软土地层小直径长距离泥水平衡盾构泥水处理选择及应用

陈 松

中国建设银行股份有限公司上海市分行 上海 200020

近年来，盾构法在重要能源主干管道，如石油运输越江管道隧道、城市电力主干隧道、天然气地下主干管道隧道等工程中应用广泛。因管道对隧道空间需求较小，所以隧道直径也较小；而在富含地下水的软土地层中，常用泥水平衡盾构机施工。

目前，国内大城市重要公路隧道，已有较多采用大直径泥水平衡盾构法施工的工程实例[1-3]，其泥水系统已有较为成熟的工艺和材料。大直径盾构刀盘切削土层丰富，泥水循环中颗粒大小覆盖范围广，已经基本形成了以泥水筛分处理系统为主、废浆处理为辅的泥水处理工艺，泥水循环的调蓄池往往需要占用很大的场地面积。而国内小直径盾构刚刚起步，参考工程寥寥无几，盾构类型有土压平衡盾构、复合盾构、泥水平衡盾构等，其中，泥水平衡盾构工程实例最少，且主要在沙砾土层中推进，一次性掘进距离少于4 km。相比于大直径泥水平衡盾构，小直径泥水平衡盾构刀盘断面土层较简单、泥水流量相对较大、盾构场地较小等特点决定了泥水处理工艺并不能照搬照用，所以在小直径超过4 km距离的泥水平衡盾构隧道中的泥水处理选用和应用国内还未有可借鉴的经验，该技术研究对于我国重要管线的泥水平衡盾构法应用推广具有重要的意义。

1 泥水平衡盾构机泥水处理原理

泥水平衡盾构的泥水系统运作原理如图1所示。

图1 泥水处理流程原理

循环泥水通过送泥管路到达在盾构机头刀盘处的泥水仓，一方面发挥泥水护壁的作用，另一方面与刀盘切削下来的渣土充分混合，通过排泥泵和排泥管路被运送至地面；从排泥管排出的泥水和渣土先送到地面泥水处理设备中，泥水中颗粒较大的渣土，在处理设备中被筛分出来进入渣土场地；颗粒较小的渣土悬浮于泥水之中，进入沉淀池。在沉淀池底部的泥水大颗粒渣土较多，其密度较大，达不到循环泥水要求，需做废浆处理；沉淀池中缓慢流动的上层泥水，由于密度相对较小，又有比较好的黏度，所以作为循环泥水继续由送泥管送到盾构机头刀盘处泥水仓再次循环上述流程。而在调整池中，循环泥水参数需要定期检测，达不到标准时需要及时添加水、膨润土等参数进行调整。

2 工程土层特点

某越江小直径隧道，隧道长度超过8 k m，采用φ4.11 m泥水平衡盾构机施工，隧道外径3.96 m、内径3.40 m、环宽1.35 m。隧道主要穿越土层为⑤1-1层、⑤2层、⑤3-1层、⑤3-2层。其中第⑤1-1层灰色黏土，局部为淤泥质黏土，土质较均匀。第⑤2层灰色粉砂，夹薄层黏性土，局部以细砂为主，土质不均。第⑤3-1层灰色粉质黏土，夹多量薄层粉性土，局部夹多量粉砂，土质不均。第⑤3-2层灰色粉质黏土、黏质粉土互层，粉质黏土与黏质粉土呈互层状分布，局部夹多量粉砂，土质不均。隧道与土层关系如图2所示。

图2 隧道水平压缩穿越土层断面示意

从图2可看出该隧道穿越的土层中，60%的土层为⑤3-1层，30%为⑤1-1层，8%为⑤2层，2%为⑤3-2层。土层的颗粒分析对泥水处理系统来说至关重要，从土层颗粒分析（表1）可知土层中主要为小于0.05 mm的细微颗粒。穿越土层土中含水率：⑤1-1层为43.7%，⑤2层为28.3%，⑤3-1层为35.2%，⑤3-2层为33.3%。

表1 主要穿越土层平均颗粒分析表

3 泥水平衡盾构机泥水处理选择

在选取泥水处理设备时，需要首先考虑有效性，然后考虑可靠性，再而考虑经济性，通过对工程特点和地质条件的分析，选用适合的泥水处理设备进行泥水处理。

3.1 泥水指标

泥水按照功能区别可分为新浆、循环泥水、废浆等。

新浆是采用膨润土、水、CMC按照一定比例充分混合搅拌形成的均匀混合液，具有较低的比重和较高的黏度。

该工程盾构机正常推进过程中刀盘切削的黏土和循环泥水结合后的混合物是具有一定黏度且比重较高的泥水。在泥水循环过程中，由于土层颗粒较细，不能被处理的颗粒不断增加，循环泥水比重不断上升，黏度略有下降。

一方面，长距离隧道内携带渣土的泥水循环需要采用多台接力泵接力输送，接力泵在扬程一定的情况下，泥水比重越大，其能够接力输送的距离越短。所以循环泥水比重越大就需要采用越多的接力泵，造成设备成本增加。另一方面，泥水比重越高，其悬浮渣土的能力越强，配合较大的黏度可以减少对管道的冲击。为保持泥水运送渣土的能力，比重也不能过低。

选择优质膨润土按照0.03∶1的比例可以制备比重1.02 g/ml、黏度40 s的优质新浆，用于初始推进和过程中的浆液参数调整；在推进中需要保持循环泥水的比重和调整池泥水比重保持在1.15 g/ml左右，黏度控制在20 s左右；当沉淀池中下层泥水比重≥1.3 g/ml时，必须做废浆处理。

3.2 泥水池选用

泥水池按照功能可以分为制浆池、循环池、沉淀池、废浆池，其中循环池和沉淀池是结构连通的。沉淀池中上层的泥水进入到循环池，而下层的废浆用渣浆泵抽到废浆池待处理。由于缺少详细的计算，目前仅依据和同类实例工程经验，因此该工程选择沉淀池容量调整池容量。根据盾构直径大小设置为120 m3、沉淀池容量为300 m3。为防止废浆处理设备故障时泥水参数无法实现调整，另外设置了2个容量为150 m3钢质备用浆桶。

3.3 泥水处理技术选用

土层中颗粒虽然主要是小于0.05 mm的细微颗粒，但仍然有10%左右大于0.05 mm颗粒的粉砂，这些颗粒在常规情况下会在沉淀池中沉底。若不采取处理措施，沉淀池每几天就需要进行停工清底，这对工效的影响在长距离盾构中十分不利。因此，需要选用一套泥水分离设备，该分离设备的最大泥水处理流量是400 m3/h。

从盾构机排出的泥水渣土通过管道由渣浆泵泵送到地面泥水分离设备，首先流到黏土块-泥水分离机和粗筛，筛上物直径4～150 mm的大块物料落到渣场；筛下物泥水进入一级旋流器，直径0.074～4.000 mm 的颗粒物进入底流，落至一级分离2号振动筛筛分脱水后进入渣场；再筛分后泥水进入二级旋流器，直径大于0.05 mm的颗粒物进入二级旋流器底流，落入二级脱水筛脱水；二级旋流器的溢流泥水进入沉淀——调浆系统，调整后再送回盾构机进行循环使用（图3）。

图3 泥水分离流程示意

3.4 泥水压滤设备选用

为了达到保护生态环境的要求，废浆处理采用压滤工艺。顾名思义，压滤就是将泥水中的泥和水通过高密度的滤布分离开，使泥水中的泥土达到可以外运处置的级别（其含水率不大于30%），使泥水中的水达到可以循环利用的级别。然而，泥水压滤设备处理能力需要与盾构推进的额定推进量相适应。在换算上，由于自然土层含水率比压滤土含水率高，所以在计算压滤能力上，采用最终压滤方量等同于开挖方量计算时，仍具有一点余量。

该工程每一环的出土量约为b×πD2/4=17.9 m3（环宽b为1.35 m，盾构直径D为4.11 m），一环推进和拼装总时间为1 h左右，压滤需要处理90%的开挖土方量，所以需要考虑泥水压滤量为16.11 m3/h。选用2台压滤机，单台压滤机处理能力为8 m3/h。

4 泥水平衡盾构机泥水处理应用

4.1 小直径长距离泥水应用与完善

以上泥水处理设备在工程进展中得到了应用，并根据场地情况进行了合理布置。泥水系统流程中的泥水处理也完善至分离和压滤2个环节（图4）。

图4 泥水处理系统完善流程示意

在盾构推进过程中，泥水系统运转下出现了泥水比重上升较快的情况。在连续4天保持10环/d推进速度的情况下，人工检测循环泥水比重发现泥水比重从1.17 g/ml持续上升到1.31 g/ml，同时排泥泵的负荷也上升较快。

分析其原因，主要是总浆体积增加过快造成的。压滤机原定废浆比重在1.3 g/ml左右进行压滤，而总浆量的增加使压滤机不得不在浆液比重只有1.25 g/ml左右时就对其进行压滤，其单位时间内压滤的效率降低了。在预选压滤机时，考虑的是对应每一环管片推进时间的处理量，然而实际上一天中并非24 h均保持推进，泥水平衡盾构机在推进过程中还有交接班、设备维保、泥水管路接长等工作需要占用时间，所以目前的压滤量仍然跟得上单日推进需求。

此时，采用的解决方案是转变备用钢质浆桶的作用，将其从防止压滤机检修而暂时充当调整泥水比重的废浆池，转为正常压滤工作时调整泥水比重的废浆池。沉淀池底部废浆抽到钢质浆桶后被压滤，调整池中可以加入大量新浆或水来有效降低泥水比重。

4.2 小直径长距离泥水处理管理

泥水指标的管理采用与盾构推进相同的“10+10+4”工作制，即2个班交接，每个班含上下班10 h，中间停顿进行设备维保4 h。在盾构推进过程中，泥水循环的持续工作至关重要，所以调整池的液位和泥浆比重需要人员实时监控。为了精简泥水处理场地的管理流程，同时增加泥水管理效率，在场地上设置监控设备情况，在泥水池内设置水位计和摄像头，并且设置网络电话可以与地下盾构机驾驶室、中央监控室相互通话。在泥水指标上，采用人工检测主控校核循环泥水的比重和黏度，采用自动密度计实时监控管路中的循环泥水比重，可以快速应对泥浆调整，防止水泥比重过高时推进对排泥接力泵的高负荷损伤。

经过以上调整，循环泥水比重可以在连续推进12环/d的推进速度下保持（1.15±0.02） g/ml，黏度（20±2） s左右的控制指标。

5 结语

随着地下空间开发和盾构技术的不断发展，主干管道采用小直径盾构法施工是一大基础设施建设的发展趋势，尤其是适合富水地层长距离施工的泥水平衡盾构。该工程实例根据工程特点和地质特点，将泥水处理工艺和设备参数进行分析和选择，并在实际应用中进行完善。该技术对以后软土地层小直径长距离泥水平衡盾构推广有积极的指导意义。