臥式離心機高含水率盾構泥漿絮凝劑比選及現場應用

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211800）

隨著我國城市地鐵及過江隧道的大規模建設，泥水平衡盾構技術得到了廣泛應用。該工法在盾構開挖面的密封隔艙內注入泥漿，通過泥漿加壓使內外壓力平衡，以保證開挖面土體的穩定。而當盾構掘進時，刀盤切削下來的土體與泥水混合，并泵送至地面，從而產生大量高密度的泥漿。泥漿經地面泥水分離設備處理后，一部分泥漿進入盾構機循環使用，剩余泥漿則需要進行脫水處理。若泥漿處理不當將會對周圍環境產生巨大的影響。

臥式螺旋離心機占地面積小，泥漿處理大的優點顯現，逐步應用于盾構泥漿的脫水處理中。臥式螺旋離心機的結構參數對其分離效率有較大影響，已有一些學者對其結構參數開展研究。荊寶德等[1]針對大直徑雙錐角臥螺離心機，對轉轂錐角進行仿真模擬得出最優轉轂錐角為9.5°。吳蕾等[2]研究了長徑比對分離效率的影響，認為離心機處理量隨長徑比增加而增大，同時其分離性能也越好，但長徑比過大反而會導致分離效率降低，因此長徑比是在某一范圍內具有相對最優值。邱發華等[3]研究了物料入射角對分離效率的影響，認為進口入射角為30°時離心機分離效率最高。但是針對不同的物料性質需調整離心機參數尋找最佳的離心脫水效果。

本文以濟南市濟濼路穿黃隧道工程為背景，根據現場泥漿粘粒含量高的特點，對分子量不同的兩種陰離子型聚丙烯酰胺進行比選，選取最優藥劑應用于臥式螺旋式離心機，根據離心出渣土含水率調整離心機轉轂轉速，以達到最佳的離心脫水效果。

1 試驗材料及方法

試驗泥漿取自濟南市濟濼路穿黃隧道工程盾構施工現場，經泥水分離系統分離出送入離心機前的泥漿，使用Mastersize2000 激光粒度儀測試泥漿粒度組成，得到的泥漿顆粒級配曲線（圖1）。

圖1 泥漿顆粒級配曲線

通常狀況下，泥水平衡盾構穿越粘土層時排出的泥漿經過泥水分離系統預篩分器能篩除粒徑大于3mm 的渣土塊，經一二級旋流器處理后篩出大部分粒徑大于75μm 的顆粒，先后經過兩次除砂除泥處理后的一部分泥漿送入離心機進行脫水處理。由圖1 可知，泥漿中粘粉粒含量高達99%，泥漿中細小土顆粒含量高，不易自然沉淀，極大地影響了泥漿的脫水效率。

試驗采用藥劑為陰離子型聚丙烯酰胺（APAM），分子量為1 200 萬和1 800 萬，均為白色顆粒狀粉末，水溶性強，將APAM 配置成質量分數為0.3%的溶液進行試驗。后續脫水試驗采用XYY1000-3500 型離心機進行離心脫水效果的驗證，以滿足現場泥漿處理的需要。

2 臥式螺旋離心機結構及工作原理

2.1 臥式螺旋離心機結構

本項目采用XYY1000-3500 型離心機進行泥漿的固液相分離。該設備主要由螺旋推料器、轉轂、罩殼、液壓差速器、主輔電機、減震器、機座等組成。高速旋轉的轉轂建立離心力場，使得泥漿開始分離，根據排渣與分離的要求，轉轂設計成錐段和柱段兩部分。螺旋推料器與轉轂同向旋轉，可以使沉降到轉轂壁上的固體能連續不斷地推向錐轉轂口的群渣口。差速器可以使螺旋與轉轂之間的差轉速能夠保持穩定。

表1 XYY1000-3500型離心機主要技術參數

2.2 臥式螺旋離心機工作原理

臥式螺旋離心機工作時轉轂與螺旋推料器采取主輔2 臺電機單獨驅動，同時同向高速旋轉且在差速器的作用下形成了一定數值的差轉速（其數值由變頻器程序調節控制）來共同推料。從進料口將泥漿壓入到由轉轂與螺旋推料器組合形成的螺旋流道內，因轉轂的高速旋轉產生很大的離心力，基于固液兩相比重差的緣故，泥漿中固相顆粒迅速被逆向轉轂內壁并沉積在內壁上，與轉轂做相對運動的螺旋推料器其上的螺旋葉片不斷地將沉積在轉轂內壁上的固體顆粒刮走并推向出料口，分離后的清液經出液口溢流出轉轂，從而實現對固液兩相的連續分離。

泥水盾構在粉質粘土地層中掘進時，隨著掘進距離的增加，泥漿比重會持續增高，從而影響正常的泥漿循環攜渣能力，所以泥水盾構施工過程中泥漿的廢棄處理是無法避免的問題。該離心機可直接將廢漿分離成渣土與達到排放標準的廢水。通過調節轉轂轉速，可調整離心機處理能力和渣土含水率。所以在滿足最大處理能力和最佳處理效果這一對矛盾中，需找到最佳轉速值，以確定最佳的離心脫水工況。

3 試驗結果與分析

3.1 泥漿絮凝效果分析

將絮凝劑用于臥螺離心機前需確定最合適絮凝劑及其最優添加量，圖2 為加入分子量1 200 萬陰離子型聚丙烯酰胺對泥漿絮凝沉降效果的影響。

圖2 添加分子量1200萬APAM時的絮凝沉降效果

由圖2 可知，加入分子量1 200 萬APAM后，對泥漿的絮凝沉降有一定影響。當APAM 添加量較小時，泥漿中未見絮團，仍呈流體狀，隨著APAM 用量的增加，泥漿逐漸出現泥水分離的現象，當添加量為0.054%時，泥漿中細顆粒逐漸團聚成大絮團，出現泥水分離現象，此時泥漿約脫去30%水分，當添加量為0.064%時，泥漿脫水的水分有所減少，這是由于過量的APAM 包裹著絮團中包含水分，導致分離出的水分減少。

如圖3 所示，分子量1 800 萬APAM 同樣會影響泥漿的絮凝沉降。當APAM 添加量為0.046%時，便出現了泥水分離現象，此時由于添加量較少，APAM 分子鏈未能完全連接粘土顆粒，僅有部分水分析出，隨著APAM 用量的增加，泥漿泥水分離的現象更為明顯，大絮團逐漸形成，發生絮凝沉降，泥漿脫去約30%的水分，隨著APAM添加量的增加，泥漿脫去的水分并未顯著增加。

圖3 添加分子量1800萬APAM時的絮凝沉降效果

由于絮凝劑比選主要用于指導泥水盾構現場離心機處理廢漿，故基于絮凝及離心脫水試驗結果對經濟效益進行了對比分析（以絮凝劑最優添加量進行對比），見表2。兩種類型APAM 添加量分別為0.054%和0.051%，每方泥漿中干粉添加量僅相差36g，而由于每噸APAM 的價格差異，使得處理每方泥漿的絮凝劑成本相差了3.3元。而在兩種絮凝劑添加至泥漿中，絮凝和離心脫水效果相近的情況下，選擇分子量為1 200 萬的國產陰離子型聚丙烯酰胺可取得較大的經濟效益。

表2 絮凝劑成本比較

3.2 泥漿離心脫水效果分析

現場配置有絮凝劑溶液罐，罐中分子量1 200萬的陰離子型聚丙烯酰胺溶液質量分數為3%，其通過剪切泵與泥漿進行混合，輸送至離心機處理。由于離心機轉轂的大小對出渣含水率有較大影響，因此在保證相同處理量的情況下，通過調節兩種絮凝劑添加后臥式螺旋離心機的轉速，選 取1 200r/min、1 400r/min、1 500r/min、1 600r/min 四個轉速，得到了出料的含水率與轉速的關系。轉速對泥渣含水率的影響如圖4 所示。

由圖4 可知，當轉速從1 200r/min 增加到1 500r/min 時，土工含水率降低了約10%，可知較高的轉速使出料口的泥渣含水率變低，即增大轉速可使離心作用力加強，從而泥漿顆粒與水更易分離，但后續轉速提高到1 600r/min 時，含水率降低幅度不明顯。因此考慮到所需能耗、臥式螺旋沉降離心機的運行穩定性等因素，將泥漿處理時的離心機轉轂轉速設置為1 500r/min 較為合適。最終離心機進料含固率約30%，離心機組單機處理量40～60m3/h，分離后泥渣土工含水率約50%，可以滿足后續運輸條件。

圖4 出料的含水率與轉速的關系

4 結論

基于XYY1000-3500 型臥式螺旋離心機，通過室內絮凝沉降試驗，測定不同轉速下的泥渣含水率分析泥漿的脫水效果，得出以下結論。

1）分子量1 200 萬、1 800 萬APAM 能使泥漿快速絮凝沉降，隨著APAM 用量的增加，泥漿泥水分離的現象更為明顯，大絮團逐漸形成。在絮凝脫水效果相近的情況下，選擇分子量為1 200 萬的國產陰離子型聚丙烯酰胺可取得較大的經濟效益。

2）出料口泥渣的含水率隨著轉鼓轉速的增加而降低，但是綜合考慮到所需能耗、運行穩定性等，離心機轉轂轉速設置為1 500r/min 時較為適宜。