张 华

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰，611830)

1 工程概况

新加坡T217项目是汤姆森线Land Transport Authority地铁项目一子区间。此项目的隧道呈堆叠状式排列，命名为南向隧道、北向隧道。预计会遇到的地质条件是全风化土壤(GVI)到略微风化的岩石(GII)。对于北向隧道，TBM将首先遇到高度完全风化的Bukit Timah组(GIV～GV)，然后它继续在岩石界面之间穿过一定的长度，将遇到全断面的中度风化岩石到轻微风化的岩石(GIII～GII)，但是在掘进结束附近，TBM将在岩石上方通过；对于南向隧道，大部分穿越地层条件都是高度完全风化的Bukit Timah组(GIV～GV)。TBM从CH 31+600到CH31+700将遇到混合面地层，选择混合式的泥水盾构机[1]。

泥水盾构是在盾构机刀盘的后部设置隔墙板，其与盾构机刀盘间形成泥水压力仓。当地面的泥浆通过泥浆泵送入泥水压力仓并保持在一定液位后，采用加压或保压来保证掌子面的稳定。盾构推进时由旋转刀盘将掌子面渣土切削下来后经过破碎机和搅拌装置搅拌形成高浓度泥浆，再通过泥浆输送泵将高浓度泥浆运送至地面，这是泥水加压平衡盾构法的特征[2]。

2 泥水分离系统

2.1 泥水盾构的组成及流程

2.1.1 泥水盾构的组成

泥水盾构由盾构机、泥水输送系统、泥水分离系统、掘进管理系统组成。

2.1.2 泥水系统的流程

盾构排浆→振动筛→溢流箱→旋流器→调整箱→盾构送浆。

2.2 泥水分离系统

盾构泥水分离系统(见图1)由泥水运输分系统、泥水分离分系统、浆液搅拌分系统以及泥水监测分系统四大部分组成，不可缺少其中任一系统[3]。

图1 泥水分离系统示意

泥水分离厂主要由振动筛、旋流泵、旋流器、离心机和皮带等设施构成。

2.2.1 泥水分离系统要求及原理

2.2.1.1 泥水分离系统要求

根据地质情况、工期要求及盾构机性能等条件，盾构掘进时对泥水分离系统的主要要求如下：

(1)对泥浆分离厂的要求。盾构机刀盘直径：φ6670mm，一环长度1400mm。掘进速度：20mm/min～50mm/min，最大送浆量为14.2m3/min，最大排浆量为15m3/min。单环最大排浆量：15×(1400/20)=1050m3，R-035最大处理流量20m3/min。满足要求。

(2)对泥浆性能的要求。保护泥浆泵功能，降低管路的磨损率和堵塞现象，其基本特性为：①泥浆比重控制在1.1g/cm3～1.3g/cm3(如泥浆比重过大则增大阻力，降低泥浆泵的输送能力从而降低掘进速度；反之，携带渣土能力弱造成管路堵塞，泥膜构成迟缓易造成掌子面的稳固性下降从而增加地面沉降速率等风险)；②粘性控制在35s～45s，利用粘性低的泥浆，泥膜构成迟缓容易导致掌子面的稳固性下降，携带刀盘切削下来的岩层性能减弱，易造成土仓出渣口堵塞，加快泥浆泵和管路的磨损速率；③含砂率要求5%以下，含砂率过高，比重大、粘性低，增加泥浆泵和管路的磨损速率。

2.2.1.2 泥水分离系统原理

盾构推进时由旋转刀盘将掌子面的岩层切削下来后，经过破碎和搅拌装置形成高浓度泥浆，通过泥浆泵将其排送至地面海瑞克R-035泥水分离设备厂，先进行粗筛网筛分，将渣土直径在3.1mm以上的分离出来，利用皮带将粗渣输送至渣坑，泥浆流入下溢箱内；再利用旋流泵泵送至一二级旋流器(一级旋流器可除去泥浆内0.18mm以上的颗粒，二次旋流器可除去0.035mm以上的颗粒)；从旋流器的沉砂嘴排出的颗粒落入细筛网进行再次筛分，筛分后的渣经皮带输送至渣坑；而通过二次旋流器处理后的泥浆经溢流管流入中转箱内，调整浆液后再通过输送泵，送入盾构机土压室内。

2.2.2 输送系统

从地面调整槽中将泥水调整至当前掘进岩层所需泥浆后，由地面的泥水输送泵P1.1通过DN300管路送至掌子面泥水区中，经过土仓内压力作用构成泥膜稳固掌子面，同时将刀盘切削下来的渣土，经过破碎和搅拌装置制成高浓度泥浆，然后再由排泥泵P2.1通过DN300管路运送至地面泥水分离厂，经过旋流器处理后的泥浆流入中转箱中，实时检查调整泥浆使其满足当前掘进地质所需性能后再通过P1.1输送泵泵入泥水仓中[4]。

2.2.3 振动筛系统

泥浆内不同直径的岩土颗粒粗糙分离，通常选用振动筛装置，因为振动筛的筛网可由多种规格筛网组成，而每层筛网规格可选用逐级减小的形式构成。

振动筛对盾构机排至泥水分离厂的高浓度泥浆作初步分离，除去不同粒径的颗粒。各种粒径的渣土可以通过振动筛不同孔径的筛网进行分离，渣土直径大于筛网孔径的被排除到浆液之外，由皮带输送至渣坑，而筛分后的浆液自流至溢流箱内。

振动筛由筛框、筛网、振动电机、减振弹簧、支架等基本结构件组合而成。

2.2.4 旋流分离器

旋流分离器是由一种类似锥体的结构件组成，它的进料口位于壳体顶部侧面，在圆锥体的顶端设置一上溢流出口，底部设置一沉砂出口，浆液通过旋流泵从旋流器进料口进入做旋转运动而产生离心力，分别流向旋流器的顶部和底部。尺寸大、重量重的颗粒受重力影响沿着筒壁向下运动，最终通过沉砂口排出；尺寸小、重量轻的颗粒受到较小的重力和惯性力作用，沿旋流器向上运动，最终由上溢流口排出。旋流分离器广泛应用于泥水分离厂，根据旋流器不同的直径和颈长比，它能够从泥浆中分离出大量砂和淤泥[5]。

旋流器的作用是将振动筛筛分后的浆液再次进行处理，本项目选用两种规格的旋流器组成此系统：第一种规格的旋流器组装成一级旋流处理方法称之为除砂处理，一级旋流器是将粒径在0.18mm以上的渣土脱离泥浆；第二种规格的旋流器组装成二级旋流处理称之为清洁处理，二级旋流器是将粒径在0.035mm以上的渣土脱离泥浆。

优点是：①构造简单；②体积小，总用地规模小；③生产能力大；④分离的粒径适用范围较大。但分离泥浆的效率较低，因此，一般采用几级串联或与离心机等分离装置配套使用，进一步提高泥浆分离效率。

2.2.5 离心机

离心机是使用高速旋转的转鼓使废弃泥浆发生离心力使固体颗粒截留在转鼓内，固体颗粒在旋转鼓的作用下从排渣孔排出，再经过皮带输送至渣坑；同时泥浆中的液体通过滤芯被转鼓甩出，从而达到液固拆分的目的。

通过二级旋流器处理后的废弃泥浆所含颗粒直径非常小，通过加入一定浓度的絮凝剂液体，使絮凝剂与细小颗粒合成较大的颗粒，利用离心机将废弃泥浆进行液固分离。废弃泥浆经离心机分离的固体颗粒可直接外运，离心机分离后的水纯度比较高，可以直接排放至市政雨水管网或用作施工现场的工业用水[6]。

2.2.6 制浆系统

制浆系统由储存罐、泵、漏斗、制浆装置、水源和控制系统等组成。

制浆装置由文丘里喷嘴、加强筋、下料口、螺旋输送机、泥浆泵等构成。该系统对储浆罐内的浆液不断搅拌，同时在泥浆泵输送泥浆过程中，文丘里喷嘴造成负压将进料管内膨润土吸入浆液中，实现自动搅拌的功能。

盾构排出的泥浆携带着盾构机切削下来的渣土成分，经泥水分离厂处理后，如中转箱内的泥浆经实验检测泥浆性能未达所需指标或输送量不够，通过调浆系统调配或补充新鲜浆液以满足输送泥浆的性能指标或所需用量，保证盾构机掘进施工。

2.2.7 泥浆的操作及质量控制

在掌子面的岩层，因为泥浆经过加压后不停浸透，泥水中的细小颗粒填入岩层孔隙中构成泥膜减小土仓内压力损失，以使土仓内压力更有效地作用于掌子面从而保证掌子面的稳固。在泥水盾构机掘进中控制土仓内压力和保证泥水质量是非常重要的。

对于不同的地质条件，必须使用不同配比的浆料。例如，在全断面岩石开采中，与全断面土壤相比，材料运输将更加重要；另一方面，混合断面开采，材料运输和面部稳定性至关重要。因此，在不同地质条件下掘进时，对不同的泥浆性能指标(表1)进行分类和维护非常重要。

表1 泥浆性能指标分类

泥膜的形成速度和质量将影响掌子面的稳定情况。为此，泥水应具有以下特性：

(1)泥水比重：泥水比重是泥浆的重要指标。掘进过程中的输送泥浆比重过高，将影响泥浆泵的输送能力从而降低盾构掘进速度；过低则导致泥膜形成缓慢不利于掌子面的稳定。因此，使用安装在泥浆管路的差压式密度计和γ射线装置进行实时监测泥浆比重。

(2)含砂量：泥浆内的砂粒具有填堵岩层空隙的功能。在渗水地质中，构成泥膜的速率与泥水中砂粒的含量和粒径有直接的关系，为了保证泥膜形成质量，控制泥浆内所含颗粒的粒径及含量。

(3)泥水的粘性：泥浆的粘度低达不到携带渣土能力和稳固掌子面的要求；而粘度过高容易导致刀盘结泥饼，并影响泥浆泵的输送能力易造成堵塞情况。在施工中，应结合当前和即将面临的地质状况、泥水分离系统内出渣状况、进出口泥浆比重的差值等各种因素综合考虑。

(4)屈服值：屈服值是指浆液处于流动状态下的剪切力值，而流动阻抗则是因为泥水中与所含土粒之间的牵引力所形成，是保证泥水良好形态的一项重要指标。

(5)析水量和pH值：析水量和pH值是泥水性能的综合指标，在较大程度上和泥水的粘性有关，所以悬浮性好的泥浆意味着析水量小，反之也就越大[7]。

(6)外加剂的作用：在砂岩地质中掘进时，随着泥浆被污染的频率加快，需增加检测频率并调整泥浆各性能参数以保证泥浆的质量，如加入膨润土、CMC等外加剂；在泥岩地质中掘进时，随着泥浆中颗粒物不断增多，使排放的泥浆浓度越来越高，通过高速旋转的离心机分析出细小颗粒与通过混合后的CMC或絮凝剂等化学药剂液体进行稀释则成为主要手段。

当盾构在岩石地层掘进时，经过一级旋流分离器处理后泥浆就满足使用需求。这时可转换溢流出浆口阀门，将净化后的泥浆直接流入中转箱，根据当前地质所需泥浆性能指标实时检查和调配后泵送至盾构机上。

当盾构在中风化泥岩或砂岩地层中掘进时，经过一级旋流分离器不能将泥浆浓度和含砂率降低至使用指标内时，转换溢流出浆口阀门，使泥浆进入二级旋流分离器处理后再流入中转箱，根据当前地质所需泥浆性能指标调配后泵送至盾构机上。

当盾构在全风化泥岩或淤泥质粉质粘土岩层掘进时，二级旋流分离器不能将泥浆密度降低至使用指标内时，可将搅拌后的一定浓度CMC或聚丙烯酰胺液体泵入中转箱，进行调配处理后泵送至盾构机上。

2.2.8 监测系统

泥水系统的运行和操纵由PLC程序实现。施工中监测系统通过收集相关数据实时为监控室提供可靠的信息，同时通过管理系统界面及时了解当前泥浆指标并做出相应的调配。在监控管理系统中可实现对泥水的分离和处理、新浆的储存量和调配、密度测定等信息的监控和操作。

3 结语

该泥浆分离厂分离后的泥浆重复使用率高且含砂率低，并延长了输送泵及管路等构件的使用寿命；废弃泥浆分离后的渣土含水率低便于运输，避免渣土排放问题造成环境污染。

泥浆分离系统是泥浆循环系统非常关键的分系统，对泥浆成膜、开挖面稳定和携带渣土具有重要影响。根据现场实际掘进工况，做好分离系统参数设置，保证泥浆的分离和性能。