淺談泥水加壓盾構施工中泥水分離

白椏楠

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽 471000）

20 世紀60 年代，英國、日本、德國先后研究開發了泥水加壓盾構，該工法用泥漿壓力代替氣壓或土壓，并且應用管道輸送代替軌道出渣運輸，加快了施工速度，改善了勞動條件和施工環境，并能較好地穩定開挖面和防止地表隆沉，成為一種劃時代的盾構新技術，加快對該工法的研究至關重要。

1 泥水加壓盾構概述

泥水加壓盾構就是在盾構刀盤的后方設置一道隔板，隔板與刀盤之間作為泥水壓力調節室。在開挖面和泥水室中的泥水，通過空氣加壓在開挖面形成致密泥膜，通過壓縮空氣和泥漿液位的調節，保證開挖面土體的穩定。盾構推進時，開挖下來的土體進入泥水室，由攪拌裝置進行攪拌，攪拌后的高濃度泥漿用連續泵站送到地面泥水分離站，把攜帶渣土的泥漿進行篩分處理，然后，再送入泥水室，不斷循環使用。

泥漿指標對泥水加壓盾構施工的影響，主要有以下三個方面：（1）調節開挖倉內壓力與開挖面水土合壓保持動態平衡，確保對地層擾動降到最低；（2）泥水作用到開挖面上后，通過壓力形成一層致密的泥膜，可以保證倉內壓力，穩固地層；（3）泥水可以攜帶渣土到地面，保證施工的持續和效率。因此，保證泥漿在經過泥水分離系統后的處理質量至關重要。

2 工程概況

廣深港客運專線深港連接隧道位于深圳市福田區會展中心至保稅區一帶，線路大致南北向，線路穿越深圳市中心城區，過深圳河進入香港米鋪濕地，最后，到達香港米鋪豎井。區間盾構施工采用海瑞克泥水加壓盾構機，配套泥漿處理系統采用德國沙堡泥漿分離設備。

深港連接隧道為9.96m 雙洞單線盾構隧道，隧道起點為皇崗公園豎井，終點為香港米埔車站，全長3346m。隧道頂面最大埋深約48m，最小埋深約28m；最大曲線半徑12000m，最小曲線半徑2000m；最大坡度12‰，最小坡度3‰。整個隧道地層復雜多變，包含溶洞層、海洋沉積層、強風化巖石層、黏土層等。

3 泥漿的作用

泥水處理模式與盾構機的選型、掘進速度、地質條件等緊密相關，不同的機型及地質條件決定了不同的泥水處理模式。

廣深港客運專線皇崗豎井到米埔豎井采用雙線泥水加壓盾構施工工藝，泥水分離設備采用德國沙堡處理設備，主要設備分為制漿設備、預分離設備、一級旋流、二級旋流等，掘進過程中，根據不同地層對泥漿的要求，及時調節漿液的密度、黏度、濾失量等泥漿主要指標參數，以達到配合盾構機順利掘進的要求。

4 泥水分離設備主要組成

泥水分離設備主要分為制漿設備、預分篩、脫水篩、一級旋流器、二級旋流器、皮帶機、壓榨設備等。

4.1 制漿設備

制漿設備分為攪拌系統，上料系統及控制系統，在自動運行模式下設備的功能由SPS 系統來控制并且參照極限值來被監控。密度調節可以通過人工改變蜂窩輪閘門轉數來實現，同樣可以借助精確調節閥控制進水量，以此實現漿液指標的修改。需要根據不同地層的需要調節新漿的密度、黏度、濾失量等參數，密度、黏度、濾失量等是漿液中膨潤土含量的重要指標。

4.2 篩分系統

預分篩和脫水篩原理以及構造大體上相同，只是篩分渣土顆粒的直徑有所區別，預分篩上層篩板設計為上層10mm 鋼制篩板、4mm 鋼制篩板間隔鋪設，下層為2.5mm 鋼制篩板。

在實際掘進過程中，地層多變，根據不同地層的出渣情況，篩板需要做出不同的調整，巖石地層及粗顆粒砂地層，上層斜坡篩板，及前端兩排更換為10mm 篩板，后面篩板更換為2.5mm 篩板，下層斜坡及前端兩排篩板更換為孔狀聚氨酯篩板，10mm 篩板對于石頭撞擊有較好的抵抗性，在砂層和巖石層，一般黏度低、濾失量高、顆粒較大，泥漿對篩板的過水性要求不高，但是，篩板容易磨損破損，所以下層用孔狀聚氨酯篩板延長使用壽命，減少維修時間，更好地為掘進提供條件。

經過海洋沉積層時，粗顆粒較少，有貝殼和類似貝殼的片狀石出現，上層斜坡篩板保持10mm 篩板不動，其他的全部更換為2.5mm 篩板，下層從斜坡篩板到平鋪第4 排篩板全部換成孔狀聚氨酯篩板，這樣可以避免面積大但厚度很薄的片狀石進入旋流系統，導致旋流器出口堵塞，影響旋流效果。

進入黏土層后，上層篩板、下層篩板全部更換為10mm,并且在預分篩的尾部架設高壓水炮，不停地沖洗篩板，在這種地層中，泥漿密度升高的并不快但是黏度上升很快，懸浮顆粒大幅度增加，換漿過程中在保證攜渣能力和泥漿參數的情況下可以全部加清水進行換漿，因為要保證黏度，所以會產生大量密度低、黏度高的廢漿，對廢漿處理能力是一項嚴峻的考驗。

4.3 篩分驅動系統

篩分驅動系統有震動梁、振動電機、震動彈簧等主要構件，設備運行過程中常見問題有彈簧斷裂、震動梁開裂、電機底座開裂、電機固定螺栓斷裂等。彈簧斷裂主要是產品質量問題，篩分主體不平衡，導致受力不均，使用壽命到期等原因。

震動梁開裂、電機底座開裂、電機固定螺栓斷裂三個問題實際上歸納起來就是一個原因，那就是振動電機或者說振動電機螺栓安裝不合格。剛出現這種開裂問題時，分析原因是震動幅度過大，需要調小震動幅度，也可能是電機底座變形等。經過在施工過程中進行對比試驗，一臺振幅調至70 一臺振幅調至100，振幅70 的電機底座，震動梁出現開裂，而振幅100 的反而完好，這可以說明電機底座開裂、震動梁開裂的主要原因不是振幅引起的。糾查原因，振幅70 的安裝時用的是氣動扳手，打緊一遍后，不再復緊，直至螺栓斷裂，這樣往復幾次電機底座就會因為震動過程中受力不均出現變形或開裂，而震動梁作為振動電機的承載體，自然受力也會不均，進而出現開裂。而振幅100 的振動電機在打緊后用扭矩扳手逐個復緊，并且在運行一段時候后再次復緊，確保每個螺栓受力完全均衡。

4.4 旋流系統

旋流系統分為一級旋流和二級旋流，根據選擇會有不同的組合，以本項目施工為例，一級旋流采用PC150旋流器，二級采用PC75 旋流器。

旋流器配有自我調節的潛流袋，可用在對功率、分離精度以及去水等要求很高的情況下。潛流袋是一個以真空方式工作的調節單元，具有良好的預排水和去水功能。裝滿物料時，漩流器進口形成壓力，而溢流上則出現負壓。漩流器利用這種負壓使潛流袋發揮作用。根據負壓的高度不同，潛流袋的袋口或多或少地關閉。負壓可以通過溢流彎管上面的排氣閥進行調節。漩流器上的負壓必須按相應的排放材料進行調整。顆粒粗大時，負壓必須低于顆粒細小時的負壓。負壓過大，可導致漩流器堵塞。

4.5 掘進過程換漿

掘進過程中換漿是確保泥漿各項指標符合掘進要求的必要工作，換漿操作簡單，但是，怎么換漿能達到井下掘進要求是個需要操作手長期琢磨和實踐的問題。沙土層結構疏松，容易垮塌、漏氣，泥漿含沙量高，密度升高快，在這個地層需要確保密度和黏度兩個指標，密度影響泵送能力，黏度影響攜渣能力和泥膜形成，在地下水含量高的情況下，可以選擇密度1.25g/ml、黏度40s 的新漿，在地下水含量低的情況下，可以選擇密度1.15g/ml、黏度35s左右的新漿做置換；在黏土層，密度基本可以通過旋流效果得到保障，但是黏度升高較快，濾失量逐步減小，所以在該地層換漿時，可以選擇大部分甚至全部置換清水，這主要根據實際情況作出調整，需要密度、黏度、濾失量、泥膜厚度等各項指標做參考，是一項簡單但是細致的工作，直接考驗操作手的操作能力。

4.6 檢測系統

檢測系統在泥水加壓盾構施工中是一個十分重要的組成部分，泥水系統的運行和操縱由泥水監控系統來實現和完成，監控系統由 PLC 程序實現。施工中，監控系統可以隨時為中央控制室提供可靠的信息，采集泥水系統的技術數據。同時，通過控制系統中的顯示屏和觸摸屏及時了解和掌握相關的泥漿處理指標。檢測系統可監控泥水分離、處理、新漿制作、貯漿泵送、泥漿調整及密度測定。

5 結語

泥水盾構施工時的泥水處理是影響泥水盾構正常掘進的主要因素之一，隨著泥水盾構技術的廣泛應用，泥水處理系統的作用越發顯得重要。目前，泥水處理設備正在朝著集成化、模塊化方向發展。所謂集成化、模塊化, 就是把振動篩、旋流器和泥漿槽等集成為一體。優點是安裝使用方便、占地面積小、靈活機動。