1、大型泥水盾構施工中的泥水分離處理第一章緒論一、泥水加壓式盾構及其泥水分離處理系統概述盾構法施工已有170 余年歷史，隨著科學水平的不斷提高，盾構技術也得到不斷發展和完善。至今， 盾構已發展成為軟土地層修建隧道的一種專用施工機械，盾構施工法也已成為當今城市隧道和地鐵工程中不可缺少的一種施工法。為了滿足城市隧道建設的地表沉降控制和加快施工速度，泥水加壓式盾構逐漸發展并成熟，泥水加壓式盾構用泥漿代替氣壓，用管道輸送代替軌道出土，加快了掘進速度，改善了勞動條件和施工環境，能較好地穩定開挖面和防止地表隆陷，成為當今一種劃時代的盾構新技術。1996 年，上海采用直徑11.22m 泥水加壓式盾構，成功穿越7

2、m淺覆土河床和4.2m 超淺覆土軟土地層，完成延安東路南線水底公路隧道施工，標志著中國隧道施工技術已達到國際先進水平。近來， 上海市相繼開始建設大連路和復興東路越江隧道工程，并采用直徑11.22m 泥水加壓式盾構施工，為該施工工藝在軟土地基中施工提供了廣闊的舞臺。泥水加壓式盾構是在機械掘削式盾構的前部刀盤后側設置隔板，它與刀盤之間形成壓力室，將加壓的泥水送入泥水壓力室，當泥水壓力室充滿加壓的泥水后，通過加壓作用和壓力保持機構，來謀求開挖面的穩定。盾構推進時由旋轉刀盤切削下來的土砂經攪拌裝置攪拌后形成高濃度泥水，用流體輸送方式送到地面。在地面調整槽中，將泥水調整到合適地層土質狀態后，由泥水輸送泵

3、加壓后，經管路送到開挖面泥水壓力室，泥水在穩定開挖面的同時，將刀盤切削下來的土砂攪成濃泥漿，再由排泥泵經管路輸送到地面。被送到地面的泥水，根據土砂顆粒直徑，通過一次分離設備和二次分離設備將土砂分離并脫水后，排去分離后的水，經調整槽進行再次調整，使其成為優質泥水后再循環到開挖面。二、泥水平衡機理及指標1 、泥水平衡機理泥水平衡盾構是在切削刀盤與隔板之間形成的密封艙中，注入滿足施工要求壓力的泥漿，使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，并由安裝在正面的大刀盤切削土體表層泥膜，由刀盤開口進入密封艙與泥水混合后，形成高密度泥漿，由排泥泵及管道輸送至地面進行處理，整個過程通過建立在地面中央控制室內的泥水平衡

4、自動控制系統統一管理。 盾構掘進機設有操作步驟設定，各操作步驟間設有聯鎖裝置，制約因誤操作而引起事故，施工安全可靠。在實際施工中，泥膜的形成是至關重要的。當泥水壓力大于地下水壓力時，泥水理論按達西定律滲入土壤，形成與土壤間隙成一定比例的懸浮顆粒，在“阻塞”和“架橋”效應的作用下，被捕獲并積聚于土壤與泥水的接觸表面，泥膜就此形成。隨著時間的漸漸推移，泥膜的厚度不斷增加，滲透抵抗力逐漸增強，當泥膜抵抗力遠大于正面土壓時，產生泥水平衡效果。2、泥水管理控制（ 1） 、進漿泥水指標泥漿能否在滲入土壤時形成優質泥膜，能否穩定切口前方土體，除了采取其它施工技術措施外，對進漿泥水的質量管理也是十分關鍵的。在

5、施工中，要加強對進漿泥水的以下主要指標進行控制。泥漿配合比：膨潤土： CMC:純磴：水=300k g: 2. 2kg: 11kg:8 7 0 kg比重：粘度：2023含砂量：1525析水量：5PH 值： 83、排泥指標控制比重泥水的比重是一個主要控制指標。掘進中進泥比重不易過高或過低，前者將影響泥水的輸送能力，后者將破壞開挖面的穩定。泥水比重的范圍應在 1.30 g/cm3,下限為1.15 g/cm3,上限根據施工的特殊要求而定，在砂性土中施工、保護地面建筑物、盾構穿越淺覆層等，可達 1.30 g/cm3。甚至可達1.35 g/cm3。黏度泥水的粘度是另一個主要控制指標。從土顆粒的懸浮要求來講

6、，要求泥水的粘度越高越好，考慮到泥水處理系統的自造漿能力，隨著推進環數增加，泥漿越來越濃，比重會呈直線上升，但比重的增加并非說明泥漿的質量越來越高，若在砂性土中施工，粘度甚至會下降，因此，泥水粘度的范圍應保持在 2030s。考慮到粘度的調整有一個過程，故在泥漿粘度為 22s時（調整梢 粘度），即可逐漸增加CMC ,添加量的多少視粘度下降的趨勢而定。過分強調提高粘度而無限制地添加 CMC,將提高工程費用，造成不必要的浪費。當然，在特種場合，為了開挖面的更加穩定，有可能將粘度指標提高到35s。析水度和PH值析水度是泥水管理中的一項綜合指標，它們在更大程度上與泥水的粘度有關，懸浮性好的泥漿就意味著析

7、水量小，反之就大。泥水的析水量須小于5%， PH 值須呈堿性，降低含砂量、提高泥漿的粘度、在調整槽中添加石堿，是保證析水量合格的主要手段。在砂性、粉砂性土中掘進時，由于工作泥漿不斷地被劣化，就需要不斷地調整泥水的各項參數，添加粘土、膨潤土、CMC;在粘土、淤泥質粘土中掘進時，由于粘性顆粒不斷增加，使排放的泥漿濃度越來越高，添加清水進行稀釋則成為主要手段。第二章 大連路越江隧道盾構施工中的泥水分離處理系統一、工程概況上海市大連路隧道工程是市府為改善交通的重大通道工程之一，由引道段、矩形段、工作井、圓形隧道段、管理中心大樓和天橋六部分組成。 設計起點位于楊浦區大連路霍山路口，沿大連路經楊樹浦路、毛

8、麻公司穿越黃浦江到浦東過其昌棧輪渡站東側達浦東大道，沿東方路向南，設計終點為東方路乳山路口。設二條隧道，線路里程為K0+ K2+,全長2.565KM。主要施工方法為盾構法隧道，圓隧道隧道軸線 平面呈反“ S”形，縱剖面呈“ U”形，東、西線線型基本一致。東 線設計線路長度為1274.20m,盾構從浦東向浦西推進。浦西工作井 位于大連路楊樹浦路口，浦東工作井位于東方路昌邑路口。二、工程地質概況據地質勘察報告，工程范圍內的地質資料從上至下依次為：人工填土、褐黃灰黃色粉質粘土、1灰色淤泥質粉質粘土、2灰色粘質粉土、 3 灰色淤泥質粉質粘土、灰色淤泥質粘土、 1-1灰色粘土、1-2灰色粉質粘土、暗綠草

9、黃色粘土、1-1草黃色 砂質粉土、 1-2 草黃色粉細砂。隧道主要埋置于1-1 灰色粘土、1-2灰色粉質粘土、暗綠草黃色粘土、1-1層草黃色砂質粉土中。大連路隧道出洞推進隧道主要穿越灰色淤泥質粘土、1-1灰色粘土、1-2灰色粉質粘土的土層。各層土物理、力學性質指標如地基土的物理學性質指標表一序號土層名稱層底標高(m)層底埋深(m)層 厚(m)指標數值類別含水縣 里W%容重Yg/cm3孔 隙 比e塑 性 指 數IP內 聚 力CKpa內 摩 擦 角小0壓縮系 數無側限 抗壓強 度qn kpa人工填土最大值 平均值 最小值/褐黃色 粉質粘 土最大值 平均值 最小值231891灰色淤 泥質粉 質粘土最

10、大值 平均值 最小值151412/2灰色粘 質粉土最大值 平均值 最小值/1284/3灰色淤 泥質粉 質粘土最大值 平均值 最小值151312/灰色淤 泥質粘 土最大值 平均值 最小值1814121-1灰色粘土最大值 平均值 最小值2218141-2灰色粉質粘土最大值 平均值 最小值222018暗綠 草黃色 粘土最大值 平均值 最小值403023/1-1草黃色 砂質粉 土最大值 平均值 最小值/1041/1-2草黃色 份細砂<>最大值 平均值 最小值/310/三、泥水分離處理系統設計原理泥水處理系統主要由泥水控制室、 沉淀梢、泥水梢、粘土溶解梢、 調整梢、剩余梢、新漿配制梢、清水梢

11、、和泥水分離旋流器等組成， 起著處理由盾構開挖面排出的泥水和制造新鮮泥水的作用。利用黃浦江的天然水資源條件，將系統設置在浦東黃浦江邊。從施工地段土質構成來看，盾構主要穿越暗綠草黃色粘土和草 黃色粉質砂土，具顆粒組成：0.074mm約占; 0.035mm約占%; W0.035mm約占;由于0.074mm的顆粒占了絕大多數，因此對泥 水分離帶來的相當大的難度，在總結了延安路隧道泥水處理的經驗教 訓后，經過多種方案的篩選比較并輔之以實驗室沉淀試驗及工程旋流 試驗，最終方案定為二級泥水處理。工藝流程圖一級泥水處理：盾構排泥管排出的帶有切削土質的泥水密度為p =m3,排入沉淀池，經沉淀池s形走道，泥水密

12、度約降低即p= m,然后進入第一級 旋流器，將A0.074mm部分0.074mm勺顆粒處理掉，使泥水密度約 降低，即= m3,上液口泥水送入泥漿梢，再在泥漿梢內加水稀釋使 密度降為P= m3,便于經其后的二級旋流器處理的泥水可直接進入調 整梢作為送泥水。二級泥水處理：經一級處理后的泥水在泥漿梢內用水稀釋至p = m3,然后進入二 級旋流器進行處理，大于0.030mm的顆粒將被處理掉，此時泥水密度 約降低，即0= m3,經二級處理后的泥水直接進入調整梢加上作為補 充的少量新漿也被送入調整梢，由于新漿密度較小p=m3,二者混合后使送泥水密度達到p= m3的要求，直接供泥水盾構取用。應急措施為防止設

13、備意外故障，影響盾構掘進，本系統設置三種應急模式：應急模式0-調整梢進漿發生故障，其內泥水將被用完影響到掘 進時，啟動應急模式0,將沉淀池漿水直接送入調整梢并同時向調整 梢加水，臨時應急；應急模式1-1#泥漿梢進漿發生故障，其內水位降低至低1位時, 啟動應急模式1,將沉淀池漿水直接送入1#泥漿梢，臨時應急；應急模式22#泥漿梢進漿發生故障，其內水位降低至低1位時, 啟動應急模式2,將沉淀池漿水直接送入2#泥漿梢，臨時應急；四、泥水分離處理系統使用情況總結大連路越江隧道施工已接近尾聲， 從隧道整個推進過程來看，泥 水處理系統發揮了巨大的作用，事實證明是成功的，并且為復興東路 隧道泥水處理系統提供

14、了技術參考，同時在泥水系統的使用過程中， 也發現了一些系統設計及工藝設計中的不合理處。1、不同土層都采用同一種處理模式，針對性不強；據地質勘察報告，工程范圍內的地質資料從上至下依次為： 人 工填土、褐黃灰黃色粉質粘土、1灰色淤泥質粉質粘土、2 灰色粘質粉土、3灰色淤泥質粉質粘土、灰色淤泥質粘土、1-1 灰色粘土、1-2灰色粉質粘土、暗綠草黃色粘土、1-1草黃色 砂質粉土、1-2草黃色粉細砂。隧道主要埋置于1-1灰色粘土、 1-2灰色粉質粘土、暗綠草黃色粘土、1-1層草黃色砂質粉土中。在1-1灰色粘土中小顆粒粘粒較多，暗綠草黃色粘土含較 難攪碎的塊狀土，1-1層草黃色砂質粉土中小砂粒較多，可見各

15、土 層參數不一樣，故整個系統設計時，應充分考慮不同土層的特性。實 際使用過程中泥水分離并沒有有效的針對措施，而是主要采取沉淀池沉淀+挖機挖掘，只適用于較難攪碎的塊狀土，對于 0. 2以下 主要顆粒由于較難沉淀，挖機無能為力，故在 1-1推進時，挖機挖 掘量較小，沉淀池尾部比重特別高，有時達，還是主要靠旋流器分離， 這樣就增加了旋流器的負擔，由于旋流器進口比重較高，影響了其工 作效率，使系統處理量降低，而且比重無法降低到設計要求，不得不 添加大量新漿予以稀釋，增加了成本。各項參數平均值統計數據環號01858105170532605720780地層編號號1號2號號1號號2號1號號地層性質灰色淤泥

16、質粘土灰色粘土灰色粉質粘土暗綠色草黃 色粘土草黃色砂質粉 土暗綠色草黃 色粘土灰色粉質粘土灰色粘土灰色淤泥質粘土除砂器上溢口流量除砂器下溢口流量除砂器進口流量清潔器上溢口流量清潔器下溢口流量清潔器進口流量新漿量各項參數平均值統計圖表3.002.502.001.501.000.500.00除砂器上溢口流量 除砂器下溢口流量 除砂器進口流量一 清潔器上溢口流量 清潔器下溢口流量T-清潔器進口流量號1號2號號1號號2號1號018581051705326057202、棄土方式存在問題，棄土效率低，漿液浪費嚴重；棄土方式主要為挖機挖掘裝車+棄漿泵送，如前所述，在 1-1 灰色粘土中小顆粒粘粒較多，1-1

17、層草黃色砂質粉土中小砂粒較多, 挖機效率很低，主要靠棄漿排放，且挖機挖出的棄土含水量很高，真 正挖出的土方量很小，且裝車困難，污染環境，而棄漿排放同時帶走泥漿中大量有用的粘土及 CMC顆粒，材料損失嚴重，且棄漿量跟不上排放量，經常造成兩條隧道同時停止推進，損失巨大。3、未充分利用排出泥漿的自造漿能力及漿液回收利用，造成新漿制備浪費，大大提高成本；排出的泥漿含有大量的粘土顆粒，如合理利用排出泥漿的自造漿能力，并且使有用的顆粒能夠不斷地循環利用， 將節省新漿拌制材料 的使用，從而大大節約成本。但大連路泥水處理系統設計并未充分考 慮這些，而是通過挖機挖掘及棄漿排放，將大量有用的泥水棄走，增 加了排放

18、量，同時整個系統循環量是恒定的，棄走多少廢漿，必須加 入多少新漿。每環新漿量統計圖表01858105170532605720780根據數據統計，大連路兩條隧道推進使用的膨潤土總量為 7400噸, 而延安路隧道相應的的使用量為 2400噸，該數據充分說明大連路泥 水分離系統在成本控制方面存在一定的問題。根據數據統計，大連路兩條隧道推進使用的膨潤土總量為 7400噸，而延安路隧道相應的的 使用量為2400噸，該數據充分說明大連路泥水分離系統在成本控制 方面存在一定的問題。根據我們的統計，大連路泥水系統（東線）新 漿拌制材料成本為近400萬元，這只是其中的部分成本，系統的不合 理造成的影響至少有以下

19、幾方面：1、 整個循環系統比重較高，推進速度明顯減慢，拖延了工期；2、 泥漿中有害物質含量過高，設備負載加大，能源消耗過多，且設備磨損較為嚴重；3、 泥漿排放量過大，增加外運成本；4、 泥漿外排造成的環境影響非常大；第三章 復興東路泥水分離處理系統的方案優化大連路泥水分離處理系統為復興東路泥水系統的設計提供了技術準備， 大連路的一些不合理處需要在復興東路加以改進，同時通過對石油鉆井行業的考察，使我們對復興東路泥水處理的方案優化有了新的認識。一、石油鉆井泥水分離設備現場考察報告2002 年 9 月上旬，由于大連路泥水分離設備中砂泵損壞，我們與生產廠家廣漢西部石油勘探裝備有限責任公司取得聯系，對方

20、總經理同技術員立即趕赴上海，經現場踏勘，對方認為大連路泥水分離系統存在問題，同時向我們推薦他們廠生產的離心機，可直接分離出含水量很低的固體顆粒，且經處理后的泥漿可降至以下，對方的介紹引起了我們濃厚的興趣，因為泥水分離的效果不僅能減少廢漿排放量，而且可大大提高泥漿循環使用率，減少新漿使用量，這樣可大大節約成本，故我們決定對該設備進行現場考察。9 月 18 日，我們趕赴成都，在場區現場，廠方已經將該離心機放置在泥漿池上，應我們的要求，對方為我們進行了現場試驗，即在泥漿池中預先拌制比重為的膨潤土漿液，然后開啟該離心機，離心機的兩個出口分別排出泥漿和面團狀固狀物，經測試， 排出的泥漿比重為，從現場試驗

21、的情況來看，該離心機分離效果確實不錯。附：LW450 X 1000-N離心機主要技術參數技木參數單位機型N1N2N3N4 （變頻）轉鼓內徑mm450轉鼓工作長度mm10001005轉鼓最高轉速r/min180019001573最大分離因素8159081573推料器差轉速r/min22-36螺旋葉片特性單頭、左旋取大處理里（比重小 于時）m3/h60主電機功率kw22輔電機功率kw供液泵型號LSB2"X3”外形尺寸mX X3X x4X X 2由于該設備主要應用于石油鉆井工程中的泥水分離設備，故廠家建議我們到油田現場考察該設備使用情況， 而且石油鉆井工程中的泥水分離與大連路及復興路越江隧

22、道工程中的泥水分離原理上基本相似，對我們應該有所啟發，經廠方聯系，我們于次日趕赴武漢江漢油在江漢油田有關負責人的帶領下， 我們考察了一個鉆井工地，該工地泥水分離系統流程如下:附：現場抄錄的設備技術參數名稱高頻雙層直線振動篩型號qczs-g n轉速1440rpm頻率26HZ尺寸上層：1250X 800X2 （1260 目）；面積 2.1m2;下層：1250X 630X4 （40200 目）；面積 3.15m2;外形3050X1900X 1400制造商西安科迅石油鉆采設備有限公司名稱除砂器（帶振動篩）型號ZCSQ250-2漏斗直徑250mm工作壓力處理量200m3/h分離粒度0.04mm制造商滄州華北石油華滄機電設備廠名稱除泥器（帶振動篩）型號ZCNQ120-8取大內徑120mm工作壓力轉速1400rpm振幅Amax = 2mm篩網規格40/140 目處理量160m3/h外形1600X 945X1960制造商滄州華北石油華滄機電設備廠根據現場提供的