大直徑泥水盾構施工泥水處理系統配置及應用

徐光偉/XU Guangwei

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450048）

泥水平衡盾構施工常用的泥水處理方法有沉淀池法和機械分離法。在泥水沉淀池處理方法中，從盾構排泥管泵送出含有大粒徑渣土、密度大的泥水，經過迷宮型泥漿沉淀池沉淀后，將沉淀后的泥漿挖出晾曬。由于盾構泥漿使用膨潤土或高分子材料制作，循環泥漿黏度和懸浮作用較大，泥水中的渣土沉淀速度較慢，需要通過添加化學絮凝劑提高分離效率，同時需要大面積場地來建造大規模的泥漿沉淀池和晾曬場，如果在施工場地受限的情況下，采用這種傳統工藝的泥水分離方法無法滿足施工進度要求和環保要求。目前機械分離法處理方案在國內外泥水盾構施工中使用較多，泥水通過預分篩／滾動篩、旋流器、脫水篩等進行分離，分離效果好，占地少。

1 泥水分離站簡介

泥水分離站的主要任務是充分利用泥漿循環，減少廢漿的排放量，其難點是保留泥漿中有效顆粒且去除泥漿中的其他有害物質。

盾構排漿泵通過管路將攜帶開挖渣土的泥漿從開挖倉輸送到泥水分離系統中，高流量的泥漿經過減壓裝置到滾動篩或者振動預分篩，進行第一步篩分，把3mm 以上粒徑的渣土從泥漿中分離出來。通過篩網的泥漿進行第二步粗顆粒旋流分離階段，泥水分離站的一級泥漿泵將泥漿抽到粗顆粒旋流器中，粗顆粒旋流分離器上溢流被收集至脫水篩下方的集漿箱中，然后二級泥漿泵在第三步細顆粒旋流分離階段將其抽送到細顆粒旋流器中，細顆粒旋流分離器是最后一個分離階段，從泥漿中分離出20～25μm 以上顆粒。兩個旋流分離階段的底流流入脫水篩，使分離出的含有較大顆粒的泥漿進一步脫水干化，經脫水篩處理的液體也被收集在脫水篩下面的集漿箱中，并通過二級泥漿泵再次被輸送至細顆粒旋流器中，通過細顆粒旋流器上溢排出的泥漿重新回到盾構泥水循環中。

經泥水分離站處理后的泥漿中細微顆粒逐漸增加，如果不及時置換，將引起泥漿的比重、含沙量和黏度上升，直接影響泥膜質量、攜渣能力、環流系統的泵送能力，進而影響到掌子面穩定、盾構的掘進效率。當泥漿比重、黏度、含沙量等指標達到某一極限值時，要將一部分高比重泥漿置換出來，并用新鮮的膨潤土懸浮液代替。高比重的泥漿不能進行再次使用，通過壓濾機或離心機進行進一步干化處理。

2 泥水分離站選型

本工程項目采用直徑15.55m泥水平衡盾構，區間長2 780m，盾構隧道穿越的主要典型地層有粉細砂、粉砂、粉質黏土等，上覆地層主要有填土層、砂質粉土層和灰色淤泥質黏土層。

工程沿線穿越河流，受潮位影響較為明顯，河道周邊地層的粉砂滲透性較好，是地表水和地下水良好的聯絡通道。沿線地下水主要有賦存淺部土層中的潛水、微承壓水及承壓水。

針對本工程土層顆粒細、分離困難、處理量大等特點，相應的泥水處理系統應滿足大直徑盾構施工要求的處理量、處理效果等。

2.1 盾構進排漿流量計算

為滿足15m 級盾構最大掘進速度50mm／min的要求，盾構進排漿流量計算公式如下

其中，盾構最大推進速度v取5cm／min，原狀土比重ρ0約1.83～2.0t／m3，進漿比重ρ1約1.1～1.2t／m3，排漿比重ρ2約1.3～1.5t／m3，開挖直徑D為15.55m，綜合考慮，盾構最大排漿流量取3 000m3／h。

2.2 進排漿管道直徑計算

根據液體的流量和流速的大小，可按下式計算管路的直徑

其中，Q為流量（L／min）；V為流速（m／s）。

按V=4m／s，綜合考慮，盾構進、排漿管直徑取d排=d進=500mm。

2.3 泥水分離站主要配置

本項目泥水分離站共4 層，其中第一層為鋼筋混凝土基礎及整合在此基礎內的清水池；第二層為振動篩分單元；第三層為一二級旋流處理單元及中控室，第四層為滾動篩系統，與地面的調漿池形成功能完善的泥水分離系統。泥水分離站進行了根據盾構推進需求進行了針對性設計，泥漿處理能力3 000m3／h，主要參數如表1 所示。

表1 泥水分離站主要參數

2.3.1 預分系統

預分系統是泥水分離的第一步分離階段，一般有振動預分篩或者滾動預分篩，把由排泥管排出的泥漿粒徑為3mm 以上的渣土等進行首次分離。

振動預分篩有兩層篩板，振幅是衡量篩分能力的重要指標，由激振頻率、激振力大小和預分篩重量決定。振動電機是激振源，4 臺振動電機作同步反向運動，使預分篩產生直線振動，通過調整偏心塊的夾角可實現激振力的變化；同時也可以通過調節預分篩的傾斜度來應對篩板出渣不暢或者渣料含水率偏高的情況。

滾動預分篩與泥水環路排漿管道相連，滾筒篩通過兩個摩擦輪驅動裝置滾動，隨著不斷的旋轉運動，渣土發生松動、旋轉和分離，大粒徑的渣土通過滾動篩內安裝的卸料排出。本項目配備2 臺直徑為?2.4m 滾動篩，單臺泥漿處理能力達到1 500m3／h，高壓噴淋系統連續清洗和疏通滾動篩篩網，在滾動篩周圍設工作平臺，用來保證不會將篩網堵塞，棄土通過溜槽流入渣土場。

2.3.2 旋流分離系統

1）旋流進漿泵 旋流器本身是沒有動力的，要靠泥漿泵提供一定的壓力，使泥漿高速進入旋流器。旋流進漿泵是旋流器工作的動力來源，其工作壓力和流量直接影響旋流器的處理性能，同時也是保證整個分離系統正常工作關鍵，所以進漿泵選型確保其可靠性。

2）旋流分離器 通過旋流進漿泵提供的高壓、高速的泥漿進入旋流器進漿口，在旋流體內產生高速旋轉流場，泥漿中一定范圍的大粒徑顆粒物質沿軸向和徑向同時向下和向外運動，然后沿著旋流體內壁向下從旋流器底流口排出，形成了一個外旋流場；小粒徑的顆粒物質在中心軸線方向運動，并在軸線中心形成向上運動的外旋流場，從上溢口排出，這樣就達到了大、小粒徑的物質分離的目的。

根據盾構隧道不同地質情況的漿液特性來選擇適當的旋流器尺寸和設計旋流器進漿口、旋流體和上溢口等。

圖1 旋流分離器

進漿口的大小決定著泥漿的入口速度，入口形式采用漸開線形。在進漿口形成連續、平滑的流動漿液，保證泥漿到達旋流器圓柱壁接觸的切向點之前具有確定的粒子方向。這種設計最大限度地減少了湍流，并減少了大粒子由于湍流或彈跳作用而使旋流器發生失效的可能。

在給定漿液體積下，旋流體的大小對壓降的影響最大。一般來說，旋流體越大，切口越粗，從而處理的固體粒徑越大。相反，一個較小的旋流體意味著更細、更低的固體粒徑，但過小的尺寸會減少處理能力，導致處理性能較差。對于不同的漿液，旋流體的大小和壓降相互依賴，要在旋流體與處理能力之間尋求最佳平衡。

2.3.3 旋流器真空調節單元

粗、細顆粒旋流器底流口均配備橡膠真空袋，并與上溢流真空調節閥一起配合達到所需的性能。在進漿濃度波動的情況下，通過真空袋、真空調節閥的調整，可獲得較高的底流濃度和較低的溢流濃度，其最高底流濃度可達85%。

2.3.4 脫水篩

粗、細顆粒旋流器底流進入脫水篩后段，為確保細渣料的脫水效果，落渣處裝0.5mm 篩板，出渣處裝0.3mm 篩板，同時根據掘進地層不同，可更換不同規格篩板以達到較好的處理效果，并配置一個可調節篩板角度的可變頻振動篩。振動篩將旋流器底流脫水后從篩面篩出，渣土落至渣場堆置或經由輸送設備輸送至指定堆置點。振動篩振動強度可達5g 以上。

2.3.5 離心機

離心機是一種臥式螺旋卸料、連續操作的沉降設備。在全速運轉下，連續進料、分離、洗滌和卸料，分離含固相物粒度大于0.005mm，濃度范圍為2%～40%的懸浮液，利用離心分離原理對廢漿進行固液分離，去除泥漿中的巖屑等有害細小固相顆粒，減少環境污染。

主要由主機總成、動力傳動系統、進出料接口，潤滑系統等幾部分組成。采用高效臥旋離心機進行廢漿處理，廢漿實現“零排放”。廢漿進入離心機轉鼓后，泥漿中密度較大顆粒在離心力作用下迅速沉積到轉鼓內壁形成沉渣層，由與轉鼓同方向旋轉但具有一定轉速差的螺旋輸送器葉片推向轉鼓小端，然后經出渣口排出。泥漿中密度較小顆粒及水，在離心力作用下，沿清液通道，從轉鼓大端溢流孔流出，實現泥漿清液與廢渣分離，達到脫水目的。

3 結語

泥水盾構施工是盾構法施工中較為復雜的施工方法，影響盾構施工效率的不僅僅有盾構設備本身，而且各工序都需要有序銜接，其中泥水分離設備更是直接影響盾構是否能正常施工，所以對泥水盾構配套泥水分離站的處理能力、處理效果、機械穩定、綠色環保等提出較高的要求。通過介紹處理能力為3 000m3／h 的泥水分離站各關鍵系統選型配置、針對性設計，為同類地質地下工程采用大直徑泥水盾構施工提供參考。