大型泥水盾构施工中的泥水处理.docx
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大型泥水盾构施工中的泥水处理
大型泥水盾构施工中的
泥
水
分
离
处
理
系
统
第一章 绪论
一、泥水加压式盾构及其泥水分离处理系统概述
盾构法施工已有170余年历史，随着科学水平的不断提高，盾构技术也得到不断发展和完善。
至今，盾构已发展成为软土地层修建隧道的一种专用施工机械，盾构施工法也已成为当今城市隧道和地铁工程中不可缺少的一种施工法。
为了满足城市隧道建设的地表沉降控制和加快施工速度，泥水加压式盾构逐渐发展并成熟，泥水加压式盾构用泥浆代替气压，用管道输送代替轨道出土，加快了掘进速度，改善了劳动条件和施工环境，能较好地稳定开挖面和防止地表隆陷，成为当今一种划时代的盾构新技术。
1996年，上海采用直径11.22m泥水加压式盾构，成功穿越7m浅覆土河床和4.2m超浅覆土软土地层，完成延安东路南线水底公路隧道施工，标志着中国隧道施工技术已达到国际先进水平。
近来，上海市相继开始建设大连路和复兴东路越江隧道工程，并采用直径11.22m泥水加压式盾构施工，为该施工工艺在软土地基中施工提供了广阔的舞台。
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，将加压的泥水送入泥水压力室，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，来谋求开挖面的稳定。
盾构推进时由旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面。
在地面调整槽中，将泥水调整到合适地层土质状态后，由泥水输送泵加压后，经管路送到开挖面泥水压力室，泥水在稳定开挖面的同时，将刀盘切削下来的土砂搅成浓泥浆，再由排泥泵经管路输送到地面。
被送到地面的泥水，根据土砂颗粒直径，通过一次分离设备和二次分离设备将土砂分离并脱水后，排去分离后的水，经调整槽进行再次调整，使其成为优质泥水后再循环到开挖面。
二、泥水平衡机理及指标
1、泥水平衡机理
泥水平衡盾构是在切削刀盘与隔板之间形成的密封舱中，注入满足施工要求压力的泥浆，使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，由刀盘开口进入密封舱与泥水混合后，形成高密度泥浆，由排泥泵及管道输送至地面进行处理，整个过程通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统一管理。
盾构掘进机设有操作步骤设定，各操作步骤间设有联锁装置，制约因误操作而引起事故，施工安全可靠。
在实际施工中，泥膜的形成是至关重要的。
当泥水压力大于地下水压力时，泥水理论按达西定律渗入土壤，形成与土壤间隙成一定比例的悬浮颗粒，在“阻塞”和“架桥”效应的作用下，被捕获并积聚于土壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。
随着时间的渐渐推移，泥膜的厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强，当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。
2、泥水管理控制
（1）、进浆泥水指标
泥浆能否在渗入土壤时形成优质泥膜，能否稳定切口前方土体，除了采取其它施工技术措施外，对进浆泥水的质量管理也是十分关键的。
在施工中，要加强对进浆泥水的以下主要指标进行控制。
泥浆配合比：
膨润土：
CMC：
纯硷：
水＝300ｋｇ：
２．２ｋｇ：
１１ｋｇ：
８７０ｋｇ
比重：
1.15～1.20
粘度：
20～23
含砂量：
15～25
析水量：
5％
PH值：
8
3、排泥指标控制
✧比重
泥水的比重是一个主要控制指标。
掘进中进泥比重不易过高或过低，前者将影响泥水的输送能力，后者将破坏开挖面的稳定。
泥水比重的范围应在1.15～1.30g/cm3，下限为1.15g/cm3，上限根据施工的特殊要求而定，在砂性土中施工、保护地面建筑物、盾构穿越浅覆层等，可达1.30g/cm3。
甚至可达1.35g/cm3。
✧黏度
泥水的粘度是另一个主要控制指标。
从土颗粒的悬浮要求来讲，要求泥水的粘度越高越好，考虑到泥水处理系统的自造浆能力，随着推进环数增加，泥浆越来越浓，比重会呈直线上升，但比重的增加并非说明泥浆的质量越来越高，若在砂性土中施工，粘度甚至会下降，因此，泥水粘度的范围应保持在20～30s。
考虑到粘度的调整有一个过程，故在泥浆粘度为22s时（调整槽粘度），即可逐渐增加CMC，添加量的多少视粘度下降的趋势而定。
过分强调提高粘度而无限制地添加CMC，将提高工程费用，造成不必要的浪费。
当然，在特种场合，为了开挖面的更加稳定，有可能将粘度指标提高到35s。
✧析水度和ＰＨ值
析水度是泥水管理中的一项综合指标，它们在更大程度上与泥水的粘度有关，悬浮性好的泥浆就意味着析水量小，反之就大。
泥水的析水量须小于5%，PH值须呈碱性，降低含砂量、提高泥浆的粘度、在调整槽中添加石碱，是保证析水量合格的主要手段。
在砂性、粉砂性土中掘进时，由于工作泥浆不断地被劣化，就需要不断地调整泥水的各项参数，添加粘土、膨润土、CMC；在粘土、淤泥质粘土中掘进时，由于粘性颗粒不断增加，使排放的泥浆浓度越来越高，添加清水进行稀释则成为主要手段。
第二章大连路越江隧道盾构施工中的
泥水分离处理系统
一、工程概况
上海市大连路隧道工程是市府为改善交通的重大通道工程之一，由引道段、矩形段、工作井、圆形隧道段、管理中心大楼和天桥六部分组成。
设计起点位于杨浦区大连路霍山路口，沿大连路经杨树浦路、毛麻公司穿越黄浦江到浦东过其昌栈轮渡站东侧达浦东大道，沿东方路向南，设计终点为东方路乳山路口。
设二条隧道，线路里程为K0+0.000～K2+565.88，全长2.565KM。
主要施工方法为盾构法隧道，圆隧道隧道轴线平面呈反“S”形，纵剖面呈“U”形，东、西线线型基本一致。
东线设计线路长度为1274.20m，盾构从浦东向浦西推进。
浦西工作井位于大连路杨树浦路口，浦东工作井位于东方路昌邑路口。
二、工程地质概况
据地质勘察报告，工程范围内的地质资料从上至下依次为：
①人工填土、②褐黄～灰黄色粉质粘土、③1灰色淤泥质粉质粘土、③2灰色粘质粉土、③3灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤1-1灰色粘土、⑤1-2灰色粉质粘土、⑥暗绿～草黄色粘土、⑦1-1草黄色砂质粉土、⑦1-2草黄色粉细砂。
隧道主要埋置于⑤1-1灰色粘土、⑤1-2灰色粉质粘土、⑥暗绿～草黄色粘土、⑦1-1层草黄色砂质粉土中。
大连路隧道出洞推进隧道主要穿越④灰色淤泥质粘土、⑤1-1灰色粘土、⑤1-2灰色粉质粘土的土层。
各层土物理、力学性质指标如下表：
地基土的物理学性质指标 表一
序
号
土层
名称
层底
标高
（m）
层底
埋深
（m）
层
厚
（m）
指标
数值
类别
含
水
量
W
％
容
重
γ
g/cm3
孔
隙
比
e
塑
性
指
数
IP
内
聚
力
C
Kpa
内
摩
擦
角
φ0
压缩系
数（0.1-0.2）
Mpa
1／Mpa
无侧限
抗压强
度qn
kpa
①
人工填土
3.03
～
-0.34
1.50～3.00
1.50～3.00
最大值
平均值
最小值
/
/
/
/
/
/
/
/
②
褐黄色粉质粘土
2.29～
-1.05
2.60～4.00
0.00～2.00
最大值
平均值
最小值
37.3
31.7
24.7
2.01
1.89
1.81
1.07
0.91
0.70
19.4
16.7
12.9
23
18
9
26.0
18.5
14.5
0.57
0.37
0.18
54.2
③1
灰色淤泥质粉质粘土
-0.11
～
-4.26
4.00～7.50
0.00～4.50
最大值
平均值
最小值
57.1
37.8
28.2
1.90
1.82
1.67
1.59
1.07
0.83
23.0
15.7
12.7
15
14
12
20.5
17.3
15.0
0.79
0.49
0.23
/
③2
灰色粘质粉土
0.33
～
-7.05
4.50～
11.30
0.50～8.00
最大值
平均值
最小值
45.5
33.3
27.1
1.93
1.87
1.81
1.09
0.92
0.80
/
12
8
4
29.0
24.8
10.0
0.65
0.26
0.13
/
③3
灰色淤泥质粉质粘土
-4.06
～
-8.45
8.50～12.50
1.00～
8.00
最大值
平均值
最小值
52.6
40.1
35.4
1.84
1.80
1.69
1.48
1.12
1.00
23.5
15.8
11.7
15
13
12
17.0
13.7
10.5
1.24
0.80
0.45
/
④
灰色淤泥质粘土
-12.06
～
-16.03
16.50～18.50
4.50～9.50
最大值
平均值
最小值
56.0
48.6
39.4
1.79
1.72
1.67
1.55
1.39
1.13
27.5
22.8
16.1
18
14
12
12.5
10.5
9.5
1.40
1.07
0.60
56.3
40.0
34.8
⑤1-1
灰色粘土
-14.11
～
-19.45
19.00～22.50
1.00～6.00
最大值
平均值
最小值
48.9
40.1
30.6
1.89
1.78
1.71
1.37
1.17
0.91
25.0
21.1
15.9
22
18
14
18.0
12.9
10.5
0.95
0.61
0.35
93.5
85.0
46.2
⑤1-2
灰色粉质粘土
-19.48
～
-29.88
24.00～32.50
2.50～10.50
最大值
平均值
最小值
37.2
32.5
23.2
2.00
1.84
1.79
1.07
0.97
0.69
19.9
16.1
14.3
22
20
18
22.5
15.1
12.0
0.70
0.48
0.29
114.8
72.2
68.1
⑥
暗绿～草黄色粘土
-24.06
～
-37.38
28.50～40.00
1.30～7.50
最大值
平均值
最小值
30.7
23.5
20.3
2.06
2.01
1.88
0.88
0.68
0.62
19.9
17.9
16.1
40
30
23
25.5
18.5
15.0
0.32
0.24
0.15
/
⑦1-1
草黄色砂质粉土
-28.46
～
-42.88
33.00～44.50
0.50～7.50
最大值
平均值
最小值
34.9
29.9
22.0
1.95
1.90
1.84
0.97
0.85
0.75
/
10
4
1
33.5
30.4
24.0
0.29
0.17
0.11
/
⑦1-2
草黄色粉细砂
-44.81
～
<-50.17
47.40～>55.00
2.50～>21.50
最大值
平均值
最小值
36.0
28.3
20.8
1.97
1.91
1.83
1.00
0.81
0.69
/
3
1
0
36.0
33.9
30.5
0.22
0.13
0.07
/
三、泥水分离处理系统设计原理
泥水处理系统主要由泥水控制室、沉淀槽、泥水槽、粘土溶解槽、调整槽、剩余槽、新浆配制槽、清水槽、和泥水分离旋流器等组成，起着处理由盾构开挖面排出的泥水和制造新鲜泥水的作用。
利用黄浦江的天然水资源条件，将系统设置在浦东黄浦江边。
从施工地段土质构成来看，盾构主要穿越暗绿～草黄色粘土和草黄色粉质砂土，其颗粒组成：
0.25～0.074mm约占21.7％；0.074～0.035mm约占44.65％；≤0.035mm约占33.65％；由于<0.074mm的颗粒占了绝大多数，因此对泥水分离带来的相当大的难度，在总结了延安路隧道泥水处理的经验教训后，经过多种方案的筛选比较并辅之以实验室沉淀试验及工程旋流试验，最终方案定为二级泥水处理。
工艺流程图
一级泥水处理：
盾构排泥管排出的带有切削土质的泥水密度为ρ＝1.352T/m3,排入沉淀池，经沉淀池S形走道，泥水密度约降低0.022即ρ＝1.33T/m3，然后进入第一级旋流器，将≥0.074mm和部分<0.074mm的颗粒处理掉，使泥水密度约降低0.035，即ρ＝1.295T/m3，上液口泥水送入泥浆槽，再在泥浆槽内加水稀释使密度降为ρ＝1.255T/m3，便于经其后的二级旋流器处理的泥水可直接进入调整槽作为送泥水。
二级泥水处理：
经一级处理后的泥水在泥浆槽内用水稀释至ρ＝1.255T/m3，然后进入二级旋流器进行处理，大于0.030mm的颗粒将被处理掉，此时泥水密度约降低0.045，即ρ＝1.21T/m3，经二级处理后的泥水直接进入调整槽加上作为补充的少量新浆也被送入调整槽，由于新浆密度较小ρ＝1.05T/m3，二者混合后使送泥水密度达到ρ＝1.20T/m3的要求，直接供泥水盾构取用。
应急措施
为防止设备意外故障，影响盾构掘进，本系统设置三种应急模式：
应急模式0－调整槽进浆发生故障，其内泥水将被用完影响到掘进时，启动应急模式0，将沉淀池浆水直接送入调整槽并同时向调整槽加水，临时应急；
应急模式1－1#泥浆槽进浆发生故障，其内水位降低至低1位时，启动应急模式1，将沉淀池浆水直接送入1#泥浆槽，临时应急；
应急模式2―2#泥浆槽进浆发生故障，其内水位降低至低1位时，启动应急模式2，将沉淀池浆水直接送入2#泥浆槽，临时应急；
四、泥水分离处理系统使用情况总结
大连路越江隧道施工已接近尾声，从隧道整个推进过程来看，泥水处理系统发挥了巨大的作用，事实证明是成功的，并且为复兴东路隧道泥水处理系统提供了技术参考，同时在泥水系统的使用过程中，也发现了一些系统设计及工艺设计中的不合理处。
1、不同土层都采用同一种处理模式，针对性不强；
据地质勘察报告，工程范围内的地质资料从上至下依次为：
①人工填土、②褐黄～灰黄色粉质粘土、③1灰色淤泥质粉质粘土、③2灰色粘质粉土、③3灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤1-1灰色粘土、⑤1-2灰色粉质粘土、⑥暗绿～草黄色粘土、⑦1-1草黄色砂质粉土、⑦1-2草黄色粉细砂。
隧道主要埋置于⑤1-1灰色粘土、⑤1-2灰色粉质粘土、⑥暗绿～草黄色粘土、⑦1-1层草黄色砂质粉土中。
在⑤1-1灰色粘土中小颗粒粘粒较多，⑥暗绿～草黄色粘土含较难搅碎的块状土，⑦1-1层草黄色砂质粉土中小砂粒较多，可见各土层参数不一样，故整个系统设计时，应充分考虑不同土层的特性。
实际使用过程中泥水分离并没有有效的针对措施，而是主要采取沉淀池沉淀＋挖机挖掘，只适用于⑥较难搅碎的块状土，对于0.2以下⑦主要颗粒由于较难沉淀，挖机无能为力，故在⑦1-1推进时，挖机挖掘量较小，沉淀池尾部比重特别高，有时达1.50，还是主要靠旋流器分离，这样就增加了旋流器的负担，由于旋流器进口比重较高，影响了其工作效率，使系统处理量降低，而且比重无法降低到设计要求，不得不添加大量新浆予以稀释，增加了成本。
各项参数平均值统计数据
环号
0
18
58
105
170
532
605
720
780
地层编号
④号
⑤1号
⑤2号
⑥号
⑦1号
⑥号
⑤2号
⑤1号
④号
地层性质
灰色淤泥质粘土
灰色粘土
灰色粉质粘土
暗绿色~草黄色粘土
草黄色砂质粉土
暗绿色~草黄色粘土
灰色粉质粘土
灰色粘土
灰色淤泥质粘土
除砂器上溢口流量
2.08
1.95
2.04
2.00
1.93
1.92
1.75
1.44
1.12
除砂器下溢口流量
0.43
0.57
0.45
0.55
0.40
0.42
0.43
0.24
0.36
除砂器进口流量
2.52
2.52
2.50
2.54
2.33
2.34
2.18
1.68
1.48
清洁器上溢口流量
1.74
1.80
1.75
1.71
1.66
1.61
1.54
1.38
清洁器下溢口流量
0.22
0.21
0.19
0.13
0.14
0.06
0.07
0.05
清洁器进口流量
1.95
2.01
1.93
1.84
1.80
1.67
1.61
1.44
新浆量
40.59
9.67
42.40
81.44
73.92
12.21
41.28
22.31
5.78
2、弃土方式存在问题，弃土效率低，浆液浪费严重；
弃土方式主要为挖机挖掘装车＋弃浆泵送，如前所述，在⑤1-1灰色粘土中小颗粒粘粒较多，⑦1-1层草黄色砂质粉土中小砂粒较多，挖机效率很低，主要靠弃浆排放，且挖机挖出的弃土含水量很高，真正挖出的土方量很小，且装车困难，污染环境，而弃浆排放同时带走泥浆中大量有用的粘土及CMC颗粒，材料损失严重，且弃浆量跟不上排放量，经常造成两条隧道同时停止推进，损失巨大。
3、未充分利用排出泥浆的自造浆能力及浆液回收利用，造成新浆制备浪费，大大提高成本；
排出的泥浆含有大量的粘土颗粒，如合理利用排出泥浆的自造浆能力，并且使有用的颗粒能够不断地循环利用，将节省新浆拌制材料的使用，从而大大节约成本。
但大连路泥水处理系统设计并未充分考虑这些，而是通过挖机挖掘及弃浆排放，将大量有用的泥水弃走，增加了排放量，同时整个系统循环量是恒定的，弃走多少废浆，必须加入多少新浆。
根据数据统计，大连路两条隧道推进使用的膨润土总量为7400吨，而延安路隧道相应的的使用量为2400吨，该数据充分说明大连路泥水分离系统在成本控制方面存在一定的问题。
根据数据统计，大连路两条隧道推进使用的膨润土总量为7400吨，而延安路隧道相应的的使用量为2400吨，该数据充分说明大连路泥水分离系统在成本控制方面存在一定的问题。
根据我们的统计，大连路泥水系统（东线）新浆拌制材料成本为近400万元，这只是其中的部分成本，系统的不合理造成的影响至少有以下几方面：
1、整个循环系统比重较高，推进速度明显减慢，拖延了工期；
2、泥浆中有害物质含量过高，设备负载加大，能源消耗过多，且设备磨损较为严重；
3、泥浆排放量过大，增加外运成本；
4、泥浆外排造成的环境影响非常大；
。
第三章复兴东路泥水分离处理系统的方案优化
大连路泥水分离处理系统为复兴东路泥水系统的设计提供了技术准备，大连路的一些不合理处需要在复兴东路加以改进，同时通过对石油钻井行业的考察，使我们对复兴东路泥水处理的方案优化有了新的认识。
一、石油钻井泥水分离设备现场考察报告
2002年9月上旬，由于大连路泥水分离设备中砂泵损坏，我们与生产厂家广汉西部石油勘探装备有限责任公司取得联系，对方总经理同技术员立即赶赴上海，经现场踏勘，对方认为大连路泥水分离系统存在问题，同时向我们推荐他们厂生产的离心机，可直接分离出含水量很低的固体颗粒，且经处理后的泥浆可降至1.10以下，对方的介绍引起了我们浓厚的兴趣，因为泥水分离的效果不仅能减少废浆排放量，而且可大大提高泥浆循环使用率，减少新浆使用量，这样可大大节约成本，故我们决定对该设备进行现场考察。
9月18日，我们赶赴成都，在场区现场，厂方已经将该离心机放置在泥浆池上，应我们的要求，对方为我们进行了现场试验，即在泥浆池中预先拌制比重为1.12的膨润土浆液，然后开启该离心机，离心机的两个出口分别排出泥浆和面团状固状物，经测试，排出的泥浆比重为1.04，从现场试验的情况来看，该离心机分离效果确实不错。
附：
LW450×1000-N离心机主要技术参数
技术参数
单位
机型
N1
N2
N3
N4（变频）
转鼓内径
mm
450
转鼓工作长度
mm
1000
1005
转鼓最高转速
r/min
1800
1900
1573
最大分离因素
815
908
1573
推料器差转速
r/min
22-36
螺旋叶片特性
单头、左旋
最大处理量（比重小于1.2时）
m3/h
60
主电机功率
kw
22
辅电机功率
kw
7.5
供液泵型号
LSB2”×3”
外形尺寸
m
3.1×1.9×1.2
3×1.6×1.8
4×1.5×2
由于该设备主要应用于石油钻井工程中的泥水分离设备，故厂家建议我们到油田现场考察该设备使用情况，而且石油钻井工程中的泥水分离与大连路及复兴路越江隧道工程中的泥水分离原理上基本相似，对我们应该有所启发，经厂方联系，我们于次日赶赴武汉江汉油田。
在江汉油田有关负责人的带领下，我们考察了一个钻井工地，该工地泥水分离系统流程如下：
附：
现场抄录的设备技术参数
名称
高频双层直线振动筛
型号
QCZS-GⅡ
转速
1440rpm
频率
26HZ
尺寸
上层：
1250×800×2（12～60目）；面积2.1m2；
下层：
1250×630×4（40～200目）；面积3.15m2；
外形
3050×1900×1400
制造商
西安科迅石油钻采设备有限公司
名称
除砂器（带振动筛）
型号
ZCSQ250-2
漏斗直径
250mm
工作压力
0.21～0.35Mpa
处理量
200m3/h
分离粒度
0.02～0.04mm
制造商
沧州华北石油华沧机电设备厂
名称
除泥器（带振动筛）
型号
ZCNQ120-8
最大内径
120mm
工作压力
0.2～0.3Mpa
转速
1400rpm
振幅
Amax＝2mm
筛网规格
40/140目
处理量
160m3/h
外形
1600×945×1960
制造商
沧州华北石油华沧机电设备厂
根据现场提供的资料，排泥口浆液比重1.30，粘度40″，处理后循环罐比重1.06，粘度不变。
此次成都武汉之行给我们带来很多启示，首先振动筛在泥水处理中应用广泛，特别是上海在71-2土层中砂性颗粒较大，振动筛分离效果较好，故复兴路泥水第一级处理建议使用振动筛；大连路除砂器、清洁器下液口直接当废浆处理，势必造成浆液浪费，油田中在除砂器、清洁器下液口安装振动筛再次分离，回收浆液，节约成本；用离心机可进一步分离浆液中较小颗粒，且整个系统全部分离出干土，不产生废浆，大大节约了成本。
为此，我们在大连路泥水施工现场对振动筛及离心机等设备进行了试验。
试验数据如下表：
泥浆槽离心机试验
粘度（S）
比重
第一次
第二次
第三次
平均值
第一次
第二次
第三次
平均值
进口
20.69
21.35
21.79
21.28
1.32
1.33
1.34
1.33
出口
18.38
18.35
18.4
18.38
1.175
1.17
1.17
1.172
弃浆池离心机试验
粘度（S）
比重
第一次
第二次
第三次
平均值
第一次
第二次
第三
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