提高泥水處理設備在黏土地層中篩分效率的研究

常曉丹

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

隨著我國大城市人口的迅速增長及城市規模的不斷擴大，大城市對于快捷交通的需求日益明顯。在近年來的城市快捷交通建設過程中，泥水盾構以其無需特殊土體改良、地質適應性強、開挖面穩定性高等優點成為國內越江跨河隧道建設的主要施工技術方法，而泥水處理是制約泥水盾構施工效率的關鍵因素。本文主要研究了粉質黏土地層中掘進泥水處理設備的系統處理效率，對不穩定地層中分離設備效率低的原因進行優化，并提出減少粉質黏土地層中控制分離設備預篩分步驟跑漿的技術措施。

1 工程概況

杭州地鐵8號線一期工程土建施工SG8-2標工程采用大直徑泥水平衡式盾構機掘進施工，區間為單洞雙線盾構隧道，線路全長3 464 m，主要穿越黏土地層及粉質黏土地層，根據顆粒分析可知，隧道斷面內地質細小顆粒較多，75μm以下的細小顆粒占比73%，見圖1。根據目前國內泥水處理設備的旋鈕器配置情況，針對該標段地層細小顆粒占比較高，在掘進過程中旋鈕器難以分離細小顆粒，即使通過二級旋鈕器處理后仍有大量細小顆粒進入泥漿中，這部分顆粒將隨著泥漿的循環同步增加，導致泥漿比重快速升高，對于盾構機的推進及排漿產生不利影響。

圖1 隧道斷面內顆粒大小分布試驗數據曲線的結果截圖

2 泥水處理設備簡介

杭州地鐵8號線一期工程土建施工SG8-2標工程配置的ZXSⅡ-2500/20泥水處理設備的處理能力為2 500 m3/h，共計分為2個單元，一級配置DN250旋流器，二級配置DN100旋流器。泥水處理設備主要由預篩分器單元、一級旋流除砂單元、二級旋流除泥單元、振動篩分脫水單元、儲漿槽沖砂單元等組成。表1為泥水處理設備主要參數表。

表1 泥水處理設備主要參數表

3 穿江黏土層掘進泥水處理難點

3.1 跑漿現象的產生

在同類型區間隧道施工經驗中發現：粉質黏土地層在掘進過程中存在的共性問題主要是分離設備發生跑漿現象，篩分效率低下，廢漿無法進行完全處理[1]。

導致該問題的原因主要包括：粉質黏土極易產生泥團糊住篩孔，導致篩分效率低下；環流過程中泥團在管路中堆積結塊，泥漿與渣土在管路中自發分段分布（見圖2），造成瞬時流量不穩定導致跑漿；當土層較軟時（N=6.4～13.3擊/30 cm），刀盤削切下的泥塊較小，相對于土層較硬時（N=17.6擊/30 cm）具有更大的比表面積以及更高的含水率，導致渣塊的帶漿能力較強，從而發生同一時間大量渣塊與大量泥漿共同沖出的現象。黏土地層對設備的制約作用，導致設備的篩分效率受限，反映在宏觀上即是分離設備跑漿。

圖2 環流渣漿分離現象

3.2 跑漿對泥漿處理的影響

為較為直觀地分析跑漿的程度，需選取合適的參數量化。以泥水處理中心估算的出渣情況變化為參照進行對比，理論方量按盾構機掘進一環所推進空間的體積近似值進行計算，其公式為

式中：D為盾構機直徑，m；L為管片標準環寬度，m。

故理論方量近似取值217 m3，合計方量與理論方量的差值可以直觀反映設備跑漿的程度。為直觀比較同一區間內、同一設備在不同地層間的出渣情況變化，現取18～21環（砂質粉土與淤泥質粉質黏土為主）、128～131環（粉質黏土為主）、1 660～1 663環（砂質粉土為主）設備出渣情況進行對比，見表2。

表2 設備出渣情況對比表

在同一區間、同一臺盾構機、同一套泥水處理設備在不同地質條件下的出渣方量對比見圖3。

由圖3可以看出：在盾構機推進到由粉質黏土主導的地層后，泥水處理設備已經無法達到設計中穩定可控的泥水分離效果，大量泥漿未能經過分離設備的正常篩分流程，而是直接由預篩設備以跑漿（見圖4）形式進入渣場（見圖5），導致渣場產生非常嚴重的出渣困難情況。

圖3 不同環號在同一區間的不同區間段出渣方量對比

圖4 預篩設備跑漿

圖5 跑漿外漫進入渣場

由于渣場出渣困難，且渣場設計存放量有一定限度（約30環），在鏟車及挖機倒運的基礎上，仍處于越積越多的狀況。當渣土累積到一定的程度后，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。

3.3 跑漿問題影響因素及處理方案

3.3.1 增大篩孔實用面積

當進入全斷面粉質黏土地層時，沙礫含量少，每掘進一環，脫水篩的處理能力有極大富余，在此情況下嘗試通過擴大上下層篩板篩縫的面積達到減少跑漿量的效果。在100～104環掘進過程中，將一側上層篩板篩縫由6 mm擴大到15 mm，下層篩板篩縫由3 mm擴大到6 mm，背篩篩板篩縫由3 mm擴大到5 mm，最前一排的二層篩板做去除處理，經過預篩上層篩板及二層篩板處理不及時的泥漿直接由去除篩板處流入預篩儲漿槽[2]；相對應的另一側篩板保持不變，將兩側篩板在掘進過程中的出渣情況做統計，不同篩孔下篩板出渣方量對比見圖6。

對比相同環號內出渣方量的差異，可以看出進行大尺寸處理的系列篩板一側出渣方量大于原篩板，這一差異主要來源于篩孔實用面積的改變。

3.3.2 泥漿指標控制

黏土地層中泥漿指標變動較大，需要嚴格控制的泥漿指標主要是泥漿的黏度及比重。泥漿的黏度對泥漿的攜渣性能及泥膜的形成有較大的影響，本項目中對跑漿現象有所控制的黏度在18～26 s之間。其中，經過在實際情況中逐漸調整，本項目中對跑漿現象有較好控制作用的比重為1.15～1.25之間。泥漿的黏度、比重調整對出渣情況的影響見表3，調整掘進前泥漿的黏度及比重為合適且較低的值后，合計出渣方量與理論方量之差有所減少，跑漿得到了一定改善，但問題仍然較大。

表3 泥漿的黏度、比重調整對出渣情況的影響

3.3.3 給料均勻

原進料口（料斗）設計用于減速從分配器管道出來的渣料、泥漿而設計的片狀固定減速板，在實際使用中極易被來料中的黏泥塊糊死，造成管路堵塞、進料口消能不充分。此設計在實際使用過程中無法發揮效用，經分析研究后，對分離設備進料口進行了改造。圖7為原進料口設計；圖8為進料口內部改造示意圖。

圖7 原進料口設計

圖8 進料口內部改造示意圖

1）擴大進料口，增加進漿與進料口的接觸面大小，增加來料在進料口內的碰撞時間，增強能量削減效果。

2）在進料箱中部懸掛鐵鏈，通過鐵鏈減速來料，這樣的設計有別于固定減速帶。鐵鏈一端鉸接、另一端自由懸掛，從分配器出來的黏泥塊直接撞擊至鐵鏈上，先經過減速，再從進料口中自由落入篩面或是反沖至背篩。

3）在原有基礎上，增設正面導流板及側面導流板。正面導流板的增設不但能起到緩沖來料、減小來料能量的作用，同時又將能量進行充分削減的泥渣混合物通過導流引導至背篩篩面處。側面導流板的作用主要是防止過多的泥漿從側面分配至篩板篩面兩側，同時也將經過導流的這部分泥漿通過引導輸送至背篩表面[3]。

3.3.4 結合土質控制掘進參數

杭州地鐵8號線一期工程土建施工SG8-2標工程，當工程地質處于較軟黏土層時（N=6.4～13.3擊/30 cm），刀盤削切下的泥塊較小，具有較大的比表面積，由于土質較軟且含水率較高，容易在管路中、篩板上結糊，控制泥塊大小將對掘進產生有利影響。通過實踐，控制單一變量對跑漿現象具有較好改善的辦法是降低刀盤轉速及攪拌器轉速，本項目中下調25%刀盤轉速及攪拌器轉速后，出渣量明顯增大，帶漿現象有明顯好轉，針對這一現象，進入全斷面粉質黏土地層后，通過改變掘進參數，同時對出渣情況進行記錄，結果見表4。

表4 刀盤轉速、攪拌器轉速參數變化對出渣情況的影響

由表4可見，在刀盤轉速一定時，降低攪拌器轉速能增大泥水循環中攜渣的直徑，對于粉質黏土地層，能間接控制跑漿現象；而攪拌器轉速一定時，降低一定刀盤轉速也能略微控制跑漿現象。刀盤轉速、攪拌器轉速對控制泥水環流中渣塊的大小有一定效果，較大的渣塊具有較小的比表面積，相對于較小的渣塊，發生糊篩板、結團堵管的現象更少發生，從而對跑漿現象具有一定的控制效果。

設備經過以上設計方案改造后，跑漿現象有明顯的改觀。一般情況下，能滿足進排漿流量的差值為300 m3/h，掘進速率保持在30～35 mm/min，保持該速率出渣狀況連續穩定，則掘進一環的時間約為1 h，每環的輔助時間約為1 h，綜合連接泥漿管路、設備保養、處理故障等狀況的時間，基本可以保證單日掘進16 m的進度，總體效果穩定可控。

4 結束語

提高跨江隧道黏土地層掘進泥水處理設備的系統處理效率，主要是提高振動篩設備的篩分效率。實踐證明，制約黏土地層篩分效率提升的主要因素是黏土塊經過篩板面層導致的糊板現象以及黏土結團導致的環流渣漿分離現象，主要采取了以下4種措施。

1）增大篩子間尺寸，大型振動篩增加了振動力和振幅，使篩板對物料的沖擊應力和剪切應力增大以克服顆粒之間的黏著力，也減少了篩面的堵塞，使被篩物料快速完成松散、分層和透篩。

2）增加篩分面積、減少單位篩面上的物料量可改善篩分效率。當用篩子做分級設備時，由于細粒級多，應保證有足夠篩分面積，且篩面的長寬保證出料不受到阻礙，使得分離設備的篩分效果充分發揮。

3）控制物料在篩面上的流動速度，經進料口將物料充分地減速及分配，根據環境合理設置減速系統及導流裝置。

4）根據地質條件及出渣狀況，選擇合理的掘進參數。通過選用與分離設備處理能力相匹配的掘進參數，控制出渣的大小，提升環流的順暢度，盡量減少環流堵倉、渣土堵管的現象，環流手法的控制對分離設備出渣的影響不容忽視。