大型泥水盾構(gòu)施工中的泥水處理

1、大型泥水盾構(gòu)施工中的泥水分離處理系統(tǒng)第一章 緒論一、泥水加壓式盾構(gòu)及其泥水分離處理系統(tǒng)概述盾構(gòu)法施工已有170余年歷史，隨著科學(xué)水平的不斷提高，盾構(gòu)技術(shù)也得到不斷發(fā)展和完善。至今，盾構(gòu)已發(fā)展成為軟土地層修建隧道的一種專用施工機(jī)械，盾構(gòu)施工法也已成為當(dāng)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(shè)的地表沉降控制和加快施工速度，泥水加壓式盾構(gòu)逐漸發(fā)展并成熟，泥水加壓式盾構(gòu)用泥漿代替氣壓，用管道輸送代替軌道出土，加快了掘進(jìn)速度，改善了勞動條件和施工環(huán)境，能較好地穩(wěn)定開挖面和防止地表隆陷，成為當(dāng)今一種劃時代的盾構(gòu)新技術(shù)。1996年，上海采用直徑11.22m 泥水加壓式盾構(gòu)，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(biāo)志著中國隧道施工技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。近來，上海市相繼開始建設(shè)大連路和復(fù)興東路越江隧道工程，并采用直徑11.22m 泥水加壓式盾構(gòu)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(gòu)是在機(jī)械掘削式盾構(gòu)的前部刀盤后側(cè)設(shè)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(dāng)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(jī)構(gòu)，來謀求開挖面的穩(wěn)定。盾構(gòu)推進(jìn)時由旋轉(zhuǎn)刀盤切削下來的土砂經(jīng)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(diào)整槽中，將泥水調(diào)整到合適地層土質(zhì)狀態(tài)后，由泥水輸送泵

3、加壓后，經(jīng)管路送到開挖面泥水壓力室，泥水在穩(wěn)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(jīng)管路輸送到地面。被送到地面的泥水，根據(jù)土砂顆粒直徑，通過一次分離設(shè)備和二次分離設(shè)備將土砂分離并脫水后，排去分離后的水，經(jīng)調(diào)整槽進(jìn)行再次調(diào)整，使其成為優(yōu)質(zhì)泥水后再循環(huán)到開挖面。二、泥水平衡機(jī)理及指標(biāo)1、泥水平衡機(jī)理泥水平衡盾構(gòu)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(jìn)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(jìn)行處理，整個過程通過建立在地面中央控制室內(nèi)的泥水平衡自

4、動控制系統(tǒng)統(tǒng)一管理。盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)設(shè)有操作步驟設(shè)定，各操作步驟間設(shè)有聯(lián)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(guān)重要的。當(dāng)泥水壓力大于地下水壓力時，泥水理論按達(dá)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(yīng)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(qiáng)，當(dāng)泥膜抵抗力遠(yuǎn)大于正面土壓時，產(chǎn)生泥水平衡效果。2、泥水管理控制（1）、進(jìn)漿泥水指標(biāo)泥漿能否在滲入土壤時形成優(yōu)質(zhì)泥膜，能否穩(wěn)定切口前方土體，除了采取其它施工技術(shù)措施外，對進(jìn)漿泥水的質(zhì)量管理也是十分關(guān)鍵的。在施工中，

5、要加強(qiáng)對進(jìn)漿泥水的以下主要指標(biāo)進(jìn)行控制。泥漿配合比：膨潤土：CMC ：純鹼：水300：比重：1.151.20粘度：2023含砂量：1525析水量：5PH 值：83、排泥指標(biāo)控制比重泥水的比重是一個主要控制指標(biāo)。掘進(jìn)中進(jìn)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(wěn)定。泥水比重的范圍應(yīng)在1.151.30 g/cm3，下限為1.15 g/cm3，上限根據(jù)施工的特殊要求而定，在砂性土中施工、保護(hù)地面建筑物、盾構(gòu)穿越淺覆層等，可達(dá)1.30 g/cm3。甚至可達(dá)1.35 g/cm3。 黏度泥水的粘度是另一個主要控制指標(biāo)。從土顆粒的懸浮要求來講，要求泥水的粘度越高越好，考慮到泥水處理

6、系統(tǒng)的自造漿能力，隨著推進(jìn)環(huán)數(shù)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(zhì)量越來越高，若在砂性土中施工，粘度甚至?xí)陆?，因此，泥水粘度的范圍?yīng)保持在2030s ?？紤]到粘度的調(diào)整有一個過程，故在泥漿粘度為22s 時（調(diào)整槽粘度），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(qiáng)調(diào)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(dāng)然，在特種場合，為了開挖面的更加穩(wěn)定，有可能將粘度指標(biāo)提高到35s 。 析水度和值析水度是泥水管理中的一項綜合指標(biāo)，它們在更大程度上與泥水的粘度有關(guān)，懸浮性好的泥漿就意味著析水量小，反之就大。泥水的析水量須小于5%，

7、PH 值須呈堿性，降低含砂量、提高泥漿的粘度、在調(diào)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(jìn)時，由于工作泥漿不斷地被劣化，就需要不斷地調(diào)整泥水的各項參數(shù)，添加粘土、膨潤土、CMC ；在粘土、淤泥質(zhì)粘土中掘進(jìn)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(jìn)行稀釋則成為主要手段。第二章 大連路越江隧道盾構(gòu)施工中的泥水分離處理系統(tǒng)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(shè)計起點位于楊浦區(qū)大連路霍山路口，沿大連路經(jīng)楊樹浦路、毛麻公司穿越黃浦江到浦東過其昌棧輪渡站東側(cè)達(dá)浦

8、東大道，沿東方路向南，設(shè)計終點為東方路乳山路口。設(shè)二條隧道，線路里程為K0+0.000K2+565.88，全長2.565KM 。主要施工方法為盾構(gòu)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(shè)計線路長度為1274.20m ，盾構(gòu)從浦東向浦西推進(jìn)。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(zhì)概況據(jù)地質(zhì)勘察報告，工程范圍內(nèi)的地質(zhì)資料從上至下依次為：人工填土、褐黃灰黃色粉質(zhì)粘土、1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、2灰色粘質(zhì)粉土、3灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粘土、1-1灰色粘土、1-2灰色粉質(zhì)粘土、暗綠草黃色粘土、1-1草黃色砂質(zhì)粉土、

9、1-2草黃色粉細(xì)砂。隧道主要埋置于1-1灰色粘土、1-2灰色粉質(zhì)粘土、暗綠草黃色粘土、1-1層草黃色砂質(zhì)粉土中。大連路隧道出洞推進(jìn)隧道主要穿越灰色淤泥質(zhì)粘土、1-1灰色粘土、1-2灰色粉質(zhì)粘土的土層。各層土物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下表：地基土的物理學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表一 三、泥水分離處理系統(tǒng)設(shè)計原理泥水處理系統(tǒng)主要由泥水控制室、沉淀槽、泥水槽、粘土溶解槽、調(diào)整槽、剩余槽、新漿配制槽、清水槽、和泥水分離旋流器等組成，起著處理由盾構(gòu)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(tǒng)設(shè)置在浦東黃浦江邊。從施工地段土質(zhì)構(gòu)成來看，盾構(gòu)主要穿越暗綠草黃色粘土和草黃色粉質(zhì)砂土，其顆粒組成：0.25

10、0.074mm 約占21.7；0.0740.035mm 約占44.65；0.035mm 約占33.65；由于<0.074mm的顆粒占了絕大多數(shù)，因此對泥水分離帶來的相當(dāng)大的難度，在總結(jié)了延安路隧道泥水處理的經(jīng)驗教訓(xùn)后，經(jīng)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(gòu)排泥管排出的帶有切削土質(zhì)的泥水密度為1.352T/m3,排入沉淀池，經(jīng)沉淀池S 形走道，泥水密度約降低0.022即1.33T/m3，然后進(jìn)入第一級旋流器，將0.074mm 和部分<0.074mm的顆粒處理掉，使泥水密度約降低0.035，即1.295T/m

11、3，上液口泥水送入泥漿槽，再在泥漿槽內(nèi)加水稀釋使密度降為1.255T/m3，便于經(jīng)其后的二級旋流器處理的泥水可直接進(jìn)入調(diào)整槽作為送泥水。 二級泥水處理：經(jīng)一級處理后的泥水在泥漿槽內(nèi)用水稀釋至1.255T/m3，然后進(jìn)入二級旋流器進(jìn)行處理，大于0.030mm 的顆粒將被處理掉，此時泥水密度約降低0.045，即1.21T/m3，經(jīng)二級處理后的泥水直接進(jìn)入調(diào)整槽加上作為補(bǔ)充的少量新漿也被送入調(diào)整槽，由于新漿密度較小1.05T/m3，二者混合后使送泥水密度達(dá)到1.20T/m3的要求，直接供泥水盾構(gòu)取用。 應(yīng)急措施為防止設(shè)備意外故障，影響盾構(gòu)掘進(jìn)，本系統(tǒng)設(shè)置三種應(yīng)急模式： 應(yīng)急模式0調(diào)整槽進(jìn)漿發(fā)生故障，

12、其內(nèi)泥水將被用完影響到掘進(jìn)時，啟動應(yīng)急模式0，將沉淀池漿水直接送入調(diào)整槽并同時向調(diào)整槽加水，臨時應(yīng)急；應(yīng)急模式11#泥漿槽進(jìn)漿發(fā)生故障，其內(nèi)水位降低至低1位時，啟動應(yīng)急模式1，將沉淀池漿水直接送入1#泥漿槽，臨時應(yīng)急；應(yīng)急模式22#泥漿槽進(jìn)漿發(fā)生故障，其內(nèi)水位降低至低1位時，啟動應(yīng)急模式2，將沉淀池漿水直接送入2#泥漿槽，臨時應(yīng)急；四、泥水分離處理系統(tǒng)使用情況總結(jié)大連路越江隧道施工已接近尾聲，從隧道整個推進(jìn)過程來看，泥水處理系統(tǒng)發(fā)揮了巨大的作用，事實證明是成功的，并且為復(fù)興東路隧道泥水處理系統(tǒng)提供了技術(shù)參考，同時在泥水系統(tǒng)的使用過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些系統(tǒng)設(shè)計及工藝設(shè)計中的不合理處。1、 不同土層

13、都采用同一種處理模式，針對性不強(qiáng)；據(jù)地質(zhì)勘察報告，工程范圍內(nèi)的地質(zhì)資料從上至下依次為：人工填土、褐黃灰黃色粉質(zhì)粘土、1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、2灰色粘質(zhì)粉土、3灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粘土、1-1灰色粘土、1-2灰色粉質(zhì)粘土、暗綠草黃色粘土、1-1草黃色砂質(zhì)粉土、1-2草黃色粉細(xì)砂。隧道主要埋置于1-1灰色粘土、1-2灰色粉質(zhì)粘土、暗綠草黃色粘土、1-1層草黃色砂質(zhì)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(zhì)粉土中小砂粒較多，可見各土層參數(shù)不一樣，故整個系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)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

14、采取沉淀池沉淀挖機(jī)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(jī)無能為力，故在1-1推進(jìn)時，挖機(jī)挖掘量較小，沉淀池尾部比重特別高，有時達(dá)1.50，還是主要靠旋流器分離，這樣就增加了旋流器的負(fù)擔(dān)，由于旋流器進(jìn)口比重較高，影響了其工作效率，使系統(tǒng)處理量降低，而且比重?zé)o法降低到設(shè)計要求，不得不添加大量新漿予以稀釋，增加了成本。11各項參數(shù)平均值統(tǒng)計數(shù)據(jù) 12 2、 棄土方式存在問題，棄土效率低，漿液浪費嚴(yán)重；棄土方式主要為挖機(jī)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層草黃色砂質(zhì)粉土中小砂粒較多，挖機(jī)效率很低，主要靠棄漿排放，且挖機(jī)挖出的棄土含

15、水量很高，真正挖出的土方量很小，且裝車?yán)щy，污染環(huán)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(yán)重，且棄漿量跟不上排放量，經(jīng)常造成兩條隧道同時停止推進(jìn)，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(huán)利用，將節(jié)省新漿拌制材料的使用，從而大大節(jié)約成本。但大連路泥水處理系統(tǒng)設(shè)計并未充分考慮這些，而是通過挖機(jī)挖掘及棄漿排放，將大量有用的泥水棄走，增加了排放量，同時整個系統(tǒng)循環(huán)量是恒定的，棄走多少廢漿，必須加入多少新漿。13 根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大連

16、路兩條隧道推進(jìn)使用的膨潤土總量為7400噸，而延安路隧道相應(yīng)的的使用量為2400噸，該數(shù)據(jù)充分說明大連路泥水分離系統(tǒng)在成本控制方面存在一定的問題。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大連路兩條隧道推進(jìn)使用的膨潤土總量為7400噸，而延安路隧道相應(yīng)的的使用量為2400噸，該數(shù)據(jù)充分說明大連路泥水分離系統(tǒng)在成本控制方面存在一定的問題。根據(jù)我們的統(tǒng)計，大連路泥水系統(tǒng)（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(tǒng)的不合理造成的影響至少有以下幾方面：1、 整個循環(huán)系統(tǒng)比重較高，推進(jìn)速度明顯減慢，拖延了工期； 2、 泥漿中有害物質(zhì)含量過高，設(shè)備負(fù)載加大，能源消耗過多，且設(shè)備磨損較為嚴(yán)重；3、 泥漿排放量過大

17、，增加外運成本； 4、 泥漿外排造成的環(huán)境影響非常大； 。14第三章 復(fù)興東路泥水分離處理系統(tǒng)的方案優(yōu)化大連路泥水分離處理系統(tǒng)為復(fù)興東路泥水系統(tǒng)的設(shè)計提供了技術(shù)準(zhǔn)備，大連路的一些不合理處需要在復(fù)興東路加以改進(jìn)，同時通過對石油鉆井行業(yè)的考察，使我們對復(fù)興東路泥水處理的方案優(yōu)化有了新的認(rèn)識。一、石油鉆井泥水分離設(shè)備現(xiàn)場考察報告2002年9月上旬，由于大連路泥水分離設(shè)備中砂泵損壞，我們與生產(chǎn)廠家廣漢西部石油勘探裝備有限責(zé)任公司取得聯(lián)系，對方總經(jīng)理同技術(shù)員立即趕赴上海，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，對方認(rèn)為大連路泥水分離系統(tǒng)存在問題，同時向我們推薦他們廠生產(chǎn)的離心機(jī)，可直接分離出含水量很低的固體顆粒，且經(jīng)處理后的泥漿可

18、降至1.10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(huán)使用率，減少新漿使用量，這樣可大大節(jié)約成本，故我們決定對該設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場考察。9月18日，我們趕赴成都，在場區(qū)現(xiàn)場，廠方已經(jīng)將該離心機(jī)放置在泥漿池上，應(yīng)我們的要求，對方為我們進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，即在泥漿池中預(yù)先拌制比重為1.12的膨潤土漿液，然后開啟該離心機(jī)，離心機(jī)的兩個出口分別排出泥漿和面團(tuán)狀固狀物，經(jīng)測試，排出的泥漿比重為1.04，從現(xiàn)場試驗的情況來看，該離心機(jī)分離效果確實不錯。附：LW450×1000-N 離心機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 由于該設(shè)備主要應(yīng)用于石油鉆井工程中的泥水分離設(shè)備，故廠家建議我們到油田現(xiàn)場考察該設(shè)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(fù)興路越江隧道工程中的泥水分離原理上基本相似，對我們應(yīng)該有所啟發(fā)，經(jīng)廠方聯(lián)系，我們于次日趕赴武漢江漢油田。 在江漢油田有關(guān)負(fù)責(zé)人的帶領(lǐng)下，我們考察了一個鉆井工地，該工地泥水分離