福州地鐵5號(hào)線泥水盾構(gòu)泥漿處理技術(shù)

葉康慨

(中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

泥水盾構(gòu)以技術(shù)先進(jìn)、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、壓力控制精準(zhǔn)和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用在穿越江河湖海的地下工程施工中，如何解決泥水盾構(gòu)的在粘土層、淤泥質(zhì)地層、粉質(zhì)粘土、(含泥)礫粗砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)、中風(fēng)化花崗巖等地層掘進(jìn)時(shí)泥漿分離的方法和快速掘進(jìn)，滿足日益嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)，這就需要對(duì)泥水盾構(gòu)在泥水分離系統(tǒng)配套及泥漿處理技術(shù)以及泥漿分離管理進(jìn)行研究和摸索。

1 工程概況

1.1 工程地理位置

福州市軌道交通5號(hào)線一期工程下穿閩江段位于荊溪新城站～區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間，該區(qū)間總長(zhǎng)1 816 m，區(qū)間線間距12～16 m，最大坡度28‰，盾構(gòu)下穿閩江段，長(zhǎng)度315.41 m，線間距12 m，隧道埋深24～28.7 m，隧道上方覆土厚土17.8～28.7 m，江面穩(wěn)定水位最大深度4.3 m，潮汐水位最大深度8.1 m。泥水盾構(gòu)區(qū)間線路走向平面圖見圖1。

圖1 泥水盾構(gòu)區(qū)間線路走向平面圖

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

(1)工程地質(zhì)情況

根據(jù)(補(bǔ)充)地勘報(bào)告，過江泥水盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為：淤泥、淤泥夾砂、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、(含砂)粉質(zhì)粘土、(含泥)礫粗砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)、中風(fēng)化花崗巖等。以盾構(gòu)中心為統(tǒng)計(jì)高度，左、右線隧道穿越的各種地層所占比例及粒徑大小見表1、表2，隧道穿越的地質(zhì)剖面圖見圖2。

表1 盾構(gòu)穿越的地層地勘資料顆粒分析

表2 左、右線洞身各地層統(tǒng)計(jì)表

圖2 盾構(gòu)穿越閩江段地質(zhì)斷面圖

(2)水文地質(zhì)情況

本工程地下水按埋藏條件分為上層滯水、潛水、承壓水三種類型。地層主要有粉質(zhì)黏土、淤泥、淤泥質(zhì)土、(含泥)礫粗砂及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其滲透系數(shù)分別為3.0E-4、3.0E-3、3.0E-3、35.00、6.00(m/d)。

1.3 盾構(gòu)選型情況

本工程采用兩臺(tái)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的710/711#氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，盾構(gòu)開挖直徑Φ6.52 m。采用面板式刀盤，最大開口率22%。盾構(gòu)最大掘進(jìn)速度50 mm/min。

2 泥漿分離系統(tǒng)設(shè)備選型

2.1 泥漿分離設(shè)備的選型設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)

根據(jù)本工程所使用的泥水盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)，泥漿分離設(shè)備的選型設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)見表3。

表3 泥漿分離設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)匯總表

由表3數(shù)據(jù)可以計(jì)算出：

出渣量：Q=60πD2*V/4=100.16 m3/h；

排漿流量：Q排=Q*(ρ0-ρ1)/(ρ2-ρ1)=648 m3/h；

進(jìn)漿流量：Q進(jìn)=(Q排*ρ2-Q*ρ0)/ρ1=547 m3/h；

盾構(gòu)月進(jìn)度指標(biāo)240 m，盾構(gòu)推進(jìn)速度50 mm/min，計(jì)算得知泥漿系統(tǒng)的排漿流量為648 m3/h，考慮0.15的富余能力系數(shù)，泥水分離設(shè)備的處理能力不得低于750 m3/h。

2.2 泥水處理系統(tǒng)方案

(1)泥漿處理的總體流程

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，新拌制的泥漿通過P1.0進(jìn)漿泵進(jìn)入盾構(gòu)泥水倉(cāng)，攜帶刀盤開挖下來的渣土由排泥泵輸送至地面分離設(shè)備，經(jīng)過粗篩進(jìn)行預(yù)分處理。預(yù)篩分是分離2 mm以上顆粒物，泥渣混合物由入料箱進(jìn)入，由脫水篩上部震動(dòng)電機(jī)將渣料向出料口推動(dòng)，直徑小于2 mm物料隨泥漿進(jìn)入下部水槽，經(jīng)渣漿泵抽至一級(jí)旋流器進(jìn)行泥水分離，一次旋流器分離回收直徑0.075～2 mm顆粒物；一級(jí)旋流器脫水篩脫水后，泥渣混合物經(jīng)過一次減壓箱分流管道進(jìn)入二次水槽，由渣漿泵將其抽至二級(jí)旋流器，二次旋流器專為分離直徑為0.045～0.075 mm的顆粒物。旋流器分離處理后的干凈泥漿進(jìn)入調(diào)漿池，經(jīng)泥漿調(diào)整后循環(huán)使用。當(dāng)泥漿比重超標(biāo)時(shí)，泵入沉淀池加入絮凝劑充分混合、靜置一段時(shí)間后，泵入離心機(jī)/壓濾設(shè)備進(jìn)行物理分離。

(2)泥漿處理的主要設(shè)備組成

綜合考慮本工程泥水分離設(shè)備既要滿足細(xì)顆粒的泥漿分離，又要滿足在全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)、中風(fēng)化花崗巖等巖層中掘進(jìn)時(shí)的大顆粒渣塊的泥漿分離。泥漿處理的主要設(shè)備由ZTJ-150型制調(diào)漿系統(tǒng)、MTP-1000型泥水分離系統(tǒng)、APN18SL40 m型板式壓濾系統(tǒng)、CS30-T型離心機(jī)、DNYA2500三濾帶濃縮一體帶式壓濾機(jī)組成。

①制漿、調(diào)漿系統(tǒng)

其泥漿制備量：120 m3/h；泥漿密度：1.05～1.2 t/m3；泥漿粘度：18～45 s；CMC制備量：10 m3/h。

②MTP-1000型泥水分離系統(tǒng)

系統(tǒng)由預(yù)篩、一級(jí)旋流分離、二級(jí)旋流分離等組成，經(jīng)泥水分離系統(tǒng)分離后的渣土含水率均≤25%，滿足汽車運(yùn)輸。

③化學(xué)分離系統(tǒng)

在沉淀池中加入絮凝劑等漿液進(jìn)行濃縮絮凝處理，并用壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾或者采用離心機(jī)對(duì)泥漿中的細(xì)微顆粒進(jìn)行更進(jìn)一步的分離與清除。

APN18SL40 m型板式壓濾設(shè)備單臺(tái)壓濾機(jī)處理能力：30 m3/h；濾餅量：16 m3/h；濾餅含水率：≤30%；濾液水固含率：<2 g/L；DNYA2500三濾帶濃縮一體帶式壓濾機(jī)單臺(tái)壓濾機(jī)處理能力：30～60 m3/h；濾餅量：16 m3/h；濾餅含水率：≤50%；濾液水固含率：<2 g/L；

④泥漿的沉淀分離

根據(jù)施工需求在帶式壓濾機(jī)周邊地面上修建一座1 000 m3絮凝沉淀池，通過添加絮凝劑達(dá)到加速沉淀的效果，對(duì)沉淀后的渣土再進(jìn)行清理。

4 施工效果

4.1 軟土段泥漿分離情況

在軟土段掘進(jìn)時(shí)，通過預(yù)篩對(duì)泥漿進(jìn)行一級(jí)分離，預(yù)篩篩網(wǎng)下部的泥漿通過泵送至沉淀池后進(jìn)行靜置。然后添加絮凝劑、靜置后用螺桿泵泵送至帶式壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾或泵送至離心機(jī)進(jìn)行離心分離。處理能力基本滿足每臺(tái)設(shè)備每天8環(huán)/9.6 m的施工進(jìn)度要求。通過壓濾或離心處理后的漿液基本以清水的形式排出。

4.2 硬巖段渣土分離情況

在硬巖段掘進(jìn)時(shí)，通過預(yù)篩對(duì)泥漿進(jìn)行一級(jí)分離，預(yù)篩篩網(wǎng)下部的泥漿再通過一二級(jí)旋流設(shè)備進(jìn)行分離。處理能力滿足每臺(tái)設(shè)備每天12環(huán)/14.4 m的施工進(jìn)度要求。施工過程隨著漿液中小顆粒比例的增加，旋流設(shè)備分離效率明顯下降，將泥漿泵入沉淀池進(jìn)行沉淀，然后通過離心機(jī)對(duì)進(jìn)行集中處置。

在右線掘進(jìn)復(fù)合地層及硬巖段初期，充分利用左線掘進(jìn)所處地層來對(duì)右線硬巖〖CM6*3/4-6〗掘進(jìn)的泥水指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化和利用，大大節(jié)約了硬巖段掘進(jìn)需要優(yōu)質(zhì)泥水所投入的添加劑的費(fèi)用。

5 結(jié)論與建議

在福州地鐵泥水平衡盾構(gòu)工程施工過程中，針對(duì)不同地層對(duì)泥水處理設(shè)備進(jìn)行合理的設(shè)備配置，并結(jié)合壓濾機(jī)和離心機(jī)的使用，通過科學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)管控，確保了開挖面的穩(wěn)定和泥水輸送系統(tǒng)的通暢，徹底解決了廢棄泥漿達(dá)標(biāo)排放的難題，為同類工程采用泥水盾構(gòu)施工積累了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過本項(xiàng)目泥漿分離施工，有以下意見在今后的施工中應(yīng)該注意。

(1)泥水處理系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)施工的重要配套系統(tǒng)，目前大多數(shù)項(xiàng)目在盾構(gòu)選型及配套設(shè)備選型主要依靠設(shè)備廠家進(jìn)行泥漿分離處理方案設(shè)計(jì)。應(yīng)結(jié)合(補(bǔ)充)地質(zhì)勘探資料，詳細(xì)分析各類地層顆粒含量及掘進(jìn)后渣土的顆粒篩分結(jié)果，認(rèn)真設(shè)計(jì)泥漿分離處理方案、設(shè)備配置以及配套處理措施等。

(2)泥漿分離場(chǎng)地施工場(chǎng)地的總體布局要充分考慮不同地層泥漿分離工藝與分離方案進(jìn)行合理布置，確保泥漿分離設(shè)備與分離工藝相匹配。

(3)泥漿處理沉淀池的布置必須考慮泥漿絮凝的時(shí)間效應(yīng)。

(4)泥漿分離是泥水盾構(gòu)施工的重要工序，必須派熟悉分離工藝的人員進(jìn)行嚴(yán)格管理。

(5)隨著國(guó)家環(huán)保要求的越來越嚴(yán)，渣土排放管理的逐漸規(guī)范，廢棄泥漿達(dá)標(biāo)、零污染排放必將成為泥水盾構(gòu)施工的主流方向。