卧式离心机高含水率盾构泥浆絮凝剂比选及现场应用

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211800）

随着我国城市地铁及过江隧道的大规模建设，泥水平衡盾构技术得到了广泛应用。该工法在盾构开挖面的密封隔舱内注入泥浆，通过泥浆加压使内外压力平衡，以保证开挖面土体的稳定。而当盾构掘进时，刀盘切削下来的土体与泥水混合，并泵送至地面，从而产生大量高密度的泥浆。泥浆经地面泥水分离设备处理后，一部分泥浆进入盾构机循环使用，剩余泥浆则需要进行脱水处理。若泥浆处理不当将会对周围环境产生巨大的影响。

卧式螺旋离心机占地面积小，泥浆处理大的优点显现，逐步应用于盾构泥浆的脱水处理中。卧式螺旋离心机的结构参数对其分离效率有较大影响，已有一些学者对其结构参数开展研究。荆宝德等[1]针对大直径双锥角卧螺离心机，对转毂锥角进行仿真模拟得出最优转毂锥角为9.5°。吴蕾等[2]研究了长径比对分离效率的影响，认为离心机处理量随长径比增加而增大，同时其分离性能也越好，但长径比过大反而会导致分离效率降低，因此长径比是在某一范围内具有相对最优值。邱发华等[3]研究了物料入射角对分离效率的影响，认为进口入射角为30°时离心机分离效率最高。但是针对不同的物料性质需调整离心机参数寻找最佳的离心脱水效果。

本文以济南市济泺路穿黄隧道工程为背景，根据现场泥浆粘粒含量高的特点，对分子量不同的两种阴离子型聚丙烯酰胺进行比选，选取最优药剂应用于卧式螺旋式离心机，根据离心出渣土含水率调整离心机转毂转速，以达到最佳的离心脱水效果。

1 试验材料及方法

试验泥浆取自济南市济泺路穿黄隧道工程盾构施工现场，经泥水分离系统分离出送入离心机前的泥浆，使用Mastersize2000 激光粒度仪测试泥浆粒度组成，得到的泥浆颗粒级配曲线（图1）。

图1 泥浆颗粒级配曲线

通常状况下，泥水平衡盾构穿越粘土层时排出的泥浆经过泥水分离系统预筛分器能筛除粒径大于3mm 的渣土块，经一二级旋流器处理后筛出大部分粒径大于75μm 的颗粒，先后经过两次除砂除泥处理后的一部分泥浆送入离心机进行脱水处理。由图1 可知，泥浆中粘粉粒含量高达99%，泥浆中细小土颗粒含量高，不易自然沉淀，极大地影响了泥浆的脱水效率。

试验采用药剂为阴离子型聚丙烯酰胺（APAM），分子量为1 200 万和1 800 万，均为白色颗粒状粉末，水溶性强，将APAM 配置成质量分数为0.3%的溶液进行试验。后续脱水试验采用XYY1000-3500 型离心机进行离心脱水效果的验证，以满足现场泥浆处理的需要。

2 卧式螺旋离心机结构及工作原理

2.1 卧式螺旋离心机结构

本项目采用XYY1000-3500 型离心机进行泥浆的固液相分离。该设备主要由螺旋推料器、转毂、罩壳、液压差速器、主辅电机、减震器、机座等组成。高速旋转的转毂建立离心力场，使得泥浆开始分离，根据排渣与分离的要求，转毂设计成锥段和柱段两部分。螺旋推料器与转毂同向旋转，可以使沉降到转毂壁上的固体能连续不断地推向锥转毂口的群渣口。差速器可以使螺旋与转毂之间的差转速能够保持稳定。

表1 XYY1000-3500型离心机主要技术参数

2.2 卧式螺旋离心机工作原理

卧式螺旋离心机工作时转毂与螺旋推料器采取主辅2 台电机单独驱动，同时同向高速旋转且在差速器的作用下形成了一定数值的差转速（其数值由变频器程序调节控制）来共同推料。从进料口将泥浆压入到由转毂与螺旋推料器组合形成的螺旋流道内，因转毂的高速旋转产生很大的离心力，基于固液两相比重差的缘故，泥浆中固相颗粒迅速被逆向转毂内壁并沉积在内壁上，与转毂做相对运动的螺旋推料器其上的螺旋叶片不断地将沉积在转毂内壁上的固体颗粒刮走并推向出料口，分离后的清液经出液口溢流出转毂，从而实现对固液两相的连续分离。

泥水盾构在粉质粘土地层中掘进时，随着掘进距离的增加，泥浆比重会持续增高，从而影响正常的泥浆循环携渣能力，所以泥水盾构施工过程中泥浆的废弃处理是无法避免的问题。该离心机可直接将废浆分离成渣土与达到排放标准的废水。通过调节转毂转速，可调整离心机处理能力和渣土含水率。所以在满足最大处理能力和最佳处理效果这一对矛盾中，需找到最佳转速值，以确定最佳的离心脱水工况。

3 试验结果与分析

3.1 泥浆絮凝效果分析

将絮凝剂用于卧螺离心机前需确定最合适絮凝剂及其最优添加量，图2 为加入分子量1 200 万阴离子型聚丙烯酰胺对泥浆絮凝沉降效果的影响。

图2 添加分子量1200万APAM时的絮凝沉降效果

由图2 可知，加入分子量1 200 万APAM后，对泥浆的絮凝沉降有一定影响。当APAM 添加量较小时，泥浆中未见絮团，仍呈流体状，随着APAM 用量的增加，泥浆逐渐出现泥水分离的现象，当添加量为0.054%时，泥浆中细颗粒逐渐团聚成大絮团，出现泥水分离现象，此时泥浆约脱去30%水分，当添加量为0.064%时，泥浆脱水的水分有所减少，这是由于过量的APAM 包裹着絮团中包含水分，导致分离出的水分减少。

如图3 所示，分子量1 800 万APAM 同样会影响泥浆的絮凝沉降。当APAM 添加量为0.046%时，便出现了泥水分离现象，此时由于添加量较少，APAM 分子链未能完全连接粘土颗粒，仅有部分水分析出，随着APAM 用量的增加，泥浆泥水分离的现象更为明显，大絮团逐渐形成，发生絮凝沉降，泥浆脱去约30%的水分，随着APAM添加量的增加，泥浆脱去的水分并未显著增加。

图3 添加分子量1800万APAM时的絮凝沉降效果

由于絮凝剂比选主要用于指导泥水盾构现场离心机处理废浆，故基于絮凝及离心脱水试验结果对经济效益进行了对比分析（以絮凝剂最优添加量进行对比），见表2。两种类型APAM 添加量分别为0.054%和0.051%，每方泥浆中干粉添加量仅相差36g，而由于每吨APAM 的价格差异，使得处理每方泥浆的絮凝剂成本相差了3.3元。而在两种絮凝剂添加至泥浆中，絮凝和离心脱水效果相近的情况下，选择分子量为1 200 万的国产阴离子型聚丙烯酰胺可取得较大的经济效益。

表2 絮凝剂成本比较

3.2 泥浆离心脱水效果分析

现场配置有絮凝剂溶液罐，罐中分子量1 200万的阴离子型聚丙烯酰胺溶液质量分数为3%，其通过剪切泵与泥浆进行混合，输送至离心机处理。由于离心机转毂的大小对出渣含水率有较大影响，因此在保证相同处理量的情况下，通过调节两种絮凝剂添加后卧式螺旋离心机的转速，选 取1 200r/min、1 400r/min、1 500r/min、1 600r/min 四个转速，得到了出料的含水率与转速的关系。转速对泥渣含水率的影响如图4 所示。

由图4 可知，当转速从1 200r/min 增加到1 500r/min 时，土工含水率降低了约10%，可知较高的转速使出料口的泥渣含水率变低，即增大转速可使离心作用力加强，从而泥浆颗粒与水更易分离，但后续转速提高到1 600r/min 时，含水率降低幅度不明显。因此考虑到所需能耗、卧式螺旋沉降离心机的运行稳定性等因素，将泥浆处理时的离心机转毂转速设置为1 500r/min 较为合适。最终离心机进料含固率约30%，离心机组单机处理量40～60m3/h，分离后泥渣土工含水率约50%，可以满足后续运输条件。

图4 出料的含水率与转速的关系

4 结论

基于XYY1000-3500 型卧式螺旋离心机，通过室内絮凝沉降试验，测定不同转速下的泥渣含水率分析泥浆的脱水效果，得出以下结论。

1）分子量1 200 万、1 800 万APAM 能使泥浆快速絮凝沉降，随着APAM 用量的增加，泥浆泥水分离的现象更为明显，大絮团逐渐形成。在絮凝脱水效果相近的情况下，选择分子量为1 200 万的国产阴离子型聚丙烯酰胺可取得较大的经济效益。

2）出料口泥渣的含水率随着转鼓转速的增加而降低，但是综合考虑到所需能耗、运行稳定性等，离心机转毂转速设置为1 500r/min 时较为适宜。