泥水平衡盾構(gòu)穿越復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）、全風化花崗巖（6H）、強風化花崗巖（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）、全風化花崗巖（6H）、強風化花崗巖（7H）等復合地層。

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，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篩。

（1）預篩是可調(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，每個池配相應的制調(diào)漿攪拌器，要求制漿池攪拌器52r/min，化學池攪拌器52r/min，調(diào)整池攪拌器35r/min，CMC制備量10m3/h，化學藥劑新漿密度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備或多種設備組合

（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)機性能指標比較保守，設計最大推進速度為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后仍在運轉(zhuǎn)，導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，設計配套的壓濾設備數(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。