軟土地層小直徑長距離泥水平衡盾構(gòu)泥水處理選擇及應用

陳 松

中國建設銀行股份有限公司上海市分行 上海 200020

近年來，盾構(gòu)法在重要能源主干管道，如石油運輸越江管道隧道、城市電力主干隧道、天然氣地下主干管道隧道等工程中應用廣泛。因管道對隧道空間需求較小，所以隧道直徑也較??；而在富含地下水的軟土地層中，常用泥水平衡盾構(gòu)機施工。

目前，國內(nèi)大城市重要公路隧道，已有較多采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)法施工的工程實例[1-3]，其泥水系統(tǒng)已有較為成熟的工藝和材料。大直徑盾構(gòu)刀盤切削土層豐富，泥水循環(huán)中顆粒大小覆蓋范圍廣，已經(jīng)基本形成了以泥水篩分處理系統(tǒng)為主、廢漿處理為輔的泥水處理工藝，泥水循環(huán)的調(diào)蓄池往往需要占用很大的場地面積。而國內(nèi)小直徑盾構(gòu)剛剛起步，參考工程寥寥無幾，盾構(gòu)類型有土壓平衡盾構(gòu)、復合盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)等，其中，泥水平衡盾構(gòu)工程實例最少，且主要在沙礫土層中推進，一次性掘進距離少于4 km。相比于大直徑泥水平衡盾構(gòu)，小直徑泥水平衡盾構(gòu)刀盤斷面土層較簡單、泥水流量相對較大、盾構(gòu)場地較小等特點決定了泥水處理工藝并不能照搬照用，所以在小直徑超過4 km距離的泥水平衡盾構(gòu)隧道中的泥水處理選用和應用國內(nèi)還未有可借鑒的經(jīng)驗，該技術(shù)研究對于我國重要管線的泥水平衡盾構(gòu)法應用推廣具有重要的意義。

1 泥水平衡盾構(gòu)機泥水處理原理

泥水平衡盾構(gòu)的泥水系統(tǒng)運作原理如圖1所示。

圖1 泥水處理流程原理

循環(huán)泥水通過送泥管路到達在盾構(gòu)機頭刀盤處的泥水倉，一方面發(fā)揮泥水護壁的作用，另一方面與刀盤切削下來的渣土充分混合，通過排泥泵和排泥管路被運送至地面；從排泥管排出的泥水和渣土先送到地面泥水處理設備中，泥水中顆粒較大的渣土，在處理設備中被篩分出來進入渣土場地；顆粒較小的渣土懸浮于泥水之中，進入沉淀池。在沉淀池底部的泥水大顆粒渣土較多，其密度較大，達不到循環(huán)泥水要求，需做廢漿處理；沉淀池中緩慢流動的上層泥水，由于密度相對較小，又有比較好的黏度，所以作為循環(huán)泥水繼續(xù)由送泥管送到盾構(gòu)機頭刀盤處泥水倉再次循環(huán)上述流程。而在調(diào)整池中，循環(huán)泥水參數(shù)需要定期檢測，達不到標準時需要及時添加水、膨潤土等參數(shù)進行調(diào)整。

2 工程土層特點

某越江小直徑隧道，隧道長度超過8 k m，采用φ4.11 m泥水平衡盾構(gòu)機施工，隧道外徑3.96 m、內(nèi)徑3.40 m、環(huán)寬1.35 m。隧道主要穿越土層為⑤1-1層、⑤2層、⑤3-1層、⑤3-2層。其中第⑤1-1層灰色黏土，局部為淤泥質(zhì)黏土，土質(zhì)較均勻。第⑤2層灰色粉砂，夾薄層黏性土，局部以細砂為主，土質(zhì)不均。第⑤3-1層灰色粉質(zhì)黏土，夾多量薄層粉性土，局部夾多量粉砂，土質(zhì)不均。第⑤3-2層灰色粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土互層，粉質(zhì)黏土與黏質(zhì)粉土呈互層狀分布，局部夾多量粉砂，土質(zhì)不均。隧道與土層關(guān)系如圖2所示。

圖2 隧道水平壓縮穿越土層斷面示意

從圖2可看出該隧道穿越的土層中，60%的土層為⑤3-1層，30%為⑤1-1層，8%為⑤2層，2%為⑤3-2層。土層的顆粒分析對泥水處理系統(tǒng)來說至關(guān)重要，從土層顆粒分析（表1）可知土層中主要為小于0.05 mm的細微顆粒。穿越土層土中含水率：⑤1-1層為43.7%，⑤2層為28.3%，⑤3-1層為35.2%，⑤3-2層為33.3%。

表1 主要穿越土層平均顆粒分析表

3 泥水平衡盾構(gòu)機泥水處理選擇

在選取泥水處理設備時，需要首先考慮有效性，然后考慮可靠性，再而考慮經(jīng)濟性，通過對工程特點和地質(zhì)條件的分析，選用適合的泥水處理設備進行泥水處理。

3.1 泥水指標

泥水按照功能區(qū)別可分為新漿、循環(huán)泥水、廢漿等。

新漿是采用膨潤土、水、CMC按照一定比例充分混合攪拌形成的均勻混合液，具有較低的比重和較高的黏度。

該工程盾構(gòu)機正常推進過程中刀盤切削的黏土和循環(huán)泥水結(jié)合后的混合物是具有一定黏度且比重較高的泥水。在泥水循環(huán)過程中，由于土層顆粒較細，不能被處理的顆粒不斷增加，循環(huán)泥水比重不斷上升，黏度略有下降。

一方面，長距離隧道內(nèi)攜帶渣土的泥水循環(huán)需要采用多臺接力泵接力輸送，接力泵在揚程一定的情況下，泥水比重越大，其能夠接力輸送的距離越短。所以循環(huán)泥水比重越大就需要采用越多的接力泵，造成設備成本增加。另一方面，泥水比重越高，其懸浮渣土的能力越強，配合較大的黏度可以減少對管道的沖擊。為保持泥水運送渣土的能力，比重也不能過低。

選擇優(yōu)質(zhì)膨潤土按照0.03∶1的比例可以制備比重1.02 g/ml、黏度40 s的優(yōu)質(zhì)新漿，用于初始推進和過程中的漿液參數(shù)調(diào)整；在推進中需要保持循環(huán)泥水的比重和調(diào)整池泥水比重保持在1.15 g/ml左右，黏度控制在20 s左右；當沉淀池中下層泥水比重≥1.3 g/ml時，必須做廢漿處理。

3.2 泥水池選用

泥水池按照功能可以分為制漿池、循環(huán)池、沉淀池、廢漿池，其中循環(huán)池和沉淀池是結(jié)構(gòu)連通的。沉淀池中上層的泥水進入到循環(huán)池，而下層的廢漿用渣漿泵抽到廢漿池待處理。由于缺少詳細的計算，目前僅依據(jù)和同類實例工程經(jīng)驗，因此該工程選擇沉淀池容量調(diào)整池容量。根據(jù)盾構(gòu)直徑大小設置為120 m3、沉淀池容量為300 m3。為防止廢漿處理設備故障時泥水參數(shù)無法實現(xiàn)調(diào)整，另外設置了2個容量為150 m3鋼質(zhì)備用漿桶。

3.3 泥水處理技術(shù)選用

土層中顆粒雖然主要是小于0.05 mm的細微顆粒，但仍然有10%左右大于0.05 mm顆粒的粉砂，這些顆粒在常規(guī)情況下會在沉淀池中沉底。若不采取處理措施，沉淀池每幾天就需要進行停工清底，這對工效的影響在長距離盾構(gòu)中十分不利。因此，需要選用一套泥水分離設備，該分離設備的最大泥水處理流量是400 m3/h。

從盾構(gòu)機排出的泥水渣土通過管道由渣漿泵泵送到地面泥水分離設備，首先流到黏土塊-泥水分離機和粗篩，篩上物直徑4～150 mm的大塊物料落到渣場；篩下物泥水進入一級旋流器，直徑0.074～4.000 mm 的顆粒物進入底流，落至一級分離2號振動篩篩分脫水后進入渣場；再篩分后泥水進入二級旋流器，直徑大于0.05 mm的顆粒物進入二級旋流器底流，落入二級脫水篩脫水；二級旋流器的溢流泥水進入沉淀——調(diào)漿系統(tǒng)，調(diào)整后再送回盾構(gòu)機進行循環(huán)使用（圖3）。

圖3 泥水分離流程示意

3.4 泥水壓濾設備選用

為了達到保護生態(tài)環(huán)境的要求，廢漿處理采用壓濾工藝。顧名思義，壓濾就是將泥水中的泥和水通過高密度的濾布分離開，使泥水中的泥土達到可以外運處置的級別（其含水率不大于30%），使泥水中的水達到可以循環(huán)利用的級別。然而，泥水壓濾設備處理能力需要與盾構(gòu)推進的額定推進量相適應。在換算上，由于自然土層含水率比壓濾土含水率高，所以在計算壓濾能力上，采用最終壓濾方量等同于開挖方量計算時，仍具有一點余量。

該工程每一環(huán)的出土量約為b×πD2/4=17.9 m3（環(huán)寬b為1.35 m，盾構(gòu)直徑D為4.11 m），一環(huán)推進和拼裝總時間為1 h左右，壓濾需要處理90%的開挖土方量，所以需要考慮泥水壓濾量為16.11 m3/h。選用2臺壓濾機，單臺壓濾機處理能力為8 m3/h。

4 泥水平衡盾構(gòu)機泥水處理應用

4.1 小直徑長距離泥水應用與完善

以上泥水處理設備在工程進展中得到了應用，并根據(jù)場地情況進行了合理布置。泥水系統(tǒng)流程中的泥水處理也完善至分離和壓濾2個環(huán)節(jié)（圖4）。

圖4 泥水處理系統(tǒng)完善流程示意

在盾構(gòu)推進過程中，泥水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)下出現(xiàn)了泥水比重上升較快的情況。在連續(xù)4天保持10環(huán)/d推進速度的情況下，人工檢測循環(huán)泥水比重發(fā)現(xiàn)泥水比重從1.17 g/ml持續(xù)上升到1.31 g/ml，同時排泥泵的負荷也上升較快。

分析其原因，主要是總漿體積增加過快造成的。壓濾機原定廢漿比重在1.3 g/ml左右進行壓濾，而總漿量的增加使壓濾機不得不在漿液比重只有1.25 g/ml左右時就對其進行壓濾，其單位時間內(nèi)壓濾的效率降低了。在預選壓濾機時，考慮的是對應每一環(huán)管片推進時間的處理量，然而實際上一天中并非24 h均保持推進，泥水平衡盾構(gòu)機在推進過程中還有交接班、設備維保、泥水管路接長等工作需要占用時間，所以目前的壓濾量仍然跟得上單日推進需求。

此時，采用的解決方案是轉(zhuǎn)變備用鋼質(zhì)漿桶的作用，將其從防止壓濾機檢修而暫時充當調(diào)整泥水比重的廢漿池，轉(zhuǎn)為正常壓濾工作時調(diào)整泥水比重的廢漿池。沉淀池底部廢漿抽到鋼質(zhì)漿桶后被壓濾，調(diào)整池中可以加入大量新漿或水來有效降低泥水比重。

4.2 小直徑長距離泥水處理管理

泥水指標的管理采用與盾構(gòu)推進相同的“10+10+4”工作制，即2個班交接，每個班含上下班10 h，中間停頓進行設備維保4 h。在盾構(gòu)推進過程中，泥水循環(huán)的持續(xù)工作至關(guān)重要，所以調(diào)整池的液位和泥漿比重需要人員實時監(jiān)控。為了精簡泥水處理場地的管理流程，同時增加泥水管理效率，在場地上設置監(jiān)控設備情況，在泥水池內(nèi)設置水位計和攝像頭，并且設置網(wǎng)絡電話可以與地下盾構(gòu)機駕駛室、中央監(jiān)控室相互通話。在泥水指標上，采用人工檢測主控校核循環(huán)泥水的比重和黏度，采用自動密度計實時監(jiān)控管路中的循環(huán)泥水比重，可以快速應對泥漿調(diào)整，防止水泥比重過高時推進對排泥接力泵的高負荷損傷。

經(jīng)過以上調(diào)整，循環(huán)泥水比重可以在連續(xù)推進12環(huán)/d的推進速度下保持（1.15±0.02） g/ml，黏度（20±2） s左右的控制指標。

5 結(jié)語

隨著地下空間開發(fā)和盾構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展，主干管道采用小直徑盾構(gòu)法施工是一大基礎設施建設的發(fā)展趨勢，尤其是適合富水地層長距離施工的泥水平衡盾構(gòu)。該工程實例根據(jù)工程特點和地質(zhì)特點，將泥水處理工藝和設備參數(shù)進行分析和選擇，并在實際應用中進行完善。該技術(shù)對以后軟土地層小直徑長距離泥水平衡盾構(gòu)推廣有積極的指導意義。