泥水盾构施工过程中的废浆处理工艺

2020-03-01朱涛

建筑施工 2020年9期

朱涛

上海市基础工程集团有限公司上海 200002

随着我国大城市人口的迅速增长及城市规模的不断扩大，大城市对于快捷交通的需求日益明显。在近年来的城市快速路建设过程中，泥水盾构以其无需特殊土体改良、地质适应性强、开挖面稳定性高等优点成为国内越江隧道建设的主要施工技术[1]。

由于施工工艺关系，泥水盾构在施工过程中不可避免地会产生大量的废弃泥浆和渣土。随着我国对城市基础建设文明施工要求的不断提升，如何环保科学地处理泥水盾构施工过程中产生的废浆，是目前城市隧道施工中需解决的问题。本文以上海市江浦路越江隧道新建工程为案例，简述泥水分离结合压滤干化工艺在泥水盾构废浆处理过程中的应用。

1 工程概况

上海市江浦路越江隧道新建工程总体呈南北走向，北起杨浦区江浦路龙江路口，经江浦路丹东路口后穿越黄浦江至浦东新区，顺民生路向南至民生路商城路口，全长2.28 km。

江浦路越江隧道新建工程江中段以盾构方式穿越黄浦江（图1），盾构隧道管片外径11.36 m，管片厚480 mm。隧道施工时，采用2台盾构先后从浦东工作井始发至浦西工作井接收，隧道采用泥水平衡盾构机进行掘进施工。

图1 江中段盾构区间工程情况示意

2 泥水盾构原理

泥水盾构通过泥水循环的方式将渣土运送到隧道外部，其开挖面的稳定是通过泥水加压来精确控制的。盾构机在刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水舱，里面充满了泥浆。盾构机切削下的渣土与泥浆混合由排浆泵输送至地面的泥水分离站，经分离后进入泥浆调整池进行泥水形状调整后，性能指标优良的泥浆由送泥泵送至盾构的泥水舱重复使用，废浆则需外运处理（图2）。

3 江浦路越江隧道新建工程泥浆处理形式

图2 泥水盾构泥浆处理流程示意

目前，国内泥水盾构废弃浆液处理的方式主要有以下3种：压滤处理、离心处理和固化处理。这3种废浆处理形式各有特点。其中，固化处理成本低，但效率差、占地面积大；离心处理效果好，但噪声大且设备费用投入大，后续维护成本高；而压滤处理占地面积小，在黏土层中废浆处理效果与离心处理接近且资金投入相比于离心处理较小，在满足渣土外运的同时，达到综合效果最优[2]。

江浦路越江隧道新建工程根据现场处于浦东陆家嘴商业圈的地理位置及工程实际土层情况，选取康明克斯泥水分离系统及尔速压滤系统相结合的形式来处理本工程的盾构泥浆，以达到工程“废浆零排放”的要求。其中，泥水分离选用2套KMZ-2 000×2型泥水处理系统，2套ZTJ-160型制调浆设备；压滤设备选用4台ERSU-3型设备以及2台ERSU-4型设备。

3.1 泥水分离系统

从盾构机排出的泥浆渣土通过管道（图3）由渣浆泵泵送到地面泥水分离设备，渣土通过第一步缓冲箱减压后流到下部的黏土块-泥浆分离机（图4），大于20 mm的物料通过分离机直接分离后进入渣土，小于20 mm的颗粒和泥浆进入粗筛进行下一步分离。筛上物250 mm粒径的大块物料落到渣场，筛下物泥浆进入下方储浆槽，进行下一步的分离分级和脱水。经处理后落到渣场的物料含水量小于30%，满足汽车运输的要求。

图3 盾构机台车尾部进、排泥管

图4 黏土块-泥浆分离机

经预筛分离后，直径小于4 mm的物料进入下部储浆槽（预筛下部的储浆槽与本模块的储浆槽相通），由1号渣浆泵抽至一级旋流器进行分级，直径大于0.074 mm的颗粒物进入底流，落至一级分离2号振动筛筛分脱水（图5）；旋流器的溢流经一级旋流回浆箱进入二级分离模块。振动筛的筛上物主要为0.074～4.000 mm的砂料，落至渣场，含水率小于30%，满足汽车运输要求。

一级旋流器的溢流经一级旋流回浆箱进入二级分离

图5 一级旋流器及一级脱水筛

模块的储浆槽后，由2号渣浆泵将其抽至二级旋流器分级，直径大于0.020 mm的颗粒物进入二级旋流器底流，落入二级脱水筛脱水；二级旋流器的溢流进入制、调浆系统，调整后送回盾构机循环使用；振动筛筛上物为粒径0.020～0.074 mm的颗粒，落至渣场，其含水率小于30%，满足汽车运输要求。

3.2 压滤干化系统

经泥浆分离处理后的浆液（粒径≤0.02 mm）进入现场浓缩池，自然沉淀后，密度较大（1.3～1.7 g/m3）的泥浆通过浓缩池底流泵泵送至弃浆池。在弃浆池中，废浆通过入料泵把浆液注入相邻滤板形成的滤室中，同时加入适当化学剂[3]，在注满后继续泵料，给滤室内的物料施压，使废浆中大部分的水通过滤布，从滤板上的沟槽流出。然后用高压风鼓动滤板隔膜挤压滤饼进行脱水，最后使高压空气均匀通过整个滤饼断面，置换滤饼内的残留水分（图6）。

图6 压滤干化处理

压滤后的土方含水率＜45%，适合卡车运输。同时滤液水可以作为制调浆系统运行时内循环系统所需用水，也可用于内循环系统管道清洗。

4 在工程中的实际应用效果

在江浦路越江隧道新建工程江中段盾构掘进时，涉及的主要土层有：第①3层黏质粉土、第④层淤泥质黏土、第⑤1-1层黏土、第⑤1-2层粉质黏土、第⑤2层黏质粉土、第⑤3层粉质黏土、第⑤4层粉质黏土、第⑥层粉质黏土、第⑦1-1层黏质粉土夹粉质黏土、第⑦1-2层砂质粉土。

本文以西线67环、150环、228环、340环、480环为例（图7），根据地质报告中土层物理力学性质参数表（表1）以及各环土层统计表（表2），对压滤干化处理的理论出土量进行分析。

图7 西线土层地质情况

表1 土层物理力学性质参数

表2 各环土层统计

经计算，67环所在土层颗粒直径小于0.02 mm的土体方量为77.57 m3，即通过压滤干化处理出的土的理论方量为77.57 m3；150环所在土层颗粒直径小于0.02 mm的土体方量为65.45 m3，即通过压滤干化处理出的土的理论方量为65.45 m3；228环所在土层颗粒直径小于0.02 mm的土体方量为59.4 m3，即通过压滤干化处理出的土的理论方量为59.4 m3；340环所在土层颗粒直径小于0.02 mm的土体方量为68.69 m3，即通过压滤干化处理出的土的理论方量为68.69 m3；480环所在土层颗粒直径小于0.02 mm的土体方量为85.98 m3，即通过压滤干化处理出的土的理论方量为85.98 m3。

根据现场土层地质的实际情况计算，江浦路隧道每环掘进产生土方量159 m3，按最不利情况并考虑相应系数，掘进1环压滤处理（颗粒直径0.02 mm以下）土方量约为100 m3，每日掘进10环，压滤日需处理干泥量达到1 000 m3。现场配置4台ERSU-3、2台ERSU-4（其中ERSU-3每日处理干泥量200 m3，ERSU-4每日处理干泥量300 m3）以及2 000 m3的废浆池以满足现场处理需求。

目前，江浦路西线盾构已贯通，实际掘进过程中弃浆密度一般为1.3 g/cm3左右，平均每环弃浆量为300 m3左右，则平均每环的弃浆经过压滤后需处理土方量约90 m3，现场压滤处理过程中在加入适量絮凝剂的情况下，可以满足每日掘进10环的土方处理需求。压滤处理土方含水量＜ 30%，满足汽车运输要求，现场作业能够满足“废浆零排放”要求（图8）。