徐光伟/XU Guangwei

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450048）

泥水平衡盾构施工常用的泥水处理方法有沉淀池法和机械分离法。在泥水沉淀池处理方法中，从盾构排泥管泵送出含有大粒径渣土、密度大的泥水，经过迷宫型泥浆沉淀池沉淀后，将沉淀后的泥浆挖出晾晒。由于盾构泥浆使用膨润土或高分子材料制作，循环泥浆黏度和悬浮作用较大，泥水中的渣土沉淀速度较慢，需要通过添加化学絮凝剂提高分离效率，同时需要大面积场地来建造大规模的泥浆沉淀池和晾晒场，如果在施工场地受限的情况下，采用这种传统工艺的泥水分离方法无法满足施工进度要求和环保要求。目前机械分离法处理方案在国内外泥水盾构施工中使用较多，泥水通过预分筛／滚动筛、旋流器、脱水筛等进行分离，分离效果好，占地少。

1 泥水分离站简介

泥水分离站的主要任务是充分利用泥浆循环，减少废浆的排放量，其难点是保留泥浆中有效颗粒且去除泥浆中的其他有害物质。

盾构排浆泵通过管路将携带开挖渣土的泥浆从开挖仓输送到泥水分离系统中，高流量的泥浆经过减压装置到滚动筛或者振动预分筛，进行第一步筛分，把3mm 以上粒径的渣土从泥浆中分离出来。通过筛网的泥浆进行第二步粗颗粒旋流分离阶段，泥水分离站的一级泥浆泵将泥浆抽到粗颗粒旋流器中，粗颗粒旋流分离器上溢流被收集至脱水筛下方的集浆箱中，然后二级泥浆泵在第三步细颗粒旋流分离阶段将其抽送到细颗粒旋流器中，细颗粒旋流分离器是最后一个分离阶段，从泥浆中分离出20～25μm 以上颗粒。两个旋流分离阶段的底流流入脱水筛，使分离出的含有较大颗粒的泥浆进一步脱水干化，经脱水筛处理的液体也被收集在脱水筛下面的集浆箱中，并通过二级泥浆泵再次被输送至细颗粒旋流器中，通过细颗粒旋流器上溢排出的泥浆重新回到盾构泥水循环中。

经泥水分离站处理后的泥浆中细微颗粒逐渐增加，如果不及时置换，将引起泥浆的比重、含沙量和黏度上升，直接影响泥膜质量、携渣能力、环流系统的泵送能力，进而影响到掌子面稳定、盾构的掘进效率。当泥浆比重、黏度、含沙量等指标达到某一极限值时，要将一部分高比重泥浆置换出来，并用新鲜的膨润土悬浮液代替。高比重的泥浆不能进行再次使用，通过压滤机或离心机进行进一步干化处理。

2 泥水分离站选型

本工程项目采用直径15.55m泥水平衡盾构，区间长2 780m，盾构隧道穿越的主要典型地层有粉细砂、粉砂、粉质黏土等，上覆地层主要有填土层、砂质粉土层和灰色淤泥质黏土层。

工程沿线穿越河流，受潮位影响较为明显，河道周边地层的粉砂渗透性较好，是地表水和地下水良好的联络通道。沿线地下水主要有赋存浅部土层中的潜水、微承压水及承压水。

针对本工程土层颗粒细、分离困难、处理量大等特点，相应的泥水处理系统应满足大直径盾构施工要求的处理量、处理效果等。

2.1 盾构进排浆流量计算

为满足15m 级盾构最大掘进速度50mm／min的要求，盾构进排浆流量计算公式如下

其中，盾构最大推进速度v取5cm／min，原状土比重ρ0约1.83～2.0t／m3，进浆比重ρ1约1.1～1.2t／m3，排浆比重ρ2约1.3～1.5t／m3，开挖直径D为15.55m，综合考虑，盾构最大排浆流量取3 000m3／h。

2.2 进排浆管道直径计算

根据液体的流量和流速的大小，可按下式计算管路的直径

其中，Q为流量（L／min）；V为流速（m／s）。

按V=4m／s，综合考虑，盾构进、排浆管直径取d排=d进=500mm。

2.3 泥水分离站主要配置

本项目泥水分离站共4 层，其中第一层为钢筋混凝土基础及整合在此基础内的清水池；第二层为振动筛分单元；第三层为一二级旋流处理单元及中控室，第四层为滚动筛系统，与地面的调浆池形成功能完善的泥水分离系统。泥水分离站进行了根据盾构推进需求进行了针对性设计，泥浆处理能力3 000m3／h，主要参数如表1 所示。

表1 泥水分离站主要参数

2.3.1 预分系统

预分系统是泥水分离的第一步分离阶段，一般有振动预分筛或者滚动预分筛，把由排泥管排出的泥浆粒径为3mm 以上的渣土等进行首次分离。

振动预分筛有两层筛板，振幅是衡量筛分能力的重要指标，由激振频率、激振力大小和预分筛重量决定。振动电机是激振源，4 台振动电机作同步反向运动，使预分筛产生直线振动，通过调整偏心块的夹角可实现激振力的变化；同时也可以通过调节预分筛的倾斜度来应对筛板出渣不畅或者渣料含水率偏高的情况。

滚动预分筛与泥水环路排浆管道相连，滚筒筛通过两个摩擦轮驱动装置滚动，随着不断的旋转运动，渣土发生松动、旋转和分离，大粒径的渣土通过滚动筛内安装的卸料排出。本项目配备2 台直径为∅2.4m 滚动筛，单台泥浆处理能力达到1 500m3／h，高压喷淋系统连续清洗和疏通滚动筛筛网，在滚动筛周围设工作平台，用来保证不会将筛网堵塞，弃土通过溜槽流入渣土场。

2.3.2 旋流分离系统

1）旋流进浆泵 旋流器本身是没有动力的，要靠泥浆泵提供一定的压力，使泥浆高速进入旋流器。旋流进浆泵是旋流器工作的动力来源，其工作压力和流量直接影响旋流器的处理性能，同时也是保证整个分离系统正常工作关键，所以进浆泵选型确保其可靠性。

2）旋流分离器 通过旋流进浆泵提供的高压、高速的泥浆进入旋流器进浆口，在旋流体内产生高速旋转流场，泥浆中一定范围的大粒径颗粒物质沿轴向和径向同时向下和向外运动，然后沿着旋流体内壁向下从旋流器底流口排出，形成了一个外旋流场；小粒径的颗粒物质在中心轴线方向运动，并在轴线中心形成向上运动的外旋流场，从上溢口排出，这样就达到了大、小粒径的物质分离的目的。

根据盾构隧道不同地质情况的浆液特性来选择适当的旋流器尺寸和设计旋流器进浆口、旋流体和上溢口等。

图1 旋流分离器

进浆口的大小决定着泥浆的入口速度，入口形式采用渐开线形。在进浆口形成连续、平滑的流动浆液，保证泥浆到达旋流器圆柱壁接触的切向点之前具有确定的粒子方向。这种设计最大限度地减少了湍流，并减少了大粒子由于湍流或弹跳作用而使旋流器发生失效的可能。

在给定浆液体积下，旋流体的大小对压降的影响最大。一般来说，旋流体越大，切口越粗，从而处理的固体粒径越大。相反，一个较小的旋流体意味着更细、更低的固体粒径，但过小的尺寸会减少处理能力，导致处理性能较差。对于不同的浆液，旋流体的大小和压降相互依赖，要在旋流体与处理能力之间寻求最佳平衡。

2.3.3 旋流器真空调节单元

粗、细颗粒旋流器底流口均配备橡胶真空袋，并与上溢流真空调节阀一起配合达到所需的性能。在进浆浓度波动的情况下，通过真空袋、真空调节阀的调整，可获得较高的底流浓度和较低的溢流浓度，其最高底流浓度可达85%。

2.3.4 脱水筛

粗、细颗粒旋流器底流进入脱水筛后段，为确保细渣料的脱水效果，落渣处装0.5mm 筛板，出渣处装0.3mm 筛板，同时根据掘进地层不同，可更换不同规格筛板以达到较好的处理效果，并配置一个可调节筛板角度的可变频振动筛。振动筛将旋流器底流脱水后从筛面筛出，渣土落至渣场堆置或经由输送设备输送至指定堆置点。振动筛振动强度可达5g 以上。

2.3.5 离心机

离心机是一种卧式螺旋卸料、连续操作的沉降设备。在全速运转下，连续进料、分离、洗涤和卸料，分离含固相物粒度大于0.005mm，浓度范围为2%～40%的悬浮液，利用离心分离原理对废浆进行固液分离，去除泥浆中的岩屑等有害细小固相颗粒，减少环境污染。

主要由主机总成、动力传动系统、进出料接口，润滑系统等几部分组成。采用高效卧旋离心机进行废浆处理，废浆实现“零排放”。废浆进入离心机转鼓后，泥浆中密度较大颗粒在离心力作用下迅速沉积到转鼓内壁形成沉渣层，由与转鼓同方向旋转但具有一定转速差的螺旋输送器叶片推向转鼓小端，然后经出渣口排出。泥浆中密度较小颗粒及水，在离心力作用下，沿清液通道，从转鼓大端溢流孔流出，实现泥浆清液与废渣分离，达到脱水目的。

3 结语

泥水盾构施工是盾构法施工中较为复杂的施工方法，影响盾构施工效率的不仅仅有盾构设备本身，而且各工序都需要有序衔接，其中泥水分离设备更是直接影响盾构是否能正常施工，所以对泥水盾构配套泥水分离站的处理能力、处理效果、机械稳定、绿色环保等提出较高的要求。通过介绍处理能力为3 000m3／h 的泥水分离站各关键系统选型配置、针对性设计，为同类地质地下工程采用大直径泥水盾构施工提供参考。