黏土地層隧道盾構工程配套泥水分離設備選型技術

1工程概況

1.1 工程基本狀況

廣鋼新城車輛段出入場線隧道工程采用泥水平衡盾構機進行施工，從該車輛段出入場線明挖區間盾構井始發后，向西北方向敷設，途經煤堆涌、江夏村5層民房、廣州市文偉中學主教學樓等建（構）筑物后，進入西朗站前明挖接收井。本區間沿線西朗村兩側民房分布較為密集。出場線長度為 647.298m ，入場線長度為 686.642m 盾構開挖直徑 6.68m ，管片內徑為 5.8m ，線路最小半徑為250m ，最大縱坡為 34.8‰ ，隧道拱頂埋深為 3～21m 。

1.2工程地質情況

該隧道工程覆土深度約為 3.21～22.75m ，盾構施工區間由上至下穿越的地質及其占比如下： ?1? 雜填土、lt;2-1Agt;淤泥層，占比 10% ；lt;4N-2gt;粉質粘土，占比2% ；lt;5N-2gt;粉質粘土，占比 12% ； ?6? 全風化粗砂巖、lt;7-1gt;強風化粗砂巖，占比 15% ； lt;8-1gt; 中風化粗砂巖，占比 36% ： 中風化粉砂質泥巖占比 25% 。

2泥水分離系統組成和工作原理

2.1泥水分離系統組成

泥水分離系統是與泥水平衡盾構機配套施工的關鍵設備[]。泥水分離系統設置在地面適當位置，是一套集成度高、自動化功能完善、工作效率高的大型機電設備，主要由固液分離設備、制調漿設備、壓濾設備、廢棄泥漿處理設備以及控制系統等組成[2]。

2.2泥水分離系統工作原理

在盾構機掘進之前，根據盾構施工過程中的地質情況，由制調漿設備配制漿液。配制漿液時，檢測泥漿的配合比、比重、含砂率、相對密度等指標，以滿足不同地層的需要。將配制好的新泥漿送到新漿池進行膨化反應后送到調漿池，由制調漿設備配制好足夠使用的工作泥漿。

在盾構機掘進時，由送漿泵（P1.1泵）將工作泥漿輸送至盾構機泥水艙，工作泥漿與掘進產生的原狀土形成混合泥漿后，由排漿泵（P2.1泵）送至地面泥水分離系統的固液分離機，經固液分離機將泥漿凈化，通過廢棄泥漿處理設備處理廢棄漿液。由制調漿設備根據地質情況和泥漿參數，將凈化后的泥漿加水調漿、補充膨潤土添加劑、添加新漿，調整為工作泥漿。由送漿泵（P1.1泵）將調整后的工作泥漿送至盾構機泥水艙，繼續與掘進產生的原狀土形成混合泥漿。以此循環往復，源源不斷地通過泥漿將盾構機掘進產生的原狀土排出，同時保持工作泥漿始終處于正常配合比狀態。廢棄漿液由自動隔膜壓濾機過濾后完成污泥減量化、無害化、穩定化處理，最終渣土含水率約為 30% 。泥漿循環工作原理如圖1所示。固液分離工作原理如圖2所示。

3固液分離設備選型

3.1 選型原則

一是生產上適用。滿足當前的地層情況下的泥水分離需求，使用過程中性能穩定、安全可靠、便于維護。二是技術上先進。泥水處理過程中，要滿足節能、環保理念，減少電、水的使用，減少人工的投入。三是經濟上合理。性價比較好，生產效率高，滿足盾構施工需要[3]。

3.2選型依據

3.2.1 隧道工程地質

對該隧道地質情況分析結果表明，其粉細顆粒含量均大于 50% ，屬于軟土地層，大顆粒少，粉細顆粒比例高，且顆粒分布不均勻。

經計算后得出滾筒篩的篩分率為 20%～25% ，渣土篩分率為 40%～45% ，棄漿處理率約為 30% 。固液分離后的泥漿進入調漿系統，適量加入水、新漿、添加劑，恢復泥漿指標后返回泥漿循環系統[4]。該隧道取土深度和土層粒徑分布情況如表1所示。其中：粉粒粒徑為0. 005～0. 075mm ，粉粒為 0.005～0.075mm ，細砂粒徑為0.075～0.25mm ，中砂粒徑為 0.25～0.5mm ，粗砂粒徑為0.5～2.0mm ，礫石粒徑為 2～20mm。

3.2.2盾構機參數

該隧道選用的泥水平衡盾構機的主要參數如下：刀盤的最大開挖直徑為 6680mm ；推進系統最大推進速度為60mm/min；泥漿環流系統的進漿流量為 850m³/h ，排漿流量 900m³/h ；計劃每天掘進環數為12環，計劃每天最多掘進環數為16環。

3.2.3現場布置條件

廣州地鐵十號線七分部所在場地處在老城區，場地狹窄，附近居民樓多。因此對噪聲的控制要求高，環保問明施工要求嚴格。且大多數場地在高壓線下，為了保證設備和高壓線間有足夠的安全距離，泥水分離設備需要體積集成化、微小化。

3.2.4固液分離設備配置參數

結合以上各項條件和環保要求，選擇固液分離設備需考慮超細顆粒分離以提高循環泥漿的質量、減少棄漿量，需考慮棄漿零排放干化處理、渣土減量化處理、固液分離設備模塊化設計以盡可能減少占地面積等方面。固液分離設備配置參數如表2所示。

3.3固液分離設備具體配置

3.3.1滾筒篩分離機

滾筒篩分離機可保證現場文明整潔和施工效率。滾筒篩分離機工作性能突出，設備工作穩定可靠，便于維護和管理，分離出的渣土含水量低于 30% ，可由汽車直接運輸[5]。采用模塊化設計，可根據地層需要進行隨時切換，適用性更強。采用變頻控制，適合盾構機在不同地層的推進速度。

3.3.2獨立單層振動篩

為適應小于 74μ_m 顆粒的篩分，設計了獨立單層振動篩進行細小顆粒篩分處理。采用高頻低幅、角度范圍可變設計，配置二級旋流器，以更好完成細小顆粒的濃縮、分級，保證二級脫水的最佳篩分效果。減少細小顆粒進入循環泥槳，以節約泥漿三級處理費用。整機分離效率達到 80% 以上，渣土含水率 lt;30% ，可由汽車直接運輸。對 0. 020～0.074mm 難脫水的顆粒，采用高頻振動可有效完成渣土脫水；篩面采用 0.3～2mm 耐磨PU（聚氨酯）篩網，二級脫水篩的角度可調，有效降低渣土含水率。

3.3.3 旋流器

二級旋流器整體采用特殊的耐磨橡膠制成，分離效率在 80% 以上。當進入旋流器的漿液比重為 1.2～1.3g/cm³ 時，濃縮后底流比重約為 1.5～1.8g/cm³ 。底流濃度越高旋流器的濃縮效果越好，進入脫水篩面的物料就更容易脫水，脫水時間越短生產效率越高；收集槽的底部鋪有特制超耐磨墊塊，以有效降低其磨損。

考慮設備使用壽命及穩定性，一級旋流器采用分體式設計，內襯20mm耐磨橡膠。沉沙嘴采用高鉻鑄鐵耐磨合金材料，耐磨損且可更換。二級旋流器采用聚氨酯材料，內部噴涂耐磨涂層，耐磨損，分離效率高，使用壽命長。

4制調漿設備選型

漿液調制是泥水盾構施工一個很重要的過程，對盾構施工的掘進速度、控制沉降和攜帶渣土發揮關鍵作用，因此要合理、正確地選擇制調漿設備。由于本項目黏土地層占比較大，在掘進過程中新漿需求量較小，所以制調漿過程主要在始發階段。選取的制調漿設備主要參數[6]如表3所示。

制調漿設備由新漿、化學藥劑添加、調漿設備、調漿池、清水池等設備單元組成，為1臺 Φ6.7m 隧道盾構掘進連續提供工作漿液。

5壓濾設備選型

5.1工作原理

自動控制系統啟動壓濾設備達到保壓狀態后，渣漿泵啟動，將渣漿輸入壓濾機濾板腔體過濾脫水，達到設定的進料壓力后渣漿泵停止，水壓榨系統啟動第二次壓榨脫水，達到設定的壓榨壓力后停止壓榨，壓濾設備啟動拉板小車自動卸料。一個循環完成后壓濾機恢復到初始狀態準備進行下一個循環。

壓濾機往復運行由PLC（可編程控制器）自動控制。壓濾機壓榨后的泥餅含水率 30% 左右，符合環保及運輸要求。濾液返回泥水系統回收利用，也可以用于場地沖洗、圍擋噴淋、洗車槽用水、消防用水等[7]。壓濾設備工作原理如圖3所示。

5.2壓濾機工況分析

壓濾機每個循環時間為 2h ，每24h循環12次，每個循環處理泥漿約 30m³ ，每天單臺壓濾機泥漿處理量公式如下：

L₁=ncη

式中： L₁ 為單臺壓濾機日處理能力 （m³），n 為每24h循環次數（12次）， c 為每個循環泥漿處理量 （30m³） ； η 為工作效率（ 85% ）。經計算得出單臺壓濾機日處理能力為 306m³ 。而兩臺臺壓濾機日處理能力為 612m³ 。

在正常情況下每日盾構施工12環，根據施工經驗每環使用泥漿量為 160m³ ，每日分離設備分離出可循環利用的泥槳比例為 70% ，由此可計算出單臺盾構機每日棄漿量，其公式如下：

Q=hq（1-f）

式中： Q 為單臺盾構機每日棄漿量 （m³ ）， h 為每日盾構施工環數（12環）， q 為每環泥漿量（ 160m³ ）， f 為每日分離設備分離出可循環利用的泥漿比例（ 70% 。經計算得出單臺盾構機每日產生的棄漿量為 576m³ 。

盾構機每天最快掘進施工16環，根據施工經驗每環泥漿量為 160m³ ，每日經過分離后剩余 30% 棄漿由壓濾機處理，經計算得出單臺盾構機每日產生棄漿量為 768m³ 。

從壓濾機處理能力與每天需處理廢槳比較，考慮到盾構機正常掘進環數和最快掘進環數的不連續性，經過綜合對比，選擇兩臺壓濾機即可滿足施工需要。壓濾設備主要參數如表4所示。

6結束語

在城市地鐵施工中，渣土對環境影響較大。泥水盾構施工能很好的控制施工沉降和降低渣土運輸成本，減少環境污染，泥水盾構機和泥水分離設備是泥水盾構施工的主要組成部分。泥水分離設備的選型對泥水盾構施工的經濟性、安全性、成本、工期有重要影響。通過對泥水分離設備的工作原理、選型原則、選型方法進行研究，結合項目施工經驗，為以后隧道盾構項目泥水設備選型提供了參考。

參考文獻

[1]賈金建.泥水盾構機泥水循環系統選型及應用[J].工程機械與維修，2013（2）：148-150.

[2]竺維彬，鞠世健，王暉.復合地層中的盾構施工技術（新版）.北京：中國建筑工業出版社，第一版，2020.8：206-214.

[3]鄧勇，李增良.盾構三十六技.北京：中國鐵道出版社，第1版，2021.5：6-7.

[4]陳鵬.大直徑泥水盾構配套泥水管路直徑及其匹配的泥水分離設備能力的選取[J].鐵道建筑術，2018（S2）：211-213.

[5]魏向明.全黏土地層泥水盾構環流系統泥漿處理關鍵技術研究[J].鐵道建筑技術，2018（7）：77-80.

[6]毋海軍.圓礫粉細砂層泥水盾構掘進參數的研究[J].鐵道建筑技術，2019（8）：60-63.

[7]陳鵬.大直徑泥水盾構配套泥水管路直徑及其匹配的泥水分離設備能力的選取[J].鐵道建筑術，2018（S2）：211-213.