提高泥水處理設(shè)備在黏土地層中篩分效率的研究

常曉丹

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

隨著我國(guó)大城市人口的迅速增長(zhǎng)及城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大城市對(duì)于快捷交通的需求日益明顯。在近年來(lái)的城市快捷交通建設(shè)過(guò)程中，泥水盾構(gòu)以其無(wú)需特殊土體改良、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)挖面穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)越江跨河隧道建設(shè)的主要施工技術(shù)方法，而泥水處理是制約泥水盾構(gòu)施工效率的關(guān)鍵因素。本文主要研究了粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)泥水處理設(shè)備的系統(tǒng)處理效率，對(duì)不穩(wěn)定地層中分離設(shè)備效率低的原因進(jìn)行優(yōu)化，并提出減少粉質(zhì)黏土地層中控制分離設(shè)備預(yù)篩分步驟跑漿的技術(shù)措施。

1 工程概況

杭州地鐵8號(hào)線(xiàn)一期工程土建施工SG8-2標(biāo)工程采用大直徑泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，區(qū)間為單洞雙線(xiàn)盾構(gòu)隧道，線(xiàn)路全長(zhǎng)3 464 m，主要穿越黏土地層及粉質(zhì)黏土地層，根據(jù)顆粒分析可知，隧道斷面內(nèi)地質(zhì)細(xì)小顆粒較多，75μm以下的細(xì)小顆粒占比73%，見(jiàn)圖1。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)泥水處理設(shè)備的旋鈕器配置情況，針對(duì)該標(biāo)段地層細(xì)小顆粒占比較高，在掘進(jìn)過(guò)程中旋鈕器難以分離細(xì)小顆粒，即使通過(guò)二級(jí)旋鈕器處理后仍有大量細(xì)小顆粒進(jìn)入泥漿中，這部分顆粒將隨著泥漿的循環(huán)同步增加，導(dǎo)致泥漿比重快速升高，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)及排漿產(chǎn)生不利影響。

圖1 隧道斷面內(nèi)顆粒大小分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的結(jié)果截圖

2 泥水處理設(shè)備簡(jiǎn)介

杭州地鐵8號(hào)線(xiàn)一期工程土建施工SG8-2標(biāo)工程配置的ZXSⅡ-2500/20泥水處理設(shè)備的處理能力為2 500 m3/h，共計(jì)分為2個(gè)單元，一級(jí)配置DN250旋流器，二級(jí)配置DN100旋流器。泥水處理設(shè)備主要由預(yù)篩分器單元、一級(jí)旋流除砂單元、二級(jí)旋流除泥單元、振動(dòng)篩分脫水單元、儲(chǔ)漿槽沖砂單元等組成。表1為泥水處理設(shè)備主要參數(shù)表。

表1 泥水處理設(shè)備主要參數(shù)表

3 穿江黏土層掘進(jìn)泥水處理難點(diǎn)

3.1 跑漿現(xiàn)象的產(chǎn)生

在同類(lèi)型區(qū)間隧道施工經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：粉質(zhì)黏土地層在掘進(jìn)過(guò)程中存在的共性問(wèn)題主要是分離設(shè)備發(fā)生跑漿現(xiàn)象，篩分效率低下，廢漿無(wú)法進(jìn)行完全處理[1]。

導(dǎo)致該問(wèn)題的原因主要包括：粉質(zhì)黏土極易產(chǎn)生泥團(tuán)糊住篩孔，導(dǎo)致篩分效率低下；環(huán)流過(guò)程中泥團(tuán)在管路中堆積結(jié)塊，泥漿與渣土在管路中自發(fā)分段分布（見(jiàn)圖2），造成瞬時(shí)流量不穩(wěn)定導(dǎo)致跑漿；當(dāng)土層較軟時(shí)（N=6.4～13.3擊/30 cm），刀盤(pán)削切下的泥塊較小，相對(duì)于土層較硬時(shí)（N=17.6擊/30 cm）具有更大的比表面積以及更高的含水率，導(dǎo)致渣塊的帶漿能力較強(qiáng)，從而發(fā)生同一時(shí)間大量渣塊與大量泥漿共同沖出的現(xiàn)象。黏土地層對(duì)設(shè)備的制約作用，導(dǎo)致設(shè)備的篩分效率受限，反映在宏觀上即是分離設(shè)備跑漿。

圖2 環(huán)流渣漿分離現(xiàn)象

3.2 跑漿對(duì)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(shù)量化。以泥水處理中心估算的出渣情況變化為參照進(jìn)行對(duì)比，理論方量按盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)一環(huán)所推進(jìn)空間的體積近似值進(jìn)行計(jì)算，其公式為

式中：D為盾構(gòu)機(jī)直徑，m；L為管片標(biāo)準(zhǔn)環(huán)寬度，m。

故理論方量近似取值217 m3，合計(jì)方量與理論方量的差值可以直觀反映設(shè)備跑漿的程度。為直觀比較同一區(qū)間內(nèi)、同一設(shè)備在不同地層間的出渣情況變化，現(xiàn)取18～21環(huán)（砂質(zhì)粉土與淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主）、128～131環(huán)（粉質(zhì)黏土為主）、1 660～1 663環(huán)（砂質(zhì)粉土為主）設(shè)備出渣情況進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備出渣情況對(duì)比表

在同一區(qū)間、同一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)、同一套泥水處理設(shè)備在不同地質(zhì)條件下的出渣方量對(duì)比見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出：在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)到由粉質(zhì)黏土主導(dǎo)的地層后，泥水處理設(shè)備已經(jīng)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)中穩(wěn)定可控的泥水分離效果，大量泥漿未能經(jīng)過(guò)分離設(shè)備的正常篩分流程，而是直接由預(yù)篩設(shè)備以跑漿（見(jiàn)圖4）形式進(jìn)入渣場(chǎng)（見(jiàn)圖5），導(dǎo)致渣場(chǎng)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的出渣困難情況。

圖3 不同環(huán)號(hào)在同一區(qū)間的不同區(qū)間段出渣方量對(duì)比

圖4 預(yù)篩設(shè)備跑漿

圖5 跑漿外漫進(jìn)入渣場(chǎng)

由于渣場(chǎng)出渣困難，且渣場(chǎng)設(shè)計(jì)存放量有一定限度（約30環(huán)），在鏟車(chē)及挖機(jī)倒運(yùn)的基礎(chǔ)上，仍處于越積越多的狀況。當(dāng)渣土累積到一定的程度后，分離設(shè)備下方已無(wú)足夠空間為連續(xù)掘進(jìn)提供條件，嚴(yán)重耽誤盾構(gòu)施工掘進(jìn)效率。

3.3 跑漿問(wèn)題影響因素及處理方案

3.3.1 增大篩孔實(shí)用面積

當(dāng)進(jìn)入全斷面粉質(zhì)黏土地層時(shí)，沙礫含量少，每掘進(jìn)一環(huán)，脫水篩的處理能力有極大富余，在此情況下嘗試通過(guò)擴(kuò)大上下層篩板篩縫的面積達(dá)到減少跑漿量的效果。在100～104環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，將一側(cè)上層篩板篩縫由6 mm擴(kuò)大到15 mm，下層篩板篩縫由3 mm擴(kuò)大到6 mm，背篩篩板篩縫由3 mm擴(kuò)大到5 mm，最前一排的二層篩板做去除處理，經(jīng)過(guò)預(yù)篩上層篩板及二層篩板處理不及時(shí)的泥漿直接由去除篩板處流入預(yù)篩儲(chǔ)漿槽[2]；相對(duì)應(yīng)的另一側(cè)篩板保持不變，將兩側(cè)篩板在掘進(jìn)過(guò)程中的出渣情況做統(tǒng)計(jì)，不同篩孔下篩板出渣方量對(duì)比見(jiàn)圖6。

對(duì)比相同環(huán)號(hào)內(nèi)出渣方量的差異，可以看出進(jìn)行大尺寸處理的系列篩板一側(cè)出渣方量大于原篩板，這一差異主要來(lái)源于篩孔實(shí)用面積的改變。

3.3.2 泥漿指標(biāo)控制

黏土地層中泥漿指標(biāo)變動(dòng)較大，需要嚴(yán)格控制的泥漿指標(biāo)主要是泥漿的黏度及比重。泥漿的黏度對(duì)泥漿的攜渣性能及泥膜的形成有較大的影響，本項(xiàng)目中對(duì)跑漿現(xiàn)象有所控制的黏度在18～26 s之間。其中，經(jīng)過(guò)在實(shí)際情況中逐漸調(diào)整，本項(xiàng)目中對(duì)跑漿現(xiàn)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(diào)整對(duì)出渣情況的影響見(jiàn)表3，調(diào)整掘進(jìn)前泥漿的黏度及比重為合適且較低的值后，合計(jì)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(wèn)題仍然較大。

表3 泥漿的黏度、比重調(diào)整對(duì)出渣情況的影響

3.3.3 給料均勻

原進(jìn)料口（料斗）設(shè)計(jì)用于減速?gòu)姆峙淦鞴艿莱鰜?lái)的渣料、泥漿而設(shè)計(jì)的片狀固定減速板，在實(shí)際使用中極易被來(lái)料中的黏泥塊糊死，造成管路堵塞、進(jìn)料口消能不充分。此設(shè)計(jì)在實(shí)際使用過(guò)程中無(wú)法發(fā)揮效用，經(jīng)分析研究后，對(duì)分離設(shè)備進(jìn)料口進(jìn)行了改造。圖7為原進(jìn)料口設(shè)計(jì)；圖8為進(jìn)料口內(nèi)部改造示意圖。

圖7 原進(jìn)料口設(shè)計(jì)

圖8 進(jìn)料口內(nèi)部改造示意圖

1）擴(kuò)大進(jìn)料口，增加進(jìn)漿與進(jìn)料口的接觸面大小，增加來(lái)料在進(jìn)料口內(nèi)的碰撞時(shí)間，增強(qiáng)能量削減效果。

2）在進(jìn)料箱中部懸掛鐵鏈，通過(guò)鐵鏈減速來(lái)料，這樣的設(shè)計(jì)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(lái)的黏泥塊直接撞擊至鐵鏈上，先經(jīng)過(guò)減速，再?gòu)倪M(jìn)料口中自由落入篩面或是反沖至背篩。

3）在原有基礎(chǔ)上，增設(shè)正面導(dǎo)流板及側(cè)面導(dǎo)流板。正面導(dǎo)流板的增設(shè)不但能起到緩沖來(lái)料、減小來(lái)料能量的作用，同時(shí)又將能量進(jìn)行充分削減的泥渣混合物通過(guò)導(dǎo)流引導(dǎo)至背篩篩面處。側(cè)面導(dǎo)流板的作用主要是防止過(guò)多的泥漿從側(cè)面分配至篩板篩面兩側(cè)，同時(shí)也將經(jīng)過(guò)導(dǎo)流的這部分泥漿通過(guò)引導(dǎo)輸送至背篩表面[3]。

3.3.4 結(jié)合土質(zhì)控制掘進(jìn)參數(shù)

杭州地鐵8號(hào)線(xiàn)一期工程土建施工SG8-2標(biāo)工程，當(dāng)工程地質(zhì)處于較軟黏土層時(shí)（N=6.4～13.3擊/30 cm），刀盤(pán)削切下的泥塊較小，具有較大的比表面積，由于土質(zhì)較軟且含水率較高，容易在管路中、篩板上結(jié)糊，控制泥塊大小將對(duì)掘進(jìn)產(chǎn)生有利影響。通過(guò)實(shí)踐，控制單一變量對(duì)跑漿現(xiàn)象具有較好改善的辦法是降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及攪拌器轉(zhuǎn)速，本項(xiàng)目中下調(diào)25%刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及攪拌器轉(zhuǎn)速后，出渣量明顯增大，帶漿現(xiàn)象有明顯好轉(zhuǎn)，針對(duì)這一現(xiàn)象，進(jìn)入全斷面粉質(zhì)黏土地層后，通過(guò)改變掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)對(duì)出渣情況進(jìn)行記錄，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、攪拌器轉(zhuǎn)速參數(shù)變化對(duì)出渣情況的影響

由表4可見(jiàn)，在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，降低攪拌器轉(zhuǎn)速能增大泥水循環(huán)中攜渣的直徑，對(duì)于粉質(zhì)黏土地層，能間接控制跑漿現(xiàn)象；而攪拌器轉(zhuǎn)速一定時(shí)，降低一定刀盤(pán)轉(zhuǎn)速也能略微控制跑漿現(xiàn)象。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)控制泥水環(huán)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(duì)于較小的渣塊，發(fā)生糊篩板、結(jié)團(tuán)堵管的現(xiàn)象更少發(fā)生，從而對(duì)跑漿現(xiàn)象具有一定的控制效果。

設(shè)備經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)方案改造后，跑漿現(xiàn)象有明顯的改觀。一般情況下，能滿(mǎn)足進(jìn)排漿流量的差值為300 m3/h，掘進(jìn)速率保持在30～35 mm/min，保持該速率出渣狀況連續(xù)穩(wěn)定，則掘進(jìn)一環(huán)的時(shí)間約為1 h，每環(huán)的輔助時(shí)間約為1 h，綜合連接泥漿管路、設(shè)備保養(yǎng)、處理故障等狀況的時(shí)間，基本可以保證單日掘進(jìn)16 m的進(jìn)度，總體效果穩(wěn)定可控。

4 結(jié)束語(yǔ)

提高跨江隧道黏土地層掘進(jìn)泥水處理設(shè)備的系統(tǒng)處理效率，主要是提高振動(dòng)篩設(shè)備的篩分效率。實(shí)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(jīng)過(guò)篩板面層導(dǎo)致的糊板現(xiàn)象以及黏土結(jié)團(tuán)導(dǎo)致的環(huán)流渣漿分離現(xiàn)象，主要采取了以下4種措施。

1）增大篩子間尺寸，大型振動(dòng)篩增加了振動(dòng)力和振幅，使篩板對(duì)物料的沖擊應(yīng)力和剪切應(yīng)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(dāng)用篩子做分級(jí)設(shè)備時(shí)，由于細(xì)粒級(jí)多，應(yīng)保證有足夠篩分面積，且篩面的長(zhǎng)寬保證出料不受到阻礙，使得分離設(shè)備的篩分效果充分發(fā)揮。

3）控制物料在篩面上的流動(dòng)速度，經(jīng)進(jìn)料口將物料充分地減速及分配，根據(jù)環(huán)境合理設(shè)置減速系統(tǒng)及導(dǎo)流裝置。

4）根據(jù)地質(zhì)條件及出渣狀況，選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)。通過(guò)選用與分離設(shè)備處理能力相匹配的掘進(jìn)參數(shù)，控制出渣的大小，提升環(huán)流的順暢度，盡量減少環(huán)流堵倉(cāng)、渣土堵管的現(xiàn)象，環(huán)流手法的控制對(duì)分離設(shè)備出渣的影響不容忽視。