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浅谈泥水加压盾构施工中泥水分离

摘要:泥水加压盾构具有良好的地层适应性,可以适应各种黏土、砂土、砂砾、坚硬土及由这些土层构成的复合地层。施工过程中,泥浆的质量是由泥水处理系统保证的,因此,泥浆分离与处理技术愈发重要。本文以广深港客运专线皇岗竖井到米埔竖井的泥水盾构施工德国沙堡泥水分离设备为例,对泥水的分离处理进行系统论述,介绍了泥水平衡盾构施工中泥水分离设备在复杂底层中常见问题及处理方法。
  20 世纪 60 年代,英国、日本、德国先后研究开发了泥水加压盾构,该工法用泥浆压力代替气压或土压,并且应用管道输送代替轨道出渣运输,加快了施工速度,改善了劳动条件和施工环境,并能较好地稳定开挖面和防止地表隆沉,成为一种划时代的盾构新技术,加快对该工法的研究至关重要。
1  泥水加压盾构概述
  泥水加压盾构就是在盾构刀盘的后方设置一道隔板,隔板与刀盘之间作为泥水压力调节室。在开挖面和泥水室中的泥水,通过空气加压在开挖面形成致密泥膜,通过压缩空气和泥浆液位的调节,保证开挖面土体的稳定。盾构推进时,开挖下来的土体进入泥水室,由搅拌装置进行搅拌,搅拌后的高浓度泥浆用连续泵站送到地面泥水分离站,把携带渣土的泥浆进行筛分处理,然后,再送入泥水室,不断循环使用。
  泥浆指标对泥水加压盾构施工的影响,主要有以下三个方面:
 (1)调节开挖仓内压力与开挖面水土合压保持动态平衡,确保对地层扰动降到最低;
 (2)泥水作用到开挖面上后,通过压力形成一层致密的泥膜,可以保证仓内压力,稳固地层;
 (3)泥水可以携带渣土到地面,保证施工的持续和效率。因此,保证泥浆在经过泥水分离系统后的处理质量至关重要。
2  工程概况
  广深港客运专线深港连接隧道位于深圳市福田区会展中心至保税区一带,线路大致南北向,线路穿越深圳市中心城区,过深圳河进入香港米铺湿地,最后,到达香港米铺竖井。区间盾构施工采用海瑞克泥水加压盾构机,配套泥浆处理系统采用德国沙堡泥浆分离设备。深港连接隧道为 9.96m 双洞单线盾构隧道,隧道起点为皇岗公园竖井,终点为香港米埔车站,全长3346m。隧道顶面最大埋深约 48m,最小埋深约 28m;最大曲线半径 12000m,最小曲线半径 2000m;最大坡度 12‰,最小坡度 3‰。整个隧道地层复杂多变,包含溶洞层、海洋沉积层、强风化岩石层、黏土层等。
3  泥浆的作用
  泥水处理模式与盾构机的选型、掘进速度、地质条件等紧密相关,不同的机型及地质条件决定了不同的泥水处理模式。
  广深港客运专线皇岗竖井到米埔竖井采用双线泥水加压盾构施工工艺,泥水分离设备采用德国沙堡处理设备,主要设备分为制浆设备、预分离设备、一级旋流、二级旋流等,掘进过程中,根据不同地层对泥浆的要求,及时调节浆液的密度、黏度、滤失量等泥浆主要指标参数,以达到配合盾构机顺利掘进的要求。
4  泥水分离设备主要组成
泥水分离设备主要分为制浆设备、预分筛、脱水筛、一级旋流器、二级旋流器、皮带机、压榨设备等。
4.1  制浆设备
  制浆设备分为搅拌系统,上料系统及控制系统,在自动运行模式下设备的功能由 SPS 系统来控制并且参照极限值来被监控。密度调节可以通过人工改变蜂窝轮闸门转数来实现,同样可以借助精确调节阀控制进水量,以此实现浆液指标的修改。需要根据不同地层的需要调节新浆的密度、黏度、滤失量等参数,密度、黏度、滤失量等是浆液中膨润土含量的重要指标。
4.2  筛分系统
  预分筛和脱水筛原理以及构造大体上相同,只是筛分渣土颗粒的直径有所区别,预分筛上层筛板设计为上层 10mm 钢制筛板、4mm 钢制筛板间隔铺设,下层为 2.5mm 钢制筛板。
在实际掘进过程中,地层多变,根据不同地层的出渣情况,筛板需要做出不同的调整,岩石地层及粗颗粒砂地层,上层斜坡筛板,及前端两排更换为 10mm 筛板,后面筛板更换为 2.5mm 筛板,下层斜坡及前端两排筛板更换为孔状聚氨酯筛板,10mm 筛板对于石头撞击有较好的抵抗性,在砂层和岩石层,一般黏度低、滤失量高、颗粒较大,泥浆对筛板的过水性要求不高,但是,筛板容易磨损破损,所以下层用孔状聚氨酯筛板延长使用寿命,减少维修时间,更好地为掘进提供条件。
  经过海洋沉积层时,粗颗粒较少,有贝壳和类似贝壳的片状石出现,上层斜坡筛板保持 10mm 筛板不动,其他的全部更换为 2.5mm 筛板,下层从斜坡筛板到平铺第 4 排筛板全部换成孔状聚氨酯筛板,这样可以避免面积大但厚度很薄的片状石进入旋流系统,导致旋流器出口堵塞,影响旋流效果。
  进入黏土层后,上层筛板、下层筛板全部更换为10mm, 并且在预分筛的尾部架设高压水炮,不停地冲洗筛板,在这种地层中,泥浆密度升高的并不快但是黏度上升很快,悬浮颗粒大幅度增加,换浆过程中在保证携渣能力和泥浆参数的情况下可以全部加清水进行换浆,因为要保证黏度,所以会产生大量密度低、黏度高的废浆,对废浆处理能力是一项严峻的考验。
4.3  筛分驱动系统
  筛分驱动系统有震动梁、振动电机、震动弹簧等主要构件,设备运行过程中常见问题有弹簧断裂、震动梁开裂、电机底座开裂、电机固定螺栓断裂等。弹簧断裂主要是产品质量问题,筛分主体不平衡,导致受力不均,使用寿命到期等原因。
  震动梁开裂、电机底座开裂、电机固定螺栓断裂三个问题实际上归纳起来就是一个原因,那就是振动电机或者说振动电机螺栓安装不合格。刚出现这种开裂问题时,分析原因是震动幅度过大,需要调小震动幅度,也可能是电机底座变形等。经过在施工过程中进行对比试验,一台振幅调至 70 一台振幅调至 100,振幅 70 的电机底座,震动梁出现开裂,而振幅 100 的反而完好,这可以说明电机底座开裂、震动梁开裂的主要原因不是振幅引起的。纠查原因,振幅 70 的安装时用的是气动扳手,打紧一遍后,不再复紧,直至螺栓断裂,这样往复几次电机底座就会因为震动过程中受力不均出现变形或开裂,而震动梁作为振动电机的承载体,自然受力也会不均,进而出现开裂。而振幅 100 的振动电机在打紧后用扭矩扳手逐个复紧,并且在运行一段时候后再次复紧,确保每个螺栓受力完全均衡。
4.4  旋流系统
  旋流系统分为一级旋流和二级旋流,根据选择会有不同的组合,以本项目施工为例,一级旋流采用 PC150旋流器,二级采用 PC75 旋流器。旋流器配有自我调节的潜流袋,可用在对功率、分离精度以及去水等要求很高的情况下。潜流袋是一个以真空方式工作的调节单元,具有良好的预排水和去水功能。装满物料时,漩流器进口形成压力,而溢流上则出现负压。漩流器利用这种负压使潜流袋发挥作用。根据负压的高度不同,潜流袋的袋口或多或少地关闭。负压可以通过溢流弯管上面的排气阀进行调节。漩流器上的负压必须按相应的排放材料进行调整。颗粒粗大时,负压必须低于颗粒细小时的负压。负压过大,可导致漩流器堵塞。
4.5  掘进过程换浆
  掘进过程中换浆是确保泥浆各项指标符合掘进要求的必要工作,换浆操作简单,但是,怎么换浆能达到井下掘进要求是个需要操作手长期琢磨和实践的问题。沙土层结构疏松,容易垮塌、漏气,泥浆含沙量高,密度升高快,在这个地层需要确保密度和黏度两个指标,密度影响泵送能力,黏度影响携渣能力和泥膜形成,在地下水含量高的情况下,可以选择密度 1.25g/ml、黏度 40s 的新浆,在地下水含量低的情况下,可以选择密度 1.15g/ml、黏度 35s左右的新浆做置换;在黏土层,密度基本可以通过旋流效果得到保障,但是黏度升高较快,滤失量逐步减小,所以在该地层换浆时,可以选择大部分甚至全部置换清水,这主要根据实际情况作出调整,需要密度、黏度、滤失量、泥膜厚度等各项指标做参考,是一项简单但是细致的工作,直接考验操作手的操作能力。
4.6  检测系统
  检测系统在泥水加压盾构施工中是一个十分重要的组成部分,泥水系统的运行和操纵由泥水监控系统来实现和完成,监控系统由 PLC 程序实现。施工中,监控系统可以随时为中央控制室提供可靠的信息,采集泥水系统的技术数据。同时,通过控制系统中的显示屏和触摸屏及时了解和掌握相关的泥浆处理指标。检测系统可监控泥水分离、处理、新浆制作、贮浆泵送、泥浆调整及密度测定。
5  结语
  泥水盾构施工时的泥水处理是影响泥水盾构正常掘进的主要因素之一,随着泥水盾构技术的广泛应用,泥水处理系统的作用越发显得重要。目前,泥水处理设备正在朝着集成化、模块化方向发展。所谓集成化、模块化 , 就是把振动筛、旋流器和泥浆槽等集成为一体。优点是安装使用方便、占地面积小、灵活机动。

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