軟土地層小直徑長距離泥水平衡盾構泥水處理選擇及應用

陳 松

中國建設銀行股份有限公司上海市分行 上海 200020

近年來，盾構法在重要能源主干管道，如石油運輸越江管道隧道、城市電力主干隧道、天然氣地下主干管道隧道等工程中應用廣泛。因管道對隧道空間需求較小，所以隧道直徑也較小；而在富含地下水的軟土地層中，常用泥水平衡盾構機施工。

目前，國內大城市重要公路隧道，已有較多采用大直徑泥水平衡盾構法施工的工程實例[1-3]，其泥水系統已有較為成熟的工藝和材料。大直徑盾構刀盤切削土層豐富，泥水循環中顆粒大小覆蓋范圍廣，已經基本形成了以泥水篩分處理系統為主、廢漿處理為輔的泥水處理工藝，泥水循環的調蓄池往往需要占用很大的場地面積。而國內小直徑盾構剛剛起步，參考工程寥寥無幾，盾構類型有土壓平衡盾構、復合盾構、泥水平衡盾構等，其中，泥水平衡盾構工程實例最少，且主要在沙礫土層中推進，一次性掘進距離少于4 km。相比于大直徑泥水平衡盾構，小直徑泥水平衡盾構刀盤斷面土層較簡單、泥水流量相對較大、盾構場地較小等特點決定了泥水處理工藝并不能照搬照用，所以在小直徑超過4 km距離的泥水平衡盾構隧道中的泥水處理選用和應用國內還未有可借鑒的經驗，該技術研究對于我國重要管線的泥水平衡盾構法應用推廣具有重要的意義。

1 泥水平衡盾構機泥水處理原理

泥水平衡盾構的泥水系統運作原理如圖1所示。

圖1 泥水處理流程原理

循環泥水通過送泥管路到達在盾構機頭刀盤處的泥水倉，一方面發揮泥水護壁的作用，另一方面與刀盤切削下來的渣土充分混合，通過排泥泵和排泥管路被運送至地面；從排泥管排出的泥水和渣土先送到地面泥水處理設備中，泥水中顆粒較大的渣土，在處理設備中被篩分出來進入渣土場地；顆粒較小的渣土懸浮于泥水之中，進入沉淀池。在沉淀池底部的泥水大顆粒渣土較多，其密度較大，達不到循環泥水要求，需做廢漿處理；沉淀池中緩慢流動的上層泥水，由于密度相對較小，又有比較好的黏度，所以作為循環泥水繼續由送泥管送到盾構機頭刀盤處泥水倉再次循環上述流程。而在調整池中，循環泥水參數需要定期檢測，達不到標準時需要及時添加水、膨潤土等參數進行調整。

2 工程土層特點

某越江小直徑隧道，隧道長度超過8 k m，采用φ4.11 m泥水平衡盾構機施工，隧道外徑3.96 m、內徑3.40 m、環寬1.35 m。隧道主要穿越土層為⑤1-1層、⑤2層、⑤3-1層、⑤3-2層。其中第⑤1-1層灰色黏土，局部為淤泥質黏土，土質較均勻。第⑤2層灰色粉砂，夾薄層黏性土，局部以細砂為主，土質不均。第⑤3-1層灰色粉質黏土，夾多量薄層粉性土，局部夾多量粉砂，土質不均。第⑤3-2層灰色粉質黏土、黏質粉土互層，粉質黏土與黏質粉土呈互層狀分布，局部夾多量粉砂，土質不均。隧道與土層關系如圖2所示。

圖2 隧道水平壓縮穿越土層斷面示意

從圖2可看出該隧道穿越的土層中，60%的土層為⑤3-1層，30%為⑤1-1層，8%為⑤2層，2%為⑤3-2層。土層的顆粒分析對泥水處理系統來說至關重要，從土層顆粒分析（表1）可知土層中主要為小于0.05 mm的細微顆粒。穿越土層土中含水率：⑤1-1層為43.7%，⑤2層為28.3%，⑤3-1層為35.2%，⑤3-2層為33.3%。

表1 主要穿越土層平均顆粒分析表

3 泥水平衡盾構機泥水處理選擇

在選取泥水處理設備時，需要首先考慮有效性，然后考慮可靠性，再而考慮經濟性，通過對工程特點和地質條件的分析，選用適合的泥水處理設備進行泥水處理。

3.1 泥水指標

泥水按照功能區別可分為新漿、循環泥水、廢漿等。

新漿是采用膨潤土、水、CMC按照一定比例充分混合攪拌形成的均勻混合液，具有較低的比重和較高的黏度。

該工程盾構機正常推進過程中刀盤切削的黏土和循環泥水結合后的混合物是具有一定黏度且比重較高的泥水。在泥水循環過程中，由于土層顆粒較細，不能被處理的顆粒不斷增加，循環泥水比重不斷上升，黏度略有下降。

一方面，長距離隧道內攜帶渣土的泥水循環需要采用多臺接力泵接力輸送，接力泵在揚程一定的情況下，泥水比重越大，其能夠接力輸送的距離越短。所以循環泥水比重越大就需要采用越多的接力泵，造成設備成本增加。另一方面，泥水比重越高，其懸浮渣土的能力越強，配合較大的黏度可以減少對管道的沖擊。為保持泥水運送渣土的能力，比重也不能過低。

選擇優質膨潤土按照0.03∶1的比例可以制備比重1.02 g/ml、黏度40 s的優質新漿，用于初始推進和過程中的漿液參數調整；在推進中需要保持循環泥水的比重和調整池泥水比重保持在1.15 g/ml左右，黏度控制在20 s左右；當沉淀池中下層泥水比重≥1.3 g/ml時，必須做廢漿處理。

3.2 泥水池選用

泥水池按照功能可以分為制漿池、循環池、沉淀池、廢漿池，其中循環池和沉淀池是結構連通的。沉淀池中上層的泥水進入到循環池，而下層的廢漿用渣漿泵抽到廢漿池待處理。由于缺少詳細的計算，目前僅依據和同類實例工程經驗，因此該工程選擇沉淀池容量調整池容量。根據盾構直徑大小設置為120 m3、沉淀池容量為300 m3。為防止廢漿處理設備故障時泥水參數無法實現調整，另外設置了2個容量為150 m3鋼質備用漿桶。

3.3 泥水處理技術選用

土層中顆粒雖然主要是小于0.05 mm的細微顆粒，但仍然有10%左右大于0.05 mm顆粒的粉砂，這些顆粒在常規情況下會在沉淀池中沉底。若不采取處理措施，沉淀池每幾天就需要進行停工清底，這對工效的影響在長距離盾構中十分不利。因此，需要選用一套泥水分離設備，該分離設備的最大泥水處理流量是400 m3/h。

從盾構機排出的泥水渣土通過管道由渣漿泵泵送到地面泥水分離設備，首先流到黏土塊-泥水分離機和粗篩，篩上物直徑4～150 mm的大塊物料落到渣場；篩下物泥水進入一級旋流器，直徑0.074～4.000 mm 的顆粒物進入底流，落至一級分離2號振動篩篩分脫水后進入渣場；再篩分后泥水進入二級旋流器，直徑大于0.05 mm的顆粒物進入二級旋流器底流，落入二級脫水篩脫水；二級旋流器的溢流泥水進入沉淀——調漿系統，調整后再送回盾構機進行循環使用（圖3）。

圖3 泥水分離流程示意

3.4 泥水壓濾設備選用

為了達到保護生態環境的要求，廢漿處理采用壓濾工藝。顧名思義，壓濾就是將泥水中的泥和水通過高密度的濾布分離開，使泥水中的泥土達到可以外運處置的級別（其含水率不大于30%），使泥水中的水達到可以循環利用的級別。然而，泥水壓濾設備處理能力需要與盾構推進的額定推進量相適應。在換算上，由于自然土層含水率比壓濾土含水率高，所以在計算壓濾能力上，采用最終壓濾方量等同于開挖方量計算時，仍具有一點余量。

該工程每一環的出土量約為b×πD2/4=17.9 m3（環寬b為1.35 m，盾構直徑D為4.11 m），一環推進和拼裝總時間為1 h左右，壓濾需要處理90%的開挖土方量，所以需要考慮泥水壓濾量為16.11 m3/h。選用2臺壓濾機，單臺壓濾機處理能力為8 m3/h。

4 泥水平衡盾構機泥水處理應用

4.1 小直徑長距離泥水應用與完善

以上泥水處理設備在工程進展中得到了應用，并根據場地情況進行了合理布置。泥水系統流程中的泥水處理也完善至分離和壓濾2個環節（圖4）。

圖4 泥水處理系統完善流程示意

在盾構推進過程中，泥水系統運轉下出現了泥水比重上升較快的情況。在連續4天保持10環/d推進速度的情況下，人工檢測循環泥水比重發現泥水比重從1.17 g/ml持續上升到1.31 g/ml，同時排泥泵的負荷也上升較快。

分析其原因，主要是總漿體積增加過快造成的。壓濾機原定廢漿比重在1.3 g/ml左右進行壓濾，而總漿量的增加使壓濾機不得不在漿液比重只有1.25 g/ml左右時就對其進行壓濾，其單位時間內壓濾的效率降低了。在預選壓濾機時，考慮的是對應每一環管片推進時間的處理量，然而實際上一天中并非24 h均保持推進，泥水平衡盾構機在推進過程中還有交接班、設備維保、泥水管路接長等工作需要占用時間，所以目前的壓濾量仍然跟得上單日推進需求。

此時，采用的解決方案是轉變備用鋼質漿桶的作用，將其從防止壓濾機檢修而暫時充當調整泥水比重的廢漿池，轉為正常壓濾工作時調整泥水比重的廢漿池。沉淀池底部廢漿抽到鋼質漿桶后被壓濾，調整池中可以加入大量新漿或水來有效降低泥水比重。

4.2 小直徑長距離泥水處理管理

泥水指標的管理采用與盾構推進相同的“10+10+4”工作制，即2個班交接，每個班含上下班10 h，中間停頓進行設備維保4 h。在盾構推進過程中，泥水循環的持續工作至關重要，所以調整池的液位和泥漿比重需要人員實時監控。為了精簡泥水處理場地的管理流程，同時增加泥水管理效率，在場地上設置監控設備情況，在泥水池內設置水位計和攝像頭，并且設置網絡電話可以與地下盾構機駕駛室、中央監控室相互通話。在泥水指標上，采用人工檢測主控校核循環泥水的比重和黏度，采用自動密度計實時監控管路中的循環泥水比重，可以快速應對泥漿調整，防止水泥比重過高時推進對排泥接力泵的高負荷損傷。

經過以上調整，循環泥水比重可以在連續推進12環/d的推進速度下保持（1.15±0.02） g/ml，黏度（20±2） s左右的控制指標。

5 結語

隨著地下空間開發和盾構技術的不斷發展，主干管道采用小直徑盾構法施工是一大基礎設施建設的發展趨勢，尤其是適合富水地層長距離施工的泥水平衡盾構。該工程實例根據工程特點和地質特點，將泥水處理工藝和設備參數進行分析和選擇，并在實際應用中進行完善。該技術對以后軟土地層小直徑長距離泥水平衡盾構推廣有積極的指導意義。