泥水平衡盾構(gòu)穿越復(fù)合地層泥漿處理技術(shù)研究

邢宏振

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100000）

1 概況

1.1 工程概況

我項目泥水平衡盾構(gòu)施工標(biāo)段位于南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)，起止里程YDK14+338.079～YDK17+170.000，長度2831.921m，需穿越三條水道，分別為中窖涌水道（河面寬26m，穿越長度約64m，隧道埋深約21m），蕉門水道（河面寬約330m，穿越長度約505m，隧道埋深約16m），細瀝水道（河面寬約200m，穿越長度約471m，隧道埋深約17m），同時，沿線穿越耕地、苗圃地、居民住宅、簡易作坊、水塘、既有道路等。

1.2 區(qū)間地質(zhì)情況

盾構(gòu)區(qū)間從上至下地層分別為：素填土（1）、淤泥（2-1A）、淤泥質(zhì)土（2-1B）、淤泥質(zhì)粉細砂（2-2）、淤泥質(zhì)中粗砂（2-3）、粉細砂（3-1）、中粗砂（3-2）、礫砂（3-3）、粉質(zhì)黏土（4N-2），礫質(zhì)黏性土（5H-2）、全風(fēng)化花崗巖（6H）、強風(fēng)化花崗巖（7H）。

主要穿越地層：淤泥質(zhì)中粗砂（2-3）、淤泥質(zhì)土（2-1B）、中粗砂（3-2）、粉細砂（3-1）、礫砂（3-3）、粉質(zhì)黏土（4N-2），礫質(zhì)黏性土（5H-2）、全風(fēng)化花崗巖（6H）、強風(fēng)化花崗巖（7H）等復(fù)合地層。

1.3 水文條件

盾構(gòu)區(qū)間地處西、北江三角洲咸地下水區(qū)的中部、獅子洋水系附近，沿線地表水系豐富、水網(wǎng)較為密布。地下水主要為沖積砂層透水性強的中等咸地下水，水位埋深一般為1～3m，與地表水具有直接的補給、排泄關(guān)系。

2 泥漿處理系統(tǒng)要求

掘進過程中，渣土被刀盤切削成渣漿，盾構(gòu)機的泥漿環(huán)流系統(tǒng)將渣漿泵送至泥漿處理系統(tǒng)的緩沖箱后，進行一系列的物理分離，篩分后合格泥漿通過進漿中繼泵站輸送至盾構(gòu)機循環(huán)利用、不合格泥漿進行棄漿處理。按照項目工籌，該區(qū)間的2臺ZTS8800泥水平衡盾構(gòu)機的日掘進最大量為10環(huán)/臺，每臺盾構(gòu)掘進速度為每分鐘50mm，盾構(gòu)機配套的泥漿環(huán)流系統(tǒng)的主要參數(shù)：

（1）管路直徑：DN300mm。

（2）進泥泵參數(shù)及數(shù)量：10/8AH，380kW，1臺。

（3）排泥泵參數(shù)及數(shù)量：10/8GH，435kW，1臺。

（4）泥水倉沖刷泵參數(shù)：8/6AH，160kW。

（5）泥水倉沖刷泵額定流量：400m3/h。

（6）額定進泥流量：800m3/h。

（7）額定排泥流量：900m3/h。

（8）密度測量系統(tǒng)型式，具體安裝位置：射線密度計，拖車管道上。

（9）密度測量系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)量：測量密度范圍1.0～1.6t/m3，2臺。

結(jié)合環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)，每臺盾構(gòu)機配套的泥漿處理系統(tǒng)的要求：

（1）泥漿處理量1000m3/h，一級旋流器切割點74um，二級旋流器切割點20um，分離效率20um顆粒85%，渣土含水量＜30%。

（2）制漿能力160m3/h，調(diào)漿能力1000m3/h。

（3）排泥密度最大為1.40t/m3、平均值為1.20t/m3，經(jīng)設(shè)備旋流分離后其泥漿比重的最大值為1.2t/m3、平均值為1.1t/m3。

（4）棄漿處理量（濾餅含水率＜25%，濾液水固含率＜ 2g/L）500m3/h。

3 泥漿處理系統(tǒng)的選型及其設(shè)計

3.1 泥漿處理系統(tǒng)

泥水分離系統(tǒng)和棄漿處理系統(tǒng)組成，通過公開招標(biāo)，采用2套KMAZ1000泥漿處理系統(tǒng)，其配置為2套MTP型泥漿分離系統(tǒng)、1套ZTJ-160型制調(diào)漿系統(tǒng)和1套APN18SL80M壓濾設(shè)備。

3.2 泥水分離系統(tǒng)

盾構(gòu)機循環(huán)系統(tǒng)排出的渣漿到達泥水站頂層的緩沖箱，擴大路徑減緩渣漿流速，散流至距緩沖箱下方30cm的粘土塊刮板機，刮板機將粘土塊、碎石等2cm及以上的物料篩分到渣土池，2cm以下的物料流入二層的預(yù)篩。

（1）預(yù)篩是可調(diào)傾斜角度的單層的平行出渣方向條狀或網(wǎng)狀的特制金屬篩網(wǎng)，采用高頻振動電機小幅度地高頻率振動篩網(wǎng)顆粒，將4mm及以上的物料篩分到渣土池，4mm以下的物料流入一層的儲漿槽，待下一環(huán)節(jié)的一級旋流和一級振動篩分。

（2）一級旋流分離系統(tǒng)由2個HC750型鋼制外殼內(nèi)襯耐磨橡膠的旋流器、1個可調(diào)傾斜角度的特制橡膠類的單層高頻振動篩和1臺1000m3/h的渣漿泵等組成。渣漿泵將經(jīng)預(yù)篩后的物料高速泵送至三層的一級旋流器作分級處置，顆粒大于74um的物料經(jīng)一級旋流器底流落入一級振動篩、再經(jīng)高頻振動脫水后落至渣土池，顆粒小于74um的物料經(jīng)一級旋流器溢流一層的儲漿槽，待下一個環(huán)節(jié)的二級旋流和二級振動篩分。

（3）二級旋流分離系統(tǒng)由32個HC150型聚氨酯的旋流器、一個可調(diào)傾斜角度的超耐磨PU篩網(wǎng) 的單層高頻振動篩和1臺1000m3/h的渣漿泵等組成。渣漿泵將經(jīng)一級旋流器溢流后物料高速泵送至三層的二級旋流器作分級處置，顆粒大于20um的物料經(jīng)二級旋流器底流落入二級振動篩、再經(jīng)高頻振動脫水后落至渣土池，顆粒小于20um的物料經(jīng)二級旋流器溢流調(diào)整池，待砂層掘進時重復(fù)利用。

（4）經(jīng)黏土塊刮板機、一級、二級脫水篩后落至渣池的廢渣，含水率較低、含固率較高，滿足汽車外運條件。

圖1

3.3 制調(diào)漿系統(tǒng)進行調(diào)整和補充盾構(gòu)掘進所需的合格漿液，配合盾構(gòu)機正常掘進

該系統(tǒng)由2個78m3濃縮池、2個78m3調(diào)整池、1個78m3棄漿池、1個50m3制漿池、1個50m3藥劑池、1個113m3儲漿池和1個85m3的水池組成，每個池配相應(yīng)的制調(diào)漿攪拌器，要求制漿池攪拌器52r/min，化學(xué)池攪拌器52r/min，調(diào)整池攪拌器35r/min，CMC制備量10m3/h，化學(xué)藥劑新漿密度1.10g/cm3，膨潤土新漿制備量160m3/h，膨潤土新漿比重1.10g/cm3、黏度18～38s，pH值7～9。為確保盾構(gòu)機環(huán)流系統(tǒng)具有足夠量的合格漿液，調(diào)整池安裝有液位計和比重檢測計，及時調(diào)整進漿液體的比重，確保盾構(gòu)掌子面的穩(wěn)定，同時，減少漿液對中繼泵站、泥漿管道的磨損。在區(qū)間黏土、淤泥地層、全風(fēng)化巖層等掘進時，經(jīng)泥水處理系統(tǒng)的二級旋流器溢流的漿液的黏度較高，有重復(fù)利用的價值，但此過程溢流漿液數(shù)量隨之增多，滿足盾構(gòu)掘進的同時需大量棄漿，因此，暫時儲存濃縮池可為后期砂層備用、減少制漿量，節(jié)約經(jīng)濟成本。

3.4 棄漿處理系統(tǒng)可采用廂式壓濾機或離心機或帶式壓濾機中單種設(shè)備或多種設(shè)備組合

（1）廂式壓濾機是添加棄漿、壓濾棄漿的二個環(huán)節(jié)不能同時進行的間斷性作業(yè)設(shè)備、工作效率較低，其添加劑為生石灰，濾水偏堿性、pH 10～12、可重復(fù)利用，壓濾后的濾餅含水率較低、滿足汽車外運條件。離心機是連續(xù)性作業(yè)設(shè)備、工作效率較高，其添加劑是絮凝劑，其濾水中性、pH 8～9、但含有絮凝劑、無法重復(fù)利用，處理后的物料含水率較高、外運成本較高。帶式壓濾機均是連續(xù)性作業(yè)設(shè)備、工作效率較高，其添加劑是絮凝劑，其濾水渾濁、pH8～9，但含有絮凝劑，無法重復(fù)利用，處理后的物料含水率一般、滿足汽車外運條件。

（2）按項目前期計劃的每天棄漿量為600m3，中標(biāo)單位配備1個φ10×4m搪瓷棄漿池和1套APN18SL80M壓濾機，該型號的壓濾機每小時處理50m3棄漿，每天處理1000m3，滿足棄漿要求。

4 泥漿處理系統(tǒng)的管理及分析

該泥漿處理系統(tǒng)在初中期地層配合盾構(gòu)推進良好、棄漿量正常，中后期在砂質(zhì)黏性土、粉細砂的地層階段篩分效果不理想，廢漿量急增且含砂量較高，為保證盾構(gòu)正常推進，增加罐車外運棄漿和3臺XYY800-2200型離心機，增大項目成本。

棄漿量增大可能存在的原因分析：

（1）初期對盾構(gòu)機性能指標(biāo)比較保守，設(shè)計最大推進速度為50mm/min，實際最大推進速度70mm/min。

（2）對初勘地層砂質(zhì)黏性土、粉細砂等地層掘進經(jīng)驗較少，預(yù)計該階段的泥漿處理效果與實際存在較大偏差。

（3）一級旋流器和二級旋流器可能存在磨損量超標(biāo)后仍在運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致旋流回漿效果不理想，目前暫無試驗數(shù)據(jù)支撐。

（4）對壓濾設(shè)備不夠深入理解，前期對廢漿處理功效、完好率調(diào)查太過于樂觀，設(shè)計配套的壓濾設(shè)備數(shù)量不足、投放添加劑等加快廢漿處理措施不足。例如，投標(biāo)資料壓濾機單次循環(huán)時間為20min，實際壓濾機單次循環(huán)的添加漿液、壓縮時間為20min、工人停復(fù)機和鏟除濾布未掉泥餅的時間約20～30min，實際單次循環(huán)時間為40～50min。因壓濾機濾布更換不及時，單次棄漿量未達到50m3。

（5）現(xiàn)場管理存在紕漏，監(jiān)督維保不到位、不及時；出現(xiàn)問題時，沒有將問題由大化小、沒有與出租方溝通徹底、沒有拿出有效方案解決問題。