泥水平衡盾构泥浆分离调制技术

王 靖 罗 潇 颜 辉

(衡阳市城市建设投资有限公司，湖南 衡阳 421001)

1 概述

目前，盾构法施工在轨道交通和市政管线中的应用越来越广泛，而地表沉降控制和加快施工速度是控制盾构法施工的着重点。在盾构掘进隧道过程中，泥水分离顺畅程度将直接影响到盾构机的掘进效率。泥水加压式盾构是在机械掘削式盾构的前部刀盘后侧设置隔板，它与刀盘之间形成压力室，将加压的泥水送入压力室，当泥水压力室充满加压的泥水后，通过加压作用和压力保持机构，来维持开挖面的稳定。当盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构刀盘面，形成一定厚度的泥膜便于刀盘切削。当旧浆液量经处理后，送泥水的量不足或泥水性能不能满足盾构需求，需要及时补充新鲜浆液，对送泥水的指标进行调整，保证盾构顺利进行掘进施工。泥水处理系统主要由泥水分离系统、制调浆系统等组成，起着处理由盾构开挖面排出的泥水分离和制造新鲜泥水的作用。在泥水分离处理后的泥水如未达到指标要求的情况下，加入经调制系统配置的浆液等调浆材料，并通过该系统的监控、操作分系统使之达到符合指标要求的泥水供盾构循环使用。

2 工程概况

衡阳市合江套湘江隧道工程位于衡阳市城区北部，东岸是珠晖区，西岸是石鼓区，处于湘江、耒水、蒸水三水汇水口位置，距离蒸水汇水口下游约2.4 km，距离耒水汇水口上游约0.2 km处，是衡阳市规划二环线两座过江通道之一。过江段采用盾构法施工，盾构段总长1 867 m，盾构开挖直径11.81 m，管片外径11.3 m，隧道分为上下两层，上层为行车道，下层为疏散通道及电缆通道。

3 施工工艺

施工工艺流程见图1。

3.1 排浆至分离场

在盾构掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构刀盘面，形成一定厚度的泥膜便于刀盘切削。盾构机掘进过程通过排浆管道排出携带渣土的浆体到泥浆分离场，分离前泥浆比重平均为1.3，最大为1.4。

3.2 初筛

先以层式振动筛选机型号:VS-1833/2将浆液中大于2 mm的颗粒筛选出，并以输送机堆置，见图2。

3.3 一级旋流

经振动筛筛选后剩余的浆液以收集槽集中，经渣浆泵加压打入一级旋流器,将浆液中2 mm～0.075 mm颗粒粹取出，并以上倾式振动脱水筛，将颗粒脱水至含水率18%～20%左右，掉落地面堆置。一级筛见图3。

3.4 二级旋流

经一级旋流器处理后浆液，流入二级旋流主水槽内，以渣浆泵加压打入二级旋流器,将泥浆中之0.075 mm～0.020 mm颗粒粹取出，并以超高频振动脱水筛加以脱水至含水率为22%～25%左右，掉落地面堆置。

3.5 排浆至沉淀池

对主分离设备处理后的泥水，再经沉淀池的重力沉淀处理，可使经二级处理后泥水中尚未处理掉的0.020 mm以下的微颗粒得到更为彻底的去除，并可使泥水所含微颗粒的粒径进一步减小，以期达到送泥水的指标要求。沉淀池见图4。

3.6 废浆池排浆

泥水分离设备分离出来的干渣排至弃渣场，经过装载机挖掘装车外运；分离出来的混合泥浆，在泥浆池设置泥浆泵，将泥浆泵送至运浆船内进行外排。弃浆管道选用1台160 kW功率、120 m扬程水泵，采用DN300管道。泥浆分离设备见图5。

3.7 调整槽泥水再生

由排浆管排出的泥浆经过过滤后被送到泥浆沉淀池内，经泥水分离系统分离出来的泥浆，进入调整池重新使用，在调整池内按比例加入一定量的粘土、CMC、清水进行混合，制成适合地层特征的新泥浆，由泥浆泵泵入盾构泥水室内，多余泥浆储存在调整池内。储浆池内泥浆不足时，可直接开动泥浆搅拌机制备泥浆，制浆材料以膨润土为主辅之于CMC、纯碱等其他材料。泥水的调制浆系统由清水池、新浆槽、新浆贮备池、CMC搅拌槽、CMC储备槽、调整池和剩余池及搅拌机、气动和手动阀门以及相应的泵、控制系统等有机组合。经过搅拌装置充分搅拌后，送入调整池，经过24 h膨化后进入储浆池(见图6)。

3.8 泵送至开挖面

泥浆分离后的比重平均为1.1，最大为1.2，在经上述处理后的泥水如未达到指标要求的情况下，加入经调制浆系统配置的浆液等调浆材料，并通过该泥浆处理系统的监控、操作分系统使之达到符合指标要求的泥浆经泥浆泵送至盾构机循环使用。洞外泥浆管道见图7。

泥水处理监控系统是泥水平衡盾构施工中十分重要的组成部分。所有泥水系统的运行和操纵由泥水监控系统来实现，泥水调制浆系统的监控系统都由PLC程序实现。通过泥水监控系统的运用，可随时为盾构运行时提供可靠的泥水调制浆系统的技术数据。同时通过控制系统中的显示屏和触摸屏可及时了解和掌握相关的泥浆处理技术指标并可在触摸屏上对系统设备进行相应操作。

4 工程应用

4.1 泥水处理系统

为配合盾构掘进施工，独立设置了泥浆处理场。南、北线每台盾构泥水处理各采用2套MTP-800型泥浆处理系统，系统采用了自动化控制系统流程，具有分级处理之功能，可以实现连续生产，满足盾构施工对泥浆处理的要求。主分离系统采用粗筛+(一次旋流至74 μm+脱水筛)+(二次旋流至20 μm+脱水筛)流程。

泥水处理系统技术性能参数：1)泥浆最大处理量为:1 600 m3/h；2)泥浆分离前比重:平均1.3，最大1.4；3)泥浆分离后比重:平均1.1，最大1.2；4)筛分出的渣料含水率为25%左右；5)单套泥浆处理系统外形尺寸：9 033 mm×7 150 mm×6 138 mm；6)总重量：95 t；7)装机总功率：721.6 kW。4.2调制浆液系统

调制浆液系统选用，根据土质资料，盾构段隧道穿越的地层有近12%的地层为圆砾砂地层，所需新制浆液进行补充，调制浆液能力应与之匹配；拟定采用具备制浆能力为120 m3/h的调制浆系统。

调制浆系统技术性能参数：

1)制浆能力：120 m3/h；

2)调整池有效容积：1 040 m3；

3)沉淀池面积：1 320 m2；

4)可供最大弃浆量：568 m3/h；

5)新浆允许储备量：240 m3；

6)新浆最大可输送量：120 m3/h；

7)装机总功率：190 kW。

调制浆设备的配置：

1)新浆用量。新浆配制以常规材料：膨润土及CMC等其他辅料为主；

新浆每环用量：Qx≈37 m3/R=61 m3/h。

2)系统用水量。每环用水量：Qw=185(稀释水)+37(制浆用水)=222 m3/R=355 m3/h。

稀释水∶制浆用水=5∶1。

4.3 应用效果

合江套湘江盾构隧道工程的实际情况，通过选用合理的泥水处理设备，设备操作简单、结实耐用，故障率极低，设备系统噪声小，振动低，噪声不超过65 dB，在施工过程中对周围居民扰动小。调制浆液根据地层、通过试验确定了泥浆运动粘度，依据运动粘度的要求以纯碱、CMC、膨润土、水为材料配置出新制浆液配合比，按配合比制出满足使用要求的浆液用于施工。总体取得了盾构泥水分离的施工经验，并得出了一整套盾构隧道泥浆分离施工的质量控制措施。选用合理的泥水处理设备和试验确定的浆液，提高了工效，降低了成本，具有良好的经济效益，保证了施工的进度和安全顺利进行，具有很好的社会效益。该工法满足了现场施工需求，保证了工程施工的质量和进度，为合江套湘江盾构隧道工程节约工期20 d。成本降低了大约30万元。该工法经济合理，简单易行，安全可靠，文明环保。