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1、大型泥水盾构施工中的泥水分离处理系统第一章绪论一、泥水加压式盾构及其泥水分离处理系统概述盾构法施工已有170余年历史，随着科学水平的不断提高，盾构 技术也得到不断发展和完善.至今，盾构已发展成为软土地层修建隧 道的一种专用施工机械，盾构施工法也已成为当今城市隧道和地铁工 程中不可缺少的一种施工法。为了满足城市隧道建设的地表沉降控制和加快施工速度，泥水加 压式盾构逐渐发展并成熟，泥水加压式盾构用泥浆代替气压，用管道 输送代替轨道出土，加快了掘进速度，改善了劳动条件和施工环境，能 较好地稳定开挖面和防止地表隆陷，成为当今一种划时代的盾构新技 术.1996年，上海采用直径11.22m泥水加压式盾构，
2、成功穿越7m浅 覆土河床和4。2m超浅覆土软土地层，完成延安东路南线水底公路隧 道施工，标志着中国隧道施工技术已达到国际先进水平。近来，上海市相继开始建设大连路和复兴东路越江隧道工程，并 采用直径11。22m泥水加压式盾构施工，为该施工工艺在软土地基 中施工提供了广阔的舞台。泥水加压式盾构是在机械掘削式盾构的前部刀盘后侧设置隔板， 它与刀盘之间形成压力室，将加压的泥水送入泥水压力室，当泥水压 力室充满加压的泥水后，通过加压作用和压力保持机构，来谋求开挖 面的稳定。盾构推进时由旋转刀盘切削下来的土砂经搅拌装置搅拌后 形成高浓度泥水，用流体输送方式送到地面。在地面调整槽中，将泥 水调整到合适地层土
3、质状态后，由泥水输送泵加压后，经管路送到开 挖面泥水压力室，泥水在稳定开挖面的同时，将刀盘切削下来的土砂 搅成浓泥浆，再由排泥泵经管路输送到地面。被送到地面的泥水，根 据土砂颗粒直径，通过一次分离设备和二次分离设备将土砂分离并脱 水后，排去分离后的水，经调整槽进行再次调整，使其成为优质泥水 后再循环到开挖面。二、泥水平衡机理及指标1、泥水平衡机理泥水平衡盾构是在切削刀盘与隔板之间形成的密封舱中，注入满 足施工要求压力的泥浆，使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，并 由安装在正面的大刀盘切削土体表层泥膜，由刀盘开口进入密封舱与 泥水混合后，形成高密度泥浆，由排泥泵及管道输送至地面进行处理， 整个过
4、程通过建立在地面中央控制室内的泥水平衡自动控制系统统 一管理。盾构掘进机设有操作步骤设定，各操作步骤间设有联锁装置， 制约因误操作而引起事故，施工安全可靠.在实际施工中，泥膜的形成是至关重要的。当泥水压力大于地下 水压力时，泥水理论按达西定律渗入土壤,形成与土壤间隙成一定比例 的悬浮颗粒，在“阻塞和“架桥”效应的作用下，被捕获并积聚于土 壤与泥水的接触表面，泥膜就此形成。随着时间的渐渐推移，泥膜的 厚度不断增加，渗透抵抗力逐渐增强，当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果.2、泥水管理控制(1)、进浆泥水指标泥浆能否在渗入土壤时形成优质泥膜，能否稳定切口前方土体, 除了采取其它施工技术措
5、施外，对进浆泥水的质量管理也是十分关键 的。在施工中，要加强对进浆泥水的以下主要指标进行控制.泥浆配合比：膨润土： CMC：纯硷：水=300 kg：2.2kg：llkg：87 0kg比重：1.151.20粘度：2023含砂量：1525析水量：5%PH 值：83、排泥指标控制比重泥水的比重是一个主要控制指标.掘进中进泥比重不易过高或过 低，前者将影响泥水的输送能力,后者将破坏开挖面的稳定。泥水比重的范围应在1.151。30 g/cm3，下限为1。15 g/cm3，上限根据施工的特殊要求而定，在砂性土中施工、保护地面建筑物、盾构穿越浅覆层等，可达1.30 g/cm3。甚至可达1。35 g/cm3。
6、黏度泥水的粘度是另一个主要控制指标。从土颗粒的悬浮要求来讲， 要求泥水的粘度越高越好，考虑到泥水处理系统的自造浆能力，随着 推进环数增加，泥浆越来越浓，比重会呈直线上升，但比重的增加并 非说明泥浆的质量越来越高，若在砂性土中施工，粘度甚至会下降， 因此，泥水粘度的范围应保持在2030s.考虑到粘度的调整有一个过程，故在泥浆粘度为22s时（调整槽 粘度），即可逐渐增加CMC，添加量的多少视粘度下降的趋势而定。过分强调提高粘度而无限制地添加CMC，将提高工程费用，造成 不必要的浪费.当然，在特种场合，为了开挖面的更加稳定，有可能 将粘度指标提高到35s.析水度和PH值析水度是泥水管理中的一项综合指
7、标，它们在更大程度上与泥水 的粘度有关，悬浮性好的泥浆就意味着析水量小，反之就大。泥水的析水量须小于5%,PH值须呈碱性，降低含砂量、提高泥 浆的粘度、在调整槽中添加石碱，是保证析水量合格的主要手段。在砂性、粉砂性土中掘进时，由于工作泥浆不断地被劣化，就需 要不断地调整泥水的各项参数，添加粘土、膨润土、CMC;在粘土、 淤泥质粘土中掘进时，由于粘性颗粒不断增加，使排放的泥浆浓度越来 越高，添加清水进行稀释则成为主要手段。第二章大连路越江隧道盾构施工中的泥水分离处理系统一、工程概况上海市大连路隧道工程是市府为改善交通的重大通道工程之一， 由引道段、矩形段、工作井、圆形隧道段、管理中心大楼和天桥六
8、部 分组成。设计起点位于杨浦区大连路霍山路口，沿大连路经杨树浦路、 毛麻公司穿越黄浦江到浦东过其昌栈轮渡站东侧达浦东大道,沿东方 路向南，设计终点为东方路乳山路口。设二条隧道，线路里程为K0+0O 000K2+565.88,全长2。565KM。主要施工方法为盾构法隧道，圆隧 道隧道轴线平面呈反“S”形，纵剖面呈“U”形，东、西线线型基本 一致。东线设计线路长度为1274.20m，盾构从浦东向浦西推进。浦 西工作井位于大连路杨树浦路口，浦东工作井位于东方路昌邑路口。二、工程地质概况据地质勘察报告，工程范围内的地质资料从上至下依次为：人 工填土、褐黄灰黄色粉质粘土、1灰色淤泥质粉质粘土、2灰 色粘
9、质粉土、3灰色淤泥质粉质粘土、灰色淤泥质粘土、1-1 灰色粘土、12灰色粉质粘土、暗绿草黄色粘土、1-1草黄 色砂质粉土、1-2草黄色粉细砂。隧道主要埋置于1-1灰色粘土、 1-2灰色粉质粘土、暗绿草黄色粘土、11层草黄色砂质粉 土中。大连路隧道出洞推进隧道主要穿越灰色淤泥质粘土、1-1灰色粘土、1-2灰色粉质粘土的土层。各层土物理、力学性质指标如地基土的物理学性质指标下表:层底层底层指标含容孔塑内内压缩系无侧限 抗压强 度qn序土层厚水重隙性聚摩数（0。标高埋深数值量Y比指力擦1 0.2)号名称(m)类别W数C角Mpakpa(m)(m)%g/cm3eIPKpa1 / Mpa人工填3.031o
10、50 1o 50 最大值平均值土3o 003o 00/-0O 34最小值褐黄色2o最大值37 o 32.011o 0719o 42326.00O 57粉质粘2.29-604o0o00 平均值31o 71.890o 9116o 71818.50o 3754o 2土1.05002.00最小值24 o 71.810.7012.9914.50.1831灰色淤-0.114.00 0.00 最大值57.11.901.5923.01520.50o 79泥质粉平均值37 o 81o 821.0715o 71417.30.49/质粘土7o 504.50-4.26最小值28.21.670.8312.71215.0
11、0o 23灰色粘0.33最大值45 o 51o 931o 091229.00o 6524o50 0o50 平均值33 o 31.870o 92/824.80.26/质粉土27 o11o 308.00最小值27.11o 810o 80410.00o 13053灰色淤-4o 068o50 1.00 最大值52 o 61o 841o 4823 o 51517o01.24泥质粉平均值40 o 11.801.1215.81313.70o 80/3质粘土12o 508o 00-8.45最小值35.41.691.0011.71210.50.45灰色淤-12o 0616o4o 50最大值56.01.791.5
12、527.51812o51o 4056 o 3泥质粘509.50平均值48 o 61.721.3922.81410.51.0740.0土-16.0318o 50最小值39 o 41.671o 1316o 1129.50o 6034.8灰色粘14o19o最大值48.91.891o 3725.02218o00o 9593.51111001o 00平均值40 o 11o 781.1721.11812.90.6185 o 0土22 o 506.00最小值30 o 61o 710.9115.91410o50o 3546 o 2-19o 4519o12灰色粉4824.002o 50最大值37o 22.001
13、.0719o 92222.50o 70114.8质粘土10.50平均值32o 51o 840.9716o 12015o 10.4872.232.50最小值23.21.790o 6914.31812.00o 2968.129.88表一暗绿 草黄色 粘土-24.0637 o3828 o5040o 001.30 7o 50最大值平均值最小值30 o 723.520 o 32.062.011.880o 880o 680.6219o 917.916o 140302325o518.515o00.320o 240o 15/1草黄色 砂质粉 土28.46-42o 8833 o0044 o 500o 507.5
14、0最大值平均值最小值34.929 o 922.01.951o 901.840.970.850.75/104133.530.424o00.290.170.11/1-2草黄色 粉细砂一44.81-50.1747.4055 o002.50 21.50最大值平均值最小值36.028.320 o 81o 971o 911.831.000.810o 69/31036.033.930o50.220.130o 07/三、泥水分离处理系统设计原理泥水处理系统主要由泥水控制室、沉淀槽、泥水槽、粘土溶解槽、 调整槽、剩余槽、新浆配制槽、清水槽、和泥水分离旋流器等组成， 起着处理由盾构开挖面排出的泥水和制造新鲜泥水的
15、作用.利用黄浦 江的天然水资源条件，将系统设置在浦东黄浦江边。从施工地段土质构成来看，盾构主要穿越暗绿草黄色粘土和草 黄色粉质砂土，其颗粒组成：0.250。074mm约占21。 7%;0.0740.035mm 约占 44.65%；W0.035mm 约占 33.65%；由于 0.074mm的颗粒占了绝大多数，因此对泥水分离带来的相当大的难 度，在总结了延安路隧道泥水处理的经验教训后，经过多种方案的筛 选比较并辅之以实验室沉淀试验及工程旋流试验，最终方案定为二级 泥水处理.工艺流程图一级泥水处理：盾构排泥管排出的带有切削土质的泥水密度为P=1。352T/m3, 排入沉淀池，经沉淀池S形走道，泥水密
16、度约降低0。022即P=1。 33T/m3,然后进入第一级旋流器，将N0.074mm和部分0.074mm的颗 粒处理掉，使泥水密度约降低0。035,即P=1.295T/m3,上液口泥水 送入泥浆槽，再在泥浆槽内加水稀释使密度降为P=1。255T/m3，便 于经其后的二级旋流器处理的泥水可直接进入调整槽作为送泥水。二级泥水处理：经一级处理后的泥水在泥浆槽内用水稀释至？= 1.255T/m3,然 后进入二级旋流器进行处理，大于0 030mm的颗粒将被处理掉，此时 泥水密度约降低0。045，即P=1。21T/m3，经二级处理后的泥水直 接进入调整槽加上作为补充的少量新浆也被送入调整槽，由于新浆密 度
17、较小P=1.05T/m3，二者混合后使送泥水密度达到P=1.20T/m3的 要求，直接供泥水盾构取用。应急措施为防止设备意外故障，影响盾构掘进，本系统设置三种应急模式:应急模式0调整槽进浆发生故障，其内泥水将被用完影响到掘 进时，启动应急模式0,将沉淀池浆水直接送入调整槽并同时向调整 槽加水，临时应急；应急模式1 1#泥浆槽进浆发生故障，其内水位降低至低1位时， 启动应急模式1，将沉淀池浆水直接送入1#泥浆槽，临时应急；应急模式2 2#泥浆槽进浆发生故障，其内水位降低至低1位时， 启动应急模式2,将沉淀池浆水直接送入2#泥浆槽，临时应急；四、泥水分离处理系统使用情况总结大连路越江隧道施工已接近
18、尾声，从隧道整个推进过程来看，泥 水处理系统发挥了巨大的作用，事实证明是成功的，并且为复兴东路 隧道泥水处理系统提供了技术参考，同时在泥水系统的使用过程中， 也发现了一些系统设计及工艺设计中的不合理处。1、不同土层都采用同一种处理模式，针对性不强；据地质勘察报告，工程范围内的地质资料从上至下依次为：人 工填土、褐黄灰黄色粉质粘土、1灰色淤泥质粉质粘土、2 灰色粘质粉土、3灰色淤泥质粉质粘土、灰色淤泥质粘土、1-1 灰色粘土、1-2灰色粉质粘土、暗绿草黄色粘土、1-1草黄色 砂质粉土、12草黄色粉细砂。隧道主要埋置于11灰色粘土、 1-2灰色粉质粘土、暗绿草黄色粘土、1-1层草黄色砂质粉土 中。
19、在1-1灰色粘土中小颗粒粘粒较多，暗绿草黄色粘土含较 难搅碎的块状土，1-1层草黄色砂质粉土中小砂粒较多，可见各土 层参数不一样，故整个系统设计时，应充分考虑不同土层的特性。实 际使用过程中泥水分离并没有有效的针对措施,而是主要采取沉淀池 沉淀+挖机挖掘，只适用于较难搅碎的块状土，对于0. 2以下 主要颗粒由于较难沉淀，挖机无能为力,故在11推进时，挖机挖 掘量较小，沉淀池尾部比重特别高，有时达1.50，还是主要靠旋流器 分离，这样就增加了旋流器的负担，由于旋流器进口比重较高，影响 了其工作效率，使系统处理量降低，而且比重无法降低到设计要求，不得不添加大量新浆予以稀释，增加了成本。各项参数平均
20、值统计数据环号018581051705326C地层编号号1号2号号1号号2地层性质灰色淤泥 质粘土灰色粘土灰色粉质粘土暗绿色草黄色粘土草黄色砂质粉 土暗绿色草黄色粘土灰色粉除砂器上溢口流量2。081。952.042.001。931。921。除砂器下溢口流量0。430。570。450.550.400。420。除砂器进口流量2。522.522.502.542。332.342.清洁器上溢口流量1。741。801。751。711.661。611.清洁器下溢口流量0。220.210。190.130.140.060.清洁器进口流量1。952.011.931。841.801.671。新浆量40.599.67
21、42.4081。4473。9212。2141.0.00各项参数平均值统计图表3.002.502.001.501.000.5001858105170532605720除砂器上溢口流量除砂器下溢口流量除砂器进口流量清洁器上溢口流量清洁器下溢口流量一洁器进口流量0,135心0.060.070.05号 1号2号号1号号2号1号2、弃土方式存在问题，弃土效率低，浆液浪费严重;弃土方式主要为挖机挖掘装车+弃浆泵送，如前所述，在1-1 灰色粘土中小颗粒粘粒较多，1-1层草黄色砂质粉土中小砂粒较多， 挖机效率很低，主要靠弃浆排放，且挖机挖出的弃土含水量很高，真正 挖出的土方量很小，且装车困难，污染环境，而弃浆
22、排放同时带走泥 浆中大量有用的粘土及CMC颗粒，材料损失严重，且弃浆量跟不上排 放量，经常造成两条隧道同时停止推进，损失巨大。3、未充分利用排出泥浆的自造浆能力及浆液回收利用，造成新 浆制备浪费，大大提高成本；排出的泥浆含有大量的粘土颗粒，如合理利用排出泥浆的自造浆 能力，并且使有用的颗粒能够不断地循环利用，将节省新浆拌制材料 的使用，从而大大节约成本.但大连路泥水处理系统设计并未充分考 虑这些，而是通过挖机挖掘及弃浆排放，将大量有用的泥水弃走，增 加了排放量，同时整个系统循环量是恒定的，弃走多少废浆，必须加 入多少新浆。每环新浆量统计图表号 号 号 号 1号k01858105号 号 狎J 1
23、70532605720780根据数据统计，大连路两条隧道推进使用的膨润土总量为7400吨, 而延安路隧道相应的的使用量为2400吨，该数据充分说明大连路泥 水分离系统在成本控制方面存在一定的问题。根据数据统计,大连路 两条隧道推进使用的膨润土总量为7400吨，而延安路隧道相应的的 使用量为2400吨，该数据充分说明大连路泥水分离系统在成本控制 方面存在一定的问题.根据我们的统计，大连路泥水系统（东线）新浆 拌制材料成本为近400万元，这只是其中的部分成本，系统的不合理 造成的影响至少有以下几方面：1、整个循环系统比重较高，推进速度明显减慢，拖延了工期；2、泥浆中有害物质含量过高，设备负载加大，
24、能源消耗过多，且 设备磨损较为严重；3、泥浆排放量过大，增加外运成本；4、泥浆外排造成的环境影响非常大；第三章复兴东路泥水分离处理系统的方案优化大连路泥水分离处理系统为复兴东路泥水系统的设计提供了技 术准备，大连路的一些不合理处需要在复兴东路加以改进，同时通过对 石油钻井行业的考察，使我们对复兴东路泥水处理的方案优化有了新 的认识。一、石油钻井泥水分离设备现场考察报告2002年9月上旬，由于大连路泥水分离设备中砂泵损坏，我们与 生产厂家广汉西部石油勘探装备有限责任公司取得联系，对方总经理 同技术员立即赶赴上海，经现场踏勘，对方认为大连路泥水分离系统 存在问题，同时向我们推荐他们厂生产的离心机，
25、可直接分离出含水 量很低的固体颗粒，且经处理后的泥浆可降至1.10以下，对方的介 绍引起了我们浓厚的兴趣,因为泥水分离的效果不仅能减少废浆排放 量，而且可大大提高泥浆循环使用率，减少新浆使用量，这样可大大 节约成本，故我们决定对该设备进行现场考察。9月18日，我们赶赴成都，在场区现场，厂方已经将该离心机放 置在泥浆池上，应我们的要求，对方为我们进行了现场试验，即在泥 浆池中预先拌制比重为1.12的膨润土浆液，然后开启该离心机，离心机 的两个出口分别排出泥浆和面团状固状物，经测试，排出的泥浆比重 为1。04，从现场试验的情况来看，该离心机分离效果确实不错。附：LW450X 1000N离心机主要技
26、术参数单位机型技术参数N1N2N3N4 （变频）转鼓内径mm450转鼓工作长度mm10001005转鼓最高转速r/min180019001573最大分离因素8159081573推料器差转速r/min2236螺旋叶片特性单头、左旋最大处理量（比重小 于1。2时）mWh60主电机功率kw22辅电机功率kw7.5供液泵型号LSB2”X3”外形尺寸m3.1X1.9X1。23X1.6X1.84X1。5X2由于该设备主要应用于石油钻井工程中的泥水分离设备，故厂家 建议我们到油田现场考察该设备使用情况，而且石油钻井工程中的泥 水分离与大连路及复兴路越江隧道工程中的泥水分离原理上基本相 似，对我们应该有所启发
27、，经厂方联系，我们于次日赶赴武汉江汉油 田.在江汉油田有关负责人的带领下，我们考察了一个钻井工地，该工地泥水分离系统流程如下:附：现场抄录的设备技术参数名称高频双层直线振动筛型号QCZS-GII转速1440rpm频率26HZ尺寸上层：1250X800X2 （1260 目）；面积 2。1m2； 下层：1250X630X4 （40200 目）；面积 3。15m2；外形3050X1900X1400制造商西安科迅石油钻采设备有限公司名称除砂器（带振动筛）型号ZCSQ250-2漏斗直径250mm工作压力0.210.35Mpa处理量200m3/h分离粒度0。020o 04mm制造商沧州华北石油华沧机电设备
28、厂名称除泥器（带振动筛）型号ZCNQ1208最大内径120mm工作压力0.20。3Mpa转速1400rpm振幅Amax=2mm筛网规格40/140 目处理量160m3/h外形1600X945X1960制造商沧州华北石油华沧机电设备厂根据现场提供的资料，排泥口浆液比重1。30,粘度40，处理 后循环罐比重1。06,粘度不变.此次成都武汉之行给我们带来很多启示，首先振动筛在泥水处理 中应用广泛，特别是上海在7心土层中砂性颗粒较大，振动筛分离效果 较好，故复兴路泥水第一级处理建议使用振动筛；大连路除砂器、清 洁器下液口直接当废浆处理，势必造成浆液浪费，油田中在除砂器、 清洁器下液口安装振动筛再次分离
29、，回收浆液，节约成本；用离心机 可进一步分离浆液中较小颗粒，且整个系统全部分离出干土，不产生 废浆，大大节约了成本。为此，我们在大连路泥水施工现场对振动筛及离心机等设备进行了试验。试验数据如下表：泥浆槽离心机试验粘度（S）比重第一次第二次第三次平均值第一次第二次第三次平均值进口20.6921。3521。7921。281.321。331.341。33出口18。3818。3518。418.381。1751.171。171。172弃浆池离心机试验粘度（S）比重第一次第二次第三次平均值第一次第二次第三次平均值进口24。2324.3624。1724。251。31。311.291.3出口23。3823。2
30、523.2723.31。141。141.131。137排泥口振动筛试验粘度（S）比重第一次第二次第三次平均值第一次第二次第三次平均值进口25。4325.2625.7725.491。381.371.381。377出口25.1422.1922。8723.41.311。331。321。32六号池振动筛试验粘度（S）比重第一次第二次第三次平均值第一次第二次第三次平均值进口24.1924.2324.2724.231。3351.341。341.338出口22。822.7922.9522。851。3251。321。3251。323根据试验结果，大家一致认为振动筛及离心机的分离效果是明显 的。同时我们又对出口浆液进行了颗粒分析试验，离心机出口浆液 0.005mm以下粘粒占70%以上，远远高于调整槽浆液质量，甚至高于 新浆中粘粒含量（60%）。二、复兴东路泥水分离处理系统的优化在石油钻井行业的泥水处理系统启发下，我们提出了复兴东路泥水处理优化方案（见流程图）。该流程引入了振动筛及离心机等设备，目的在于提高浆液的回收 率、挖掘土体中有利颗粒的充分利用，提高系统的自造浆能力，节省 配置新浆用量，从而达到节约成本的目的。由于第一次将石油钻井设 备应用于大型泥水盾构的泥水分离处理系统,究竟能否达到预期的目 的，有待于工程实践的进一步检验。
