粉質粘土地層泥漿處理技術的應用分析

甘虎GAN Hu；肖桂華XIAO Gui-hua；向代剛XIANG Dai-gang

（三川德青工程機械有限公司，宜昌 443000）

0 引言

目前，在我國的泥水盾構施工中，其穿越的地層以砂質的黏土地層為主[1-3]，而在杭州地鐵8 號線SG8-2 項目，80%隧道區間都是粉質黏土地層，在國內外都少有報道，文獻[4]側重于泥漿環流系統的改造；文獻[5]側重于盾構機刀盤的刀具進行重新選型和配置；文獻[6]側重于濃縮過程和壓濾過程的設計方案；過程中粉質黏土地層發生“自造漿效應”。黏土微粒崩解到泥漿中，漿液比重、粘度迅速上升，泥漿的可塑性較強，在環流系統輸送過程中容易成團，隨之而來的刀盤結泥餅、堵倉、堵管、爆管、爆泵、泥水分離設備分離效率下降、廢漿量增加等問題使得盾構機的掘進效率急劇下降，嚴重影響盾構施工的正常推進。采用傳統的泥水處理技術，泥水分離設備效率低下，易跑漿，造成渣土外運困難，廢漿量大，環流系統處于高濃度運行，對盾構施工帶來極大的安全風險。

1 杭州地鐵8 號線過江隧道泥水處理的重難點分析

1.1 工程背景

杭州地鐵8 號線一期工程位于浙江省杭州市東部，為連接地鐵1 號線與大江東區域的重要地鐵線路。文橋區間風井～橋頭堡站區間采用盾構法施工，起終點里程為右DK2＋203.771～右DK5＋669.920，長3466.149m。本區間盾構外徑為11.3m，內徑為10.3m，管片厚度為0.5m，環寬2m，采用通用環，錯縫拼裝。

穿越段隧道橫斷面代表地層占比如圖1 所示。

圖1 隧道橫斷面代表地層占比餅狀圖

該隧道掘進斷面顯示80%以上地質為粉質粘土地層，粉質粘土一般分布在淤泥質粉質黏土層下，主要由粉質黏土和黏土組成，局部夾砂質粉土，呈灰色、灰褐色，軟塑為主，局部流塑，含大量植物碎屑。

在杭州地鐵8 號線SG8-2 錢塘江隧道每環2m 的盾構機掘進中，其推進速度平均20mm/min，進漿流量約2200m3/h，出漿流量約2500m3/h，干渣量約387.71m3/h。因此，該泥漿處理系統的泥漿處理能力必須滿足2000-2500m3/h 的條件，其干渣量的篩分能力必須滿足630t/h。根據不同的地層要求，蘇氏漏氏黏度（泥漿指標）控制在20～25s 左右，密度（泥漿指標）控制在1.05～1.25g/cm3左右，含砂率（泥漿指標）在3%以下[4]。

1.2 泥水處理重難點分析

①杭州地鐵8 號線SG8-2 隧道地處錢塘江風景名勝區，周邊環境控制要求高，隧道所穿越的地層主要是黏土地層。該地層黏粒含量達到90%以上，自造漿能力極強，施工時會產生大量的廢棄泥漿，粗略計算盾構段施工過程中產生的廢漿量達到54 萬m3，SG8-2 標段屬于杭州亞運會的控制性工程，廢漿池的庫容無法滿足如此大量的泥漿存儲，如果泥漿處理不好，不僅會污染周邊環境，而且會直接影響工程進度、威脅工程安全等一系列問題。

②細微顆粒占比較大，泥水設備分離效率降低，泥漿指標惡化速度加快，調漿能力為1573m3，調漿能力不足，廢漿存儲能力為2230m3，廢漿存儲壓力大，如圖2 所示。

圖2 制調漿漿池布置圖

③泥水分離設備預篩跑漿嚴重，導致渣土外運困難。前期因為預篩跑漿導致渣土不能滿足外運條件，施工單位調整了盾構機參數，降低將盾構機排泥量調整為1700～1900m3/h 之間，掘進速度在30～35mm/min 之間，導致整個環流系統攜渣能力差，泥漿濃度過高，環流系統中的泥漿可塑性較強，成團率高，最大泥團長400mm，如圖3 所示，導致堵管、堵倉現象嚴重，造成“噴涌”現象，進入預篩中的瞬時流量成倍增加，導致預篩跑漿。粉質黏土地層泥漿粘度較高，容易糊住篩面，使預篩徹底喪失分級功能，渣場設計存放量有一定限度（約30 環），在鏟車及挖掘機倒運的基礎上，仍處于越積越多的狀況，當渣土累計到一定程度后，分離設備下方已無足夠空間為連續掘進提供條件，嚴重耽誤盾構施工掘進效率。

圖3 大泥團示意圖

④沉淀池淤積嚴重，循環泥漿池容積減少，泥漿的比重和粘度會隨著盾構機的推進而不斷上升，會導致盾構機扭矩過大而降低盾構機的推進效率，這個時候必須通過棄漿的方式來調整漿液指標進而滿足盾構機順利高效的掘進條件。待壓泥漿池淤積嚴重，待壓泥漿比重過高（超過1.5g/cm3），導致壓濾機處理能力不足（見表1）。

表1 每環泥漿參數記錄表

2 泥漿處理系統及環流系統改造

2.1 結合地質條件控制盾構機的掘進參數

當地質處于較軟黏土層時（N=6.4～13.3 擊/30cm），刀盤削切下的泥塊較小，具有較大的比表面積，由于土質較軟且可塑性較強，易于堵塞排泥管路，因為環流系統的泥漿粘度較高，容易糊篩，所以控制泥團大小將對正常掘進產生有利影響。本工程中下調25%刀盤轉速及攪拌器速度后，帶漿現象有明顯好轉。進入全斷面粉質黏土地層后，出渣情況對比記錄見表2。

表2 刀盤轉速、攪拌參數變化對出渣情況的影響

2.2 增加刮泥裝置（如圖4）

圖4 刮泥機圖片

該裝置的工作原理是將敞開的槽體作為盾構機排漿的接受載體，載體縫隙為50mm，能將50mm 以上的大塊泥團或石塊與泥漿分離，刮泥機兩側設有用于傳動的鏈條，刮板機下方設有可轉動的托輪機構，為解決傳統的鏈式傳動裝置[6]因鏈節與鏈節相互磨損導致緊繃的鏈條拉長，影響刮泥機正常運行。刮泥機即能降低出渣的含水率，還能起到消能的作用，能使泥漿順暢回流至預篩分模塊單元，減少“噴涌”現象的產生，降低泥漿在篩面上的流速，保證泥漿與篩面的接觸時間是發揮預篩分級功能的必要條件。

2.3 預篩篩面加裝沖洗裝置

為應對粉質黏土地層泥漿糊篩面后導致跑漿問題。在篩面上布置了4 根DN50 的鍍鋅鋼管，在每根鋼管上分布有12 個交叉布置的2.8mm 的噴頭，該裝置的添加，保證了預篩篩面基本上沒有糊篩現象產生，跑漿現象得到大大的改善。

圖5 預篩沖洗裝置示意圖

2.4 優化泥水分離設備篩分效率

將預篩上層篩縫由原來的6mm 調整為15mm，下層篩縫由原來的3mm 調整為5mm，在該種地層形成梯次分級，進一步提高固體物的分級效率，釋放一部分5mm 以下的固體物給到一級旋流器，可以進一步提高一級旋流器額分離效率，通過改造后，整個分離設備的分離效率由原來的50%提升到80%。

2.5 定期清理沉淀池和廢漿池，提高廢漿處理能力和效率，保障盾構機正常掘進

沉淀池作為泥水分離設備的補充單元，定期清理沉淀池和廢漿池也是為了降低泥漿指標惡化的速度，增大泥漿的存儲容積。

2.6 改用清水進行調漿

壓濾機濾液水因添加助濾劑的原因產生的是強堿性水，壓濾機濾液水呈強堿性，在強堿性環境中，泥漿中的OH-離子增多，從而引起粘土顆粒陽離子交換吸附的容量增大，使粘土顆粒之間容易形成網狀結構，引起泥漿粘度和切力的提高。

2.7 優化壓濾機漿液改良工藝，提高廢漿處理效率

將廢漿與助濾劑的混合改良過程與待壓過程分開，保證助濾劑與泥漿的充分反應時間，進一步的提高壓濾機的廢漿處理效率，將壓濾機的進料時間由原來的3600s調整為2600s，隔膜壓榨時間由原來的1200s 調整為600s（見表3）。

表3 600 平壓濾機理論和實際耗漿量對比表

按比重1.4g/cm3，20～21m3/h，6 臺600 平壓濾機一天可處理泥漿2400～2520m3。該項目一環的廢漿量為300m3左右，通過優化壓濾機漿液改良工藝，可滿足每天8 環的掘進效率。針對全斷面粉質黏土地層這一行業內的難題必須通過綜合性的解決方案，而不是某一個點上解決問題，從盾構機的環流系統到泥漿處理系統的前處理、預篩分、調漿和廢漿處理等各個子系統要密切配合，才能高效的應對盾構機在粉質黏土地層掘進時的各種問題。

3 結論

要解決全斷面粉質黏土地層這一行業內的難題必須通過綜合性的解決方案，而不是某一個點上解決問題。實踐證明，通過調整刀盤轉速及攪拌器速度、增加刮泥裝置，優化泥水分離設備篩分效率、定期清理沉淀池、將壓濾濾液水調漿改成清水調漿、優化壓濾機漿液改良工藝等一系列解決方案，有效控制泥水盾構長距離粉質黏土地層掘進的泥漿指標，整個環流系統的惡性循環運行狀態得到極大的改善，設備故障率明顯降低，盾構施工效率顯著提高。盾構機掘進速度由最初的3 環/天提高到平均7～8 環/天，最快9 環/天。該綜合性解決方案解決了泥水盾構機長距離粉質黏土地層掘進泥漿處理的技術難題，大大的提高了盾構施工效率，為行業后續同類地質施工提供很好的借鑒。采用適用性更強的泥漿綜合處理技術和建立科學完善的泥漿管理制度是未來盾構工程高效順利施工的發展趨勢。