李勇，繆兵權(quán)，鄒宇林，李敏，陳莎，祁海燕

（中鐵環(huán)境科技工程有限公司，湖南 長沙 410200）

泥水平衡式盾構(gòu)技術(shù)已廣泛應用到我國隧道工程中，由于泥水平衡式盾構(gòu)機在掘進時會將掘進中的渣土和泥水一起排出，導致回用泥漿產(chǎn)生變化而不達標，目前國內(nèi)為使排出的回用泥漿快速達標，在泥水平衡式盾構(gòu)掘進工程中增加一套盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)，盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)集成了分離、制漿、調(diào)漿、脫水、加藥等機械設備，這些設備組成后因占地面積大，從而制約了盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)的推廣。如何將這些設備高效集成起來，充分利用設備的結(jié)構(gòu)特點及設備功能特點，實現(xiàn)盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)小型化，為國內(nèi)盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)進一步優(yōu)化提供借鑒。

1 小型盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)工藝流程

制漿系統(tǒng)將膨潤土和清水按照一定比例制成盾構(gòu)機環(huán)流所需要的合格新漿，新漿通過泵輸送至調(diào)漿系統(tǒng)，調(diào)漿系統(tǒng)再將新漿輸送到盾構(gòu)機的環(huán)流系統(tǒng)，環(huán)流系統(tǒng)將掘進中的渣土和泥漿輸送至泥水分離系統(tǒng)，分離出部分渣土和泥漿，渣土通過環(huán)保工程車輛外運至處理地，泥漿自流到調(diào)漿系統(tǒng)，調(diào)漿系統(tǒng)主要是用來調(diào)制合格泥漿，當泥漿超標時，調(diào)漿系統(tǒng)將部分超標泥漿輸送至泥漿脫水系統(tǒng)，脫水后的泥漿被分為清水和渣土，渣土外運，清水用來制漿和回用。

在掘進中會存在一定量的泥漿損失，當調(diào)漿系統(tǒng)的泥漿不能滿足供給需求時，制漿系統(tǒng)會將提前制好的新漿補給調(diào)漿系統(tǒng)來滿足系統(tǒng)的運行（圖1）。

圖1 小型盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)工藝流程圖

2 小型盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計計算依據(jù)

工程采用盾構(gòu)機直徑為De=2.84m，隧道截面積為Se=6.33m2，最大掘進速度為Vmax=1m/h，最大原狀土產(chǎn)量為Qmax=6.33m3/h，原狀土比重為ρe=1.8g/cm3，原狀土含水量為35%，盾構(gòu)機排漿比重為ρs=1.318g/cm3，盾構(gòu)機送漿比重為ρb=1.2g/cm3，盾構(gòu)機最大送漿流量為Qsmax=200m3/h，盾構(gòu)機最大排漿流量為Qpmax=220m3/h，平均每天掘進距離Le=20m。

2.2 總平面布置圖（圖2）

圖2 小型泥水處理系統(tǒng)總平面布置圖

該套系統(tǒng)布置在總工程施工場區(qū)內(nèi)，為充分利用場區(qū)空間，提高渣土外運效率。盾構(gòu)機排漿通過P1泥漿泵送至泥水分離系統(tǒng)，泥漿通過預篩、一級旋流器、二級旋流器、底篩等設備后脫水堆放外運，處理后的輕液泥漿進入泥漿濃縮罐，濃縮罐泥漿通過一次沉淀后泥漿溢流至調(diào)漿罐，制漿單元向調(diào)漿罐內(nèi)注入新漿調(diào)整合格后的泥漿輸送至盾構(gòu)機環(huán)流系統(tǒng)。

制漿單元功能包含射流混漿和新漿補給，通過膨潤土制漿單元向新漿罐輸送制備劑，在新漿罐內(nèi)通過攪拌器調(diào)漿，輸送至調(diào)漿罐。制漿單元分為兩個儲漿罐和制漿罐，可滿足工程掘進復雜地段的緊急補給能力。

濃縮罐和調(diào)漿罐底部泥沙用渣漿泵送至離心機進行脫水。脫水后的污泥外運；脫水排出的液相回用，固相收集外運。

2.3 小型泥水處理系統(tǒng)參數(shù)

小型盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)采用罐體式設計，可提高設備重復使用效益，避免現(xiàn)場一次性基建回填造成的一次性投資損失，集成化設計可實現(xiàn)疊層擴容，并不需要重新規(guī)劃場地，也可根據(jù)不同處理量進行各工藝流程系統(tǒng)擴容調(diào)整，系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 小型泥水處理系統(tǒng)主要參數(shù)

控制系統(tǒng)采用集中手動控制模式，可使操作員根據(jù)操作流程執(zhí)行工藝調(diào)整，避免較遠距離的穿梭造成工藝誤差。

3 系統(tǒng)關鍵參數(shù)的計算

小型盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)整個設計計算涉及到結(jié)構(gòu)設計計算、管道設計計算、設備選型計算等多個方面，其中上述設計里面關鍵技術(shù)設計選型有旋流器選型、振動篩出渣能力計算、離心機的選型計算、堆場面積的計算。

3.1 旋流器的選型

旋流器采用離心沉降原理，是一種分離分級設備。由于泥漿中的顆粒存在的不同粒度差，顆粒在離心力、向心力以及流體曳力的作用下，使顆粒達到分離分級的目的。選擇與系統(tǒng)匹配的旋流器可以提高篩分效率，減少篩分設備的投入。根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)綜合分析，篩分后切割點分為兩級，系統(tǒng)設備的投入和能效趨于最佳，一級切割點為74μm，二級切割點為20μm，結(jié)合旋流器選型表2所示。

由表2可知，一級篩分選擇DN500規(guī)格的旋流器，二級篩分選擇DN100規(guī)格的旋流器，按照盾構(gòu)機最大排漿處理量220m3/h可得，一級旋流器1個，二級旋流器12個可滿足處理量要求。

表2 旋流器性能參數(shù)

3.2 振動篩出渣能力計算

振動篩是采用振蕩激勵產(chǎn)生的往復振動將顆粒大小不同物料篩分脫水，多次通過均勻布孔的單層或多層篩面，再經(jīng)過大小不同的篩孔將粗、細粒分離。考慮到篩板規(guī)格，同時又要確保振動篩的出渣能力可與盾構(gòu)機掘進速度相配套，物料運行速度υ是關鍵。

直線篩物料運行速度υ的理論計算公式：

式中υ為物料運行速度，單位mm/s；kV為綜合經(jīng)驗系數(shù)，一般取0.75～0.95；λ為單振幅，選取2.2mm；ω為振動頻率，選取120.58rad/s；δ為振動方向角，選取50°；α為篩面傾角，選取20°；計算可得υ≈0.183m/s（50Hz）。

直線振動篩處理量Q的理論計算公式：

式中，Q為振動篩處理量，m3/h；b為篩機有效寬度，選取0.8m；h為物料平均厚度，取0.02m；υ為物料運行速度，取0.183m/s；可得Q=10.54m3/h(50Hz)，Q＞Qmax，滿足處理要求。

3.3 離心機選型計算

離心機是利用離心力將固體顆粒從懸浮液中分離出來。由于20μm顆粒超出了泥水分離系統(tǒng)處理單元的分離范圍，工作泥漿濃度、比重升高產(chǎn)生超標泥漿，會導致調(diào)漿系統(tǒng)泥漿指標惡化。參考本區(qū)間工程報告，當掘進至粉質(zhì)黏土層時，排漿含水率在94%。

粉質(zhì)黏土層原狀土量Qc的理論計算公式：

式中，Qc為粉質(zhì)黏土層原狀土處理量，m3/h；可得Qc≈94m3/h。其中會有50%排漿量進入離心系統(tǒng)進行脫水分離，因此離心機處理量為47m3/h。

3.4 堆場面積計算

堆場主要是用于將盾構(gòu)機掘進出來渣土集中收納外運，而工程渣土外運又受當?shù)卣哂绊?，根?jù)當?shù)卣咭螅归g23:00到次日6:00允許城市工程渣土運輸，因此渣土的堆放存儲量應滿足一天盾構(gòu)渣土量，堆放面積M的計算公式：

式中，M為堆放面積，m2；h為渣土堆放高度，一般取1～1.5m，這里取1m，計算可得M=126.6m2。經(jīng)過對設備的合理的布局，充分利用場地結(jié)構(gòu)，渣土現(xiàn)場實際堆放面積132m2,大于126.6m2，滿足設計需求。

4 結(jié)語

小型盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)的應用與研究是靈活利用設備的結(jié)構(gòu)和場地縱向空間，將復雜的工程設備按照工藝流程有效集成起來，提高了場地的利用率，為盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)研究提供參考意義。

小型盾構(gòu)泥水處理系統(tǒng)未來發(fā)展還應趨勢智能化、專用化和資源化。

智能化是將復雜地質(zhì)泥水處理系統(tǒng)集監(jiān)測、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸及分析為一體，建立專業(yè)的知識庫，通過對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，選擇出最優(yōu)方案及控制方式。

專業(yè)化主要體現(xiàn)在設備專業(yè)化方面，比如：專用旋流器，針對盾構(gòu)超標泥漿特性研制出新型的適用旋流器，而不是選型目前的選礦旋流器；專用泥漿篩，區(qū)別于礦用篩機來料穩(wěn)定的特性，盾構(gòu)泥漿專用泥漿篩需要面對地質(zhì)條件不斷變化，近乎通吃的苛刻條件；專用廢漿處理工藝，根據(jù)盾構(gòu)工程廢漿的理化特性，進一步研究專用工藝來處理處置。

資源化是在盾構(gòu)超標泥漿處理技術(shù)的發(fā)展趨勢下采用盾構(gòu)超標泥漿固化處理及資源化利用新技術(shù)實現(xiàn)盾構(gòu)超標泥漿制備出各類免燒建材、路基及建筑回填用土及園林用土，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，打造循環(huán)經(jīng)濟。