盾構工程泥漿脫水篩的優化設計與分析

甘 虎 肖桂華 向代剛

（三川德青工程機械有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

泥水盾構掘進是地鐵及隧道工程中的一種先進并普遍采用的施工方式。在泥水盾構施工過程中，安裝于地面的泥水處理系統是泥水盾構的一個重要子系統，而泥漿脫水篩則是該類泥水處理系統的核心設備。

盾構工程用泥漿脫水篩區別于其他篩機如礦篩或石油篩的地方在于以下2點：1）來料不斷變化。盾構機在掘進過程中，地質條件多為復合地層，泥漿脫水篩是將泥漿中的物料進行渣漿分離，要求篩分出來的固相顆粒越多越好。2）篩面形式不同。在盾構工程泥漿處理中，脫水篩面多為向上爬坡，由于產率及物料特性的原因，因此篩上物料對篩機的力學影響更明顯。

該公司自主開發了ZXT-2型脫水篩機用于盾構掘進的泥水處理，存在3個問題。1）篩體穩態振動時出現彈性變形。篩機在穩態工作時，出現中間振幅小、兩端振幅大的類似扁擔樣彈性變形，且噪聲也較大。2）篩機進料口處出現泥漿分布不均或堆積。3）篩機整體隔振彈簧剛度過大。

在啟動-停車過程中，出現篩機脫離彈簧并撞擊外圍護架現象且傳遞給基礎載荷明顯較大。

1 ZXT-2脫水篩的運動學和動力學參數測試分析

通過對ZXT-2泥漿脫水篩進行運動學參數、動力學參數、同步穩定性能參數、幾何尺寸和工藝參數、噪聲參數以及剛度、強度等的測試分析，得出篩體穩態振動時出現彈性變形是由于篩機側板較薄，從而導致篩機整體剛度、強度不足。篩機進料口處出現泥漿分布不均或堆積的情況是由于旋流器底流沒有經過任何過度或緩沖裝置而直接卸在篩面上。篩機整體隔振彈簧剛度過大其原因主要是篩機彈簧剛度設計過大。

1.1 ZXT-2脫水篩的運動學分析

測試儀器采用東方所振動測試采集分析儀（INV3060），通過變頻器控制振動感應電機的供電頻率，從而改變了電機的轉速，測試了50 Hz供電頻率下不同進料泥漿密度條件下篩機的動態特性。篩機共有4個彈簧座，每個座置有2根螺旋彈簧。

本次測試共計7個測點，測點位置及應變片方向如圖1所示。

如圖1所示，在ZXT-2型1.8m改進泥漿篩、、、、、六點處布置了加速度傳感器。點、點為篩機出料口兩端側板的測點位置；點、點為篩機進料口兩端側板的測點位置；點為篩機質心處測點位置；點為篩機激振器大梁方向測點位置。

圖1 加速度測點位置及加速度傳感器方向示意圖

在測試過程中，、、、四點處布置了三向加速度傳感器，分別檢測、、三個方向的加速度（振動方向角設定，方向與方向垂直；方向與篩機主振動方向一致；方向與平面垂直，即方向為篩機橫向加速度），點布置了2個單向加速度傳感器，分別檢測、兩個方向的加速度情況。點布置了一個單向的加速度傳感器，用于檢測方向的加速度。

篩機上具體的加速度傳感器測點位置如圖2所示，他們分別置于排料口兩端、入料口兩端、篩機質心處以及電機底座處。

圖2 泥漿振動篩上加速度傳感器具體布點位置

1.1.2.1 進料泥漿密度1.17下方向、、、、、測點振幅-相位比較

對進料泥漿密度1.17條件下篩機穩態運轉時、、、、、六測點方向的振幅-相位進行比較，觀察各時間段各測點的振幅-相位是否一致，以此判斷振動機體在主振動方向上是否產生彈性變形。

25 s~25.14 s各測點的相位比較如圖3所示。

30 s~30.14 s各測點的相位比較如圖4所示。

圖4 30 s~30.14 s各測點相位比較

35 s~35.14 s各測點的相位比較如圖5所示。

由圖3~圖5可知，篩機y方向各測點相位關系并非完全一致，在振動幅值上也出現微小差異，說明篩機出現彈性形變。其原因主要為篩機整體剛度不夠，特別是側板處。

圖3 25 s~25.14 s各測點相位比較

圖5 35 s~35.14 s各測點相位比較

進料泥漿密度1.24條件下方向、、、、、測點振幅-相位比較。

分別對進料泥漿密度1.24下篩機穩態運轉階段、、、、、六測點方向的振幅-相位進行比較，觀察各時間段各測點的振幅-相位是否一致，從而判斷振動機體在主要振動方向上是否產生彈性變形。

25s~25.14s各測點的相位比較如圖6所示。30 s~30.14 s各測點的相位比較如圖7所示。35 s~35.14 s各測點的相位比較如圖8所示。由圖6~圖8可知，篩機y方向各測點相位關系并非完全一致，在幅值上也出現了微小的差異，說明篩機出現彈性形變。其原因主要為篩機整體剛度不夠，特別是側板處。

圖6 25 s~25.14 s各測點相位比較

圖7 30 s~30.14 s各測點相位比較

圖8 35 s~35.14 s各測點相位比較

表1分別為進料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表1 不同進料泥漿密度條件下篩機x方向雙振幅對比

由表1的數據對比分析可知：測點與測點在兩種進料泥漿密度條件下的方向振幅不一致，其主要原因是因為、兩端的彈簧剛度不一致及出現了篩體彈性變形，且進料泥漿密度越大，變形也就越大。

進料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表2分別為進料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表2 不同進料泥漿密度條件下篩機y方向雙振幅對比

由表2的數據可得如下3個結論：1）進料泥漿密度1.17和1.24條件下，篩機進料口兩端振幅基本一致，符合振動機械運行要求。2）進料泥漿密度1.17條件下，篩機出料口兩端振幅基本一致，符合振動機械運行要求。3）在兩種進料泥漿密度條件下，都有一個共同現象：質心處比進料口和出料口處振幅小，即篩機出現中間小、兩端大的類似扁擔樣彈性變形，該現象不符合泥漿篩運行規范。

其原因主要為篩機四角彈簧剛度及彈簧自由壓縮量不一致，且篩機側板剛度和強度不夠等原因引起。

進料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表3分別為進料泥漿密度1.17及1.24條件下篩機方向的振幅對比。

表3 不同進料泥漿密度條件下篩機z方向雙振幅對比

由表3可知，篩機在橫向上出現了不應該出現的振幅，其不符合泥漿篩運行規范。其原因主要是篩機四角彈簧剛度及彈簧自由壓縮量不一致，且篩機整體剛度，包括側板剛度和強度不夠。

2 整機系統彈簧剛度及其自由壓縮量等的測試

2.1 實測數據

設測點處彈簧自由壓縮量用Δ表示，=，，，，則篩機空載時所測四角彈簧的自由高度和自由壓縮量如下（所測篩機共4個彈簧座，每個座放置兩根螺旋彈簧）。

彈簧自由高度（mm）：=325；彈簧自由壓縮量（mm）：Δ=37， Δ=44， Δ=54， Δ=42。

由所測彈簧自由壓縮量結果可知，四角彈簧只有壓縮量不一致，且相差較多，從而會導致篩機四角振幅不一致。

系統彈簧自由壓縮量取上述所測各彈簧的平均壓縮量為 Δ=44 mm。

可根據式（1）來反推篩機方向彈簧剛度。

式中：—空載參振質量；Δ—彈簧平均壓縮量；K—篩機y方向彈簧剛度。

2.2 根據篩機系統結構參數所得的理論計算數據

理論計算系統方向彈簧剛度應用如公式（2）所示。

式中： k為方向的彈簧剛度，N/m；為剪切彈性模量，Pa；為彈簧有效圈數；為彈簧中徑，m。

根據篩機螺旋彈簧圖紙所計算彈簧方向的剛度如式（3）。

理論計算彈簧自由壓縮量如式（4）。

綜上所述，通過篩機彈簧剛度的實測與理論計算的對比，可知實測結果與理論計算結果有一定差距，說明彈簧安裝前并沒有進行嚴格的剛度測試檢驗。此外，由各彈簧自由壓縮量不一致可知，各個彈簧的實際剛度并不一致，建議彈簧安裝前，進行嚴格的質量檢驗和剛度測試，如將同一自由高度和同一靜壓縮量的彈簧編為一組，以保證篩機穩定工作。

3 優化措施

3.1 篩機側板由原來的厚8 mm改為厚12 mm

空載及有載測試結果顯示，在篩機穩態振動時出現扁擔樣彈性變形，是篩機整體剛度不夠導致的，因此，將篩機側板由原來的厚8 mm改為厚12 mm，側板材料采用厚度12mm的G20（原有篩機設計采用的Q235），并沿側板邊緣采用不等邊角鋼加固，提高篩機整體剛度強度，同時降噪且降低加工制造工藝難度。

3.2 篩機進料口處每層篩網上方增設布料裝置

篩機進口處增加布料裝置，且布料裝置參振，從而使進料口處泥漿經由布料裝置的導流而快速均布于篩面上，以加強篩面利用，防止篩機泥漿進口處篩面上出現堆積現象，提高篩機脫水效率和處理量。

3.3 重新設計隔振彈簧且保證合理的自由壓縮量及頻率比

原有篩機隔振彈簧剛度設計過大（即每個彈簧座放置4根螺旋彈簧），以致傳遞給地基載荷過大，且啟動-停車過程中導致篩機脫離彈簧并撞擊外圍護架。現重新設計隔振彈簧參數，將每座4根彈簧改為每座3根彈簧，在保證合理的彈簧自由壓縮量（50 mm）和頻率比的同時，又進一步降低了篩機傳遞給基礎的載荷。

4 優化效果對比分析

以京張高鐵清華園隧道為例，盾構直徑φ12.64 m，左線隧道長2000 m，右線隧道長1750 m，粉質黏土、粉土、圓礫及卵石土地層。其中全斷面粉質黏土、粉土地層長約750 m，斷面頂部/底部含粉質黏土、粉土復合地層長約1200 m（粉質黏土及粉土占比約30%~35%；其余主要為卵石土地層）。掘進設備采用2套德國海瑞克公司的泥水平衡式盾構機，泥漿循環量為2500 m/h，掘進速度6 cm/min，在左線更換一臺優化后泥漿脫水篩做對比試驗，如圖9所示。

圖9 現場出渣情況對比

根據流量法計算振動篩的生產率如公式（5）所示。

式中：v為物料運行的實際平均速度，m/s；為篩面寬度，m；為物料松散密度，t/m；取值1.54；為料層厚度，m。

表4 盾構機正常掘進時的泥漿脫水篩參數對比表

在保證單因素變化的前提下，通過實測數據計算后，可以得出優化型脫水篩的產量較原篩機平均產量提高了46.5%左右。

截至京張高鐵清華園隧道泥水盾構項目順利貫通，歷經兩年半的實踐檢驗，該泥漿脫水篩優化改良后的振動篩作業事故率降低超過30%，振動篩使用壽命增加50%，實踐效果良好。

5 結語

泥漿脫水篩是地下空間建設盾構環流系統中泥水分離設備的核心部件，應加強地層變化對其運行作業中各類問題的分析研究，總結相適宜的優化措施，在確保盾構機順利掘進的同時提高泥漿脫水篩的篩分效率、增強其對地層的適應性、延長設備使用周期，降低故障發生頻率等，從而為整個隧道順利施工提供必要條件，這是泥漿脫水篩研究的必然方向。