福州地铁5号线泥水盾构泥浆处理技术

叶康慨

(中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518000)

0 引 言

泥水盾构以技术先进、地质适应性强、压力控制精准和安全可靠等优点被广泛使用在穿越江河湖海的地下工程施工中，如何解决泥水盾构的在粘土层、淤泥质地层、粉质粘土、(含泥)砾粗砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩(砂土状)、中风化花岗岩等地层掘进时泥浆分离的方法和快速掘进，满足日益严峻的环保形势，这就需要对泥水盾构在泥水分离系统配套及泥浆处理技术以及泥浆分离管理进行研究和摸索。

1 工程概况

1.1 工程地理位置

福州市轨道交通5号线一期工程下穿闽江段位于荆溪新城站～区间风井盾构区间，该区间总长1 816 m，区间线间距12～16 m，最大坡度28‰，盾构下穿闽江段，长度315.41 m，线间距12 m，隧道埋深24～28.7 m，隧道上方覆土厚土17.8～28.7 m，江面稳定水位最大深度4.3 m，潮汐水位最大深度8.1 m。泥水盾构区间线路走向平面图见图1。

图1 泥水盾构区间线路走向平面图

1.2 工程地质与水文地质

(1)工程地质情况

根据(补充)地勘报告，过江泥水盾构隧道穿越的地层主要为：淤泥、淤泥夹砂、淤泥质土、粉质粘土、(含砂)粉质粘土、(含泥)砾粗砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩(砂土状)、中风化花岗岩等。以盾构中心为统计高度，左、右线隧道穿越的各种地层所占比例及粒径大小见表1、表2，隧道穿越的地质剖面图见图2。

表1 盾构穿越的地层地勘资料颗粒分析

表2 左、右线洞身各地层统计表

图2 盾构穿越闽江段地质断面图

(2)水文地质情况

本工程地下水按埋藏条件分为上层滞水、潜水、承压水三种类型。地层主要有粉质黏土、淤泥、淤泥质土、(含泥)砾粗砂及强风化花岗岩，其渗透系数分别为3.0E-4、3.0E-3、3.0E-3、35.00、6.00(m/d)。

1.3 盾构选型情况

本工程采用两台中铁工程装备集团有限公司生产的710/711#气垫式泥水平衡盾构机进行施工，盾构开挖直径Φ6.52 m。采用面板式刀盘，最大开口率22%。盾构最大掘进速度50 mm/min。

2 泥浆分离系统设备选型

2.1 泥浆分离设备的选型设计计算依据

根据本工程所使用的泥水盾构设备参数，泥浆分离设备的选型设计计算依据见表3。

表3 泥浆分离设备的设计计算依据汇总表

由表3数据可以计算出：

出渣量：Q=60πD2*V/4=100.16 m3/h；

排浆流量：Q排=Q*(ρ0-ρ1)/(ρ2-ρ1)=648 m3/h；

进浆流量：Q进=(Q排*ρ2-Q*ρ0)/ρ1=547 m3/h；

盾构月进度指标240 m，盾构推进速度50 mm/min，计算得知泥浆系统的排浆流量为648 m3/h，考虑0.15的富余能力系数，泥水分离设备的处理能力不得低于750 m3/h。

2.2 泥水处理系统方案

(1)泥浆处理的总体流程

在盾构掘进过程中，新拌制的泥浆通过P1.0进浆泵进入盾构泥水仓，携带刀盘开挖下来的渣土由排泥泵输送至地面分离设备，经过粗筛进行预分处理。预筛分是分离2 mm以上颗粒物，泥渣混合物由入料箱进入，由脱水筛上部震动电机将渣料向出料口推动，直径小于2 mm物料随泥浆进入下部水槽，经渣浆泵抽至一级旋流器进行泥水分离，一次旋流器分离回收直径0.075～2 mm颗粒物；一级旋流器脱水筛脱水后，泥渣混合物经过一次减压箱分流管道进入二次水槽，由渣浆泵将其抽至二级旋流器，二次旋流器专为分离直径为0.045～0.075 mm的颗粒物。旋流器分离处理后的干净泥浆进入调浆池，经泥浆调整后循环使用。当泥浆比重超标时，泵入沉淀池加入絮凝剂充分混合、静置一段时间后，泵入离心机/压滤设备进行物理分离。

(2)泥浆处理的主要设备组成

综合考虑本工程泥水分离设备既要满足细颗粒的泥浆分离，又要满足在全风化花岗岩、强风化花岗岩(砂土状)、中风化花岗岩等岩层中掘进时的大颗粒渣块的泥浆分离。泥浆处理的主要设备由ZTJ-150型制调浆系统、MTP-1000型泥水分离系统、APN18SL40 m型板式压滤系统、CS30-T型离心机、DNYA2500三滤带浓缩一体带式压滤机组成。

①制浆、调浆系统

其泥浆制备量：120 m3/h；泥浆密度：1.05～1.2 t/m3；泥浆粘度：18～45 s；CMC制备量：10 m3/h。

②MTP-1000型泥水分离系统

系统由预筛、一级旋流分离、二级旋流分离等组成，经泥水分离系统分离后的渣土含水率均≤25%，满足汽车运输。

③化学分离系统

在沉淀池中加入絮凝剂等浆液进行浓缩絮凝处理，并用压滤机进行压滤或者采用离心机对泥浆中的细微颗粒进行更进一步的分离与清除。

APN18SL40 m型板式压滤设备单台压滤机处理能力：30 m3/h；滤饼量：16 m3/h；滤饼含水率：≤30%；滤液水固含率：<2 g/L；DNYA2500三滤带浓缩一体带式压滤机单台压滤机处理能力：30～60 m3/h；滤饼量：16 m3/h；滤饼含水率：≤50%；滤液水固含率：<2 g/L；

④泥浆的沉淀分离

根据施工需求在带式压滤机周边地面上修建一座1 000 m3絮凝沉淀池，通过添加絮凝剂达到加速沉淀的效果，对沉淀后的渣土再进行清理。

4 施工效果

4.1 软土段泥浆分离情况

在软土段掘进时，通过预筛对泥浆进行一级分离，预筛筛网下部的泥浆通过泵送至沉淀池后进行静置。然后添加絮凝剂、静置后用螺杆泵泵送至带式压滤机进行压滤或泵送至离心机进行离心分离。处理能力基本满足每台设备每天8环/9.6 m的施工进度要求。通过压滤或离心处理后的浆液基本以清水的形式排出。

4.2 硬岩段渣土分离情况

在硬岩段掘进时，通过预筛对泥浆进行一级分离，预筛筛网下部的泥浆再通过一二级旋流设备进行分离。处理能力满足每台设备每天12环/14.4 m的施工进度要求。施工过程随着浆液中小颗粒比例的增加，旋流设备分离效率明显下降，将泥浆泵入沉淀池进行沉淀，然后通过离心机对进行集中处置。

在右线掘进复合地层及硬岩段初期，充分利用左线掘进所处地层来对右线硬岩〖CM6*3/4-6〗掘进的泥水指标进行优化和利用，大大节约了硬岩段掘进需要优质泥水所投入的添加剂的费用。

5 结论与建议

在福州地铁泥水平衡盾构工程施工过程中，针对不同地层对泥水处理设备进行合理的设备配置，并结合压滤机和离心机的使用，通过科学的现场管控，确保了开挖面的稳定和泥水输送系统的通畅，彻底解决了废弃泥浆达标排放的难题，为同类工程采用泥水盾构施工积累了一些宝贵的经验。通过本项目泥浆分离施工，有以下意见在今后的施工中应该注意。

(1)泥水处理系统是泥水盾构施工的重要配套系统，目前大多数项目在盾构选型及配套设备选型主要依靠设备厂家进行泥浆分离处理方案设计。应结合(补充)地质勘探资料，详细分析各类地层颗粒含量及掘进后渣土的颗粒筛分结果，认真设计泥浆分离处理方案、设备配置以及配套处理措施等。

(2)泥浆分离场地施工场地的总体布局要充分考虑不同地层泥浆分离工艺与分离方案进行合理布置，确保泥浆分离设备与分离工艺相匹配。

(3)泥浆处理沉淀池的布置必须考虑泥浆絮凝的时间效应。

(4)泥浆分离是泥水盾构施工的重要工序，必须派熟悉分离工艺的人员进行严格管理。

(5)随着国家环保要求的越来越严，渣土排放管理的逐渐规范，废弃泥浆达标、零污染排放必将成为泥水盾构施工的主流方向。