 m3/h；

進漿流量：Q進=(Q排*ρ2-Q*ρ0)/ρ1=547 m3/h；

盾構月進度指標240 m，盾構推進速度50 mm/min，計算得知泥漿系統的排漿流量為648 m3/h，考慮0.15的富余能力系數，泥水分離設備的處理能力不得低于750 m3/h。

2.2 泥水處理系統方案

(1)泥漿處理的總體流程

在盾構掘進過程中，新拌制的泥漿通過P1.0進漿泵進入盾構泥水倉，攜帶刀盤開挖下來的渣土由排泥泵輸送至地面分離設備，經過粗篩進行預分處理。預篩分是分離2 mm以上顆粒物，泥渣混合物由入料箱進入，由脫水篩上部震動電機將渣料向出料口推動，直徑小于2 mm物料隨泥漿進入下部水槽，經渣漿泵抽至一級旋流器進行泥水分離，一次旋流器分離回收直徑0.075～2 mm顆粒物；一級旋流器脫水篩脫水后，泥渣混合物經過一次減壓箱分流管道進入二次水槽，由渣漿泵將其抽至二級旋流器，二次旋流器專為分離直徑為0.045～0.075 mm的顆粒物。旋流器分離處理后的干凈泥漿進入調漿池，經泥漿調整后循環使用。當泥漿比重超標時，泵入沉淀池加入絮凝劑充分混合、靜置一段時間后，泵入離心機/壓濾設備進行物理分離。

(2)泥漿處理的主要設備組成

綜合考慮本工程泥水分離設備既要滿足細顆粒的泥漿分離，又要滿足在全風化花崗巖、強風化花崗巖(砂土狀)、中風化花崗巖等巖層中掘進時的大顆粒渣塊的泥漿分離。泥漿處理的主要設備由ZTJ-150型制調漿系統、MTP-1000型泥水分離系統、APN18SL40 m型板式壓濾系統、CS30-T型離心機、DNYA2500三濾帶濃縮一體帶式壓濾機組成。

①制漿、調漿系統

其泥漿制備量：120 m3/h；泥漿密度：1.05～1.2 t/m3；泥漿粘度：18～45 s；CMC制備量：10 m3/h。

②MTP-1000型泥水分離系統

系統由預篩、一級旋流分離、二級旋流分離等組成，經泥水分離系統分離后的渣土含水率均≤25%，滿足汽車運輸。

③化學分離系統

在沉淀池中加入絮凝劑等漿液進行濃縮絮凝處理，并用壓濾機進行壓濾或者采用離心機對泥漿中的細微顆粒進行更進一步的分離與清除。

APN18SL40 m型板式壓濾設備單臺壓濾機處理能力：30 m3/h；濾餅量：16 m3/h；濾餅含水率：≤30%；濾液水固含率：<2 g/L；DNYA2500三濾帶濃縮一體帶式壓濾機單臺壓濾機處理能力：30～60 m3/h；濾餅量：16 m3/h；濾餅含水率：≤50%；濾液水固含率：<2 g/L；

④泥漿的沉淀分離

根據施工需求在帶式壓濾機周邊地面上修建一座1 000 m3絮凝沉淀池，通過添加絮凝劑達到加速沉淀的效果，對沉淀后的渣土再進行清理。

4 施工效果

4.1 軟土段泥漿分離情況

在軟土段掘進時，通過預篩對泥漿進行一級分離，預篩篩網下部的泥漿通過泵送至沉淀池后進行靜置。然后添加絮凝劑、靜置后用螺桿泵泵送至帶式壓濾機進行壓濾或泵送至離心機進行離心分離。處理能力基本滿足每臺設備每天8環/9.6 m的施工進度要求。通過壓濾或離心處理后的漿液基本以清水的形式排出。

4.2 硬巖段渣土分離情況

在硬巖段掘進時，通過預篩對泥漿進行一級分離，預篩篩網下部的泥漿再通過一二級旋流設備進行分離。處理能力滿足每臺設備每天12環/14.4 m的施工進度要求。施工過程隨著漿液中小顆粒比例的增加，旋流設備分離效率明顯下降，將泥漿泵入沉淀池進行沉淀，然后通過離心機對進行集中處置。

在右線掘進復合地層及硬巖段初期，充分利用左線掘進所處地層來對右線硬巖〖CM6*3/4-6〗掘進的泥水指標進行優化和利用，大大節約了硬巖段掘進需要優質泥水所投入的添加劑的費用。

5 結論與建議

在福州地鐵泥水平衡盾構工程施工過程中，針對不同地層對泥水處理設備進行合理的設備配置，并結合壓濾機和離心機的使用，通過科學的現場管控，確保了開挖面的穩定和泥水輸送系統的通暢，徹底解決了廢棄泥漿達標排放的難題，為同類工程采用泥水盾構施工積累了一些寶貴的經驗。通過本項目泥漿分離施工，有以下意見在今后的施工中應該注意。

(1)泥水處理系統是泥水盾構施工的重要配套系統，目前大多數項目在盾構選型及配套設備選型主要依靠設備廠家進行泥漿分離處理方案設計。應結合(補充)地質勘探資料，詳細分析各類地層顆粒含量及掘進后渣土的顆粒篩分結果，認真設計泥漿分離處理方案、設備配置以及配套處理措施等。

(2)泥漿分離場地施工場地的總體布局要充分考慮不同地層泥漿分離工藝與分離方案進行合理布置，確保泥漿分離設備與分離工藝相匹配。

(3)泥漿處理沉淀池的布置必須考慮泥漿絮凝的時間效應。

(4)泥漿分離是泥水盾構施工的重要工序，必須派熟悉分離工藝的人員進行嚴格管理。

(5)隨著國家環保要求的越來越嚴，渣土排放管理的逐漸規范，廢棄泥漿達標、零污染排放必將成為泥水盾構施工的主流方向。