泥浆净化及压滤系统在地下连续墙施工中的改进应用

李志强

中铁建工集团有限公司广州分公司 广东 广州 511400

在较厚的砂土层中进行地下连续墙（以下简称“地连墙”）施工时，土层中的粉细砂等泥沙常常会改变槽孔中的泥浆性能，导致在地下连续墙成槽过程中易发生坍孔，引起成槽困难、成槽工效慢等问题。同时，在较厚的砂土层中施工，地连墙槽孔中的沉渣厚度也容易超出规范要求，使得地连墙施工质量较难保证。因此，在类似的地层中施工时，往往须对槽孔中泥浆适时地进行净化处理，以减少成槽过程中产生的泥沙等颗粒物，从而提高槽孔内泥浆性能，保持成槽孔壁稳定，同时减少槽底沉渣厚度[1-3]。

1 背景工程概况

金融城站综合交通枢纽基坑工程，位于某超一线城市中心城区，基坑深度38 m。基坑采用地下连续墙＋内支撑的支护形式，地下连续墙厚度为800 mm，局部为1 000 mm，整个基坑共计100幅，幅宽6 m，个别为5 m，采用工字钢接头。地下连续墙最大深度40.18 m、最小深度21.60 m，工程量约12 814.48 m3。基坑平面如图1所示。

图1 基坑平面示意

详勘及地质超前钻揭露，场地存在砂土层，且分布较广，最厚砂层达36 m。地质从上至下依次为：填土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、风化灰岩。地连墙完工后，需外排或处理的泥浆以设计工程量的3倍计，约38 443.44 m3。

2 泥浆净化改进工艺的提出

基坑工程所在地层中含砂层厚、分布广，砂土层在地连墙成槽过程中对泥浆的性能影响非常大，容易使泥浆短时间内劣化，导致成槽沉渣变厚等。为此，在地连墙施工前引进了ZX-250型净化设备，但在净化处理过程中发现净化设备经常发生故障，净化设备的筛网易被筛出的泥沙堆积堵塞。经过分析发现，在地连墙成槽过程中，槽孔中的泥沙含量过高，泥浆中含砂率最高达23%，高含砂率超出此单一净化设备的处理能力，致使筛网堵塞。为解决这一问题，最直接的方式为定期更换筛网、滤片设备，然而根据实际施工强度和情况，更换筛网、滤片设备过于频繁，平均一天需更换2次，并且净化设备仍容易发生故障。

另外，工程所处地区环保要求高、场地狭小、废弃泥浆量大，且难以快速倒运，经对泥浆净化设备和泥浆压滤设备的对比分析，认为改进净化处理系统的设计并将泥浆压滤设备应用到净化处理系统中，可以预先减少泥浆中的泥沙含量，保证泥浆净化设备正常高效运转，从而提高泥浆净化和处理效率。

3 改进工艺流程及原理

3.1 改进工艺流程

泥浆净化设备应用在地连墙施工时的传统工艺，一般为一级净化，即单纯靠泥浆净化设备来除去泥浆中的砂砾等有害固相，泥浆净化设备安置于泥浆回收池前端或者后端。

改进的工艺流程中，设计三级净化，均安置在泥浆回收池前端，在泥浆到达泥浆回收池前净化泥浆。在三级净化中，泥浆中的砂砾等有害固相含量逐级较少，前一级净化后的泥浆性能指标符合下一级净化设备的处理能力和要求。此外，在使用三级净化的同时，引入劣化泥浆压滤处理设备，处理净化过程中的劣化泥浆和完工后的废弃泥浆。改进的工艺流程如图2所示。

图2 改进工艺流程示意

3.2 改进工艺原理

1）地连墙中的泥浆从槽段中回收到净化，再到调整循环或者废弃处理，大致可分为三大部分，第1部分是回收泥浆的三级净化，第2部分是劣化泥浆的压滤固化处理，第3部分为泥浆的调整拌制再生。以上三部分系统简称为泥浆净化处理中心。总体上，地连墙泥浆进入三级净化系统后，经过净化系统除砂及除去有害固相后，进入到泥浆回收池。经过性能检测，可循环利用的泥浆（合格的泥浆）进入到再生系统重新调整拌制泥浆；劣化的泥浆（不合格的泥浆）则进入压滤系统进行固液分离处理，分离成泥饼和清水。

2）在三级净化系统中，由电动振动筛罐组成的第1级净化系统可初步物理筛除泥浆中粒径3 mm以上的砂砾等较大颗粒物及有害固相，起到初筛的作用。筛分出来的固体颗粒物可定期从筛网上清理，装袋以作他用。经过第1级净化系统后的泥浆进入到由旋流器组成的第2级净化系统，利用旋流器旋流分离重度和轻度物质的原理（图3），将初步净化后的泥浆进一步净化，轻度泥浆从旋流器上口溢流到第3级泥浆净化设备中继续净化，重度泥浆从旋流器下口流通到泥浆压滤设备中进行固液分离。经过第2级净化系统净化过后的泥浆性能，已经基本可以满足由泥浆净化专用设备组成的第3级泥浆净化系统的处理要求。经过第3级净化系统后，基本可除去泥浆中粒径0.060 mm以上的颗粒和有害固相。第3级净化系统分离出的干渣料可装袋以作他用，再次净化后的泥浆则流入到泥浆回收池中，进入下一个系统。

图3 旋流器原理

3）压滤处理设备系统主要利用压滤处理专用设备处理泥浆回收池中检测不合格的劣化泥浆和净化系统中旋流器产生的重度泥浆，将流入到压滤器的泥浆进行固液分离，形成的泥饼装袋以作他用，形成的清水经检测后可回收利用。

4）泥浆再生系统主要为调整净化后检测合格的泥浆，使之达到满足地连墙成槽施工要求的性能指标，此处不做详细介绍。

4 净化及压滤设备

4.1 设备及系统建立

三级净化系统、压滤固化处理系统以及再生系统应根据基坑的状态和地连墙施工组织分区集中设置于一处，利于快速净化处理泥浆和回收利用分离物，同时减少场地占用。地连墙各个槽段与泥浆净化处理中心以及泥浆净化处理中心各个系统间由φ250 mm×5 mm铸铁管连接形成连通的回形管路，再通过在管路上设置渣浆泵系统使各管道内的泥浆循环流通。

振动筛罐主要的技术规格为筛网尺寸和容积，筛网应选择孔径3 mm左右的规格，容积可根据现场场地情况而定，一般不宜少于50 L。

旋流器主要应满足进料口和溢流口流量的要求，宜选择FX610～710型的规格，处理能力为260～500 m3/h，分离粒度为74～250 μm，单机质量为850～1 120 kg。

泥浆净化设备为净化系统的关键设备，可根据施工强度选择ZX-200或ZX-250型号，处理能力分别为200、250 m3/h，分离粒度均为60 μm，装机功率为48～60 kW，单机质量为4 800～7 600 kg。

压滤处理设备同样为整个工艺中的关键设备，可考虑选用板框式压滤机，对于各种性质的泥浆均适用。另外，板框式压滤机耗电量小，功率仅3～5 kW，分离出的泥饼含水率≤20%，分离出的水质达到工程养护用水标准。

4.2 设备及系统原理

1）泥浆净化设备原理。以ZX-250型号的泥浆净化设备为例，泥浆通过总进浆管输送到泥浆净化装置的粗筛中，经过其振动筛选将粒径在3.0 mm以上的渣料分离出来。经过粗筛筛选的泥浆进入泥浆净化装置的储浆槽，由泥浆净化装置的渣浆泵从槽内抽吸泥浆，在泵的出口，具有一定储能的泥浆沿输浆软管从水力旋流器进浆口切向射入，通过水力旋流器分选，粒径微细的泥沙由旋流器下端的沉砂嘴排出并落入细筛。经细筛脱水筛选后，较干燥的细渣料分离出来，经过细筛筛选的泥浆再次返回储浆槽内。处理后的干净泥浆从旋流器溢流管进入中储箱，然后沿总出浆管输送回槽孔[4]。泥浆净化设备原理如图4所示，实物如图5所示。

图4 泥浆净化设备原理

图5 泥浆净化设备实物

2）压滤处理设备原理。泥浆经过滤介质（滤布）后，固体停留在滤布上，并逐渐在滤布上堆积形成过滤泥饼，板框式压滤机压板的开合，可使泥饼自动脱落。而滤液部分则渗透过滤布，成为不含固体的清液。随着过滤过程的进行，泥饼厚度逐渐增加，过滤阻力加大。过滤时间越长，分离效率越高。特殊设计的滤布可截留部分粒径小于1 μm的粒子。压滤机除优良的分离效果和泥饼高含固率外，还可提供进一步的分离功能，在过滤过程中可同时对过滤泥饼进行有效洗涤，从而使有价值的物质得到回收且可获得高纯度的过滤泥饼。压滤分离的泥饼如图6所示。

图6 分离泥饼

5 施工效果分析

改进后的泥浆净化系统能够有效降低泥浆中的泥沙含量，在后续地连墙成槽施工过程中，很少发现成槽孔壁坍孔情况，施工进度得到快速推进。地连墙成槽后，槽孔首次清槽后的沉渣厚度平均为120 mm，二次清槽后的沉渣厚度平均为65 mm，满足100 mm的规范限值要求，有效保证了地连墙的施工质量，同时也减少了废浆的排放。

第1级净化系统中袋装回收的砂石固体颗粒物、第3级净化系统中袋装回收的干渣料以及压滤处理系统中袋装回收的泥饼和清水等，均可重复利用，如干渣料可以制作地连墙接口处的封堵沙袋，泥饼用于基坑回填料，清水作为工程养护或文明施工用水。

6 结语

本文案例中的金融城站综合交通枢纽基坑工程在地连墙施工阶段，改进并应用泥浆净化系统，有效解决了该地区地连墙成槽施工难题。同时，泥浆净化设备和废浆压滤处理设备的组合应用，有效减少废弃泥浆的外运排放，避免了泥浆对环境的污染，有效节约废弃泥浆外运、消纳以及污染治理等的经济成本，在类似地层的地连墙施工中有较好的推广应用价值。