泥浆处理技术在地铁盾构施工中的应用

潘毅,郭天宇,张亚鹏

中铁隧道股份有限公司  河南省郑州市 450001

摘要：为提高盾构施工速度，避免因盾构干扰而引起的地层塌陷，采用专用泥浆配比对其进行改造，改善其流动性、降低其阻力、提高其流塑性，已成为盾构工程领域的研究热点。尤其是成都地区多水砂砾岩，其机械性能特点对其施工效果和寿命有很大的影响，迫切需要一种能改善砂砾岩流动性和稳定性的钻井液改进方案。

关键词：盾构施工；泥浆处理；设备的备用性

盾构施工是目前国内外最尖端的一项技术，而泥水盾构是目前国内应用最广泛的一种。泥浆处理系统是泥水盾构施工的重要组成部分，它直接影响到施工进度和质量。因此，本项目采取了一种复杂的泥浆处理技术，利用泥水处理设备和传统的多级沉淀池，可以将盾构机开挖后的泥浆进行彻底的净化，并能有效地分离出泥渣，从而达到控制泥浆指标、增加泥浆循环利用、改善工程质量、节省造浆原料、降低造价等目的。该工艺采用闭路循环净化工艺，降低了碴料的含水量，对降低环境污染具有重要意义。

1技术方案

1.1盾构机掘进对泥浆处理系统的要求

1.1.1对泥浆处理系统能力的要求

盾构机的刀片直径：6280毫米；一圈长：1500毫米；钻孔速度：25-60毫米/分钟；每台盾构设备需要的泥浆量为6.5立方米/分钟；每台盾构机的排浆量为8.0立方米/分钟（按最大排泥量计算）；每一次盾构掘进机的最大排泥量为8.0立方米/分钟×60分钟=480立方米。

1.1.2对泥浆指标（处理结果）的要求

为保持泥浆泵的工作性能、减小磨损、减小管道阻力，输送泥浆的基本性质是：流体的比重：1.10~1.25；粘度：漏斗粘稠度：16~30：含沙量：7%。

1.1.3对可靠度的要求

泥浆处理系统对盾构机的正常工作起着至关重要的作用，因此，该系统在施工过程中应确保其安全。其可靠性体现在：(1)总体设计的可靠性，也就是对浆液处理的及时性和浆液质量的适应性；(2)充裕的处理量配置，包括设备的整体及零部件的后备，以及沉淀池的储存功能；(3)性能、质量、使用寿命等的可靠性；(4)将每一组装置经由管道系统和阀门组转换成后备。

1.1.4控制系统的整合泥水

在盾构-泥浆处理系统中，采用泥浆输运系统，将挖掘出的土沙送入料斗，搅拌后的高浓度泥浆通过泥浆泵送到泥浆处理设备，然后在污泥处理现场进行处理，将泥浆的浓度、粘度等参数进行调节，然后泵回挖掘面，如此反复。

1.2泥浆处理系统的工作原理

在盾构工程中，可按工程实际情况选用泵送系统，确保合理的泥浆流量和压力，将其送到一次除渣净化系统的预滤器中，通过预过滤设备过滤出3mm以上的砂砾，然后将其均匀地分布到2台ZX250钻井液提纯设备中，通过旋流除砂和细滤网进行过滤，将74m以上的砂粒全部除去，在盾构机钻入砂砾和中砂层时，通过一级除砂净化系统，达到了要求。此时可切换浆口阀，将净化后的泥浆直接送入回收池，制浆系统的高速制浆机在适当的调浆池中进行调浆，然后将其泵送回盾构机。在粉砂层、粉砂层开挖过程中，由于一级除砂系统无法将泥沙的比重和含砂量降低到一定的程度，采用出浆阀，将泥浆送入二次除砂净化系统。旋流式除沙机可以除去剩余的74米以上的泥沙，并能一次性清除掉大段45米以上的泥沙。二次脱沙后，泥浆从出浆口自流流入调节槽，经过调浆后再用泵送到井下。

1.3泥水处理系统

1.3.1系统的建立

为满足两台盾构机要求的稳定泥浆性能，并在此基础上，结合工程地质结构、颗粒尺寸的分配以及单位工时的处理能力，对该系统进行了设计。

该系统由两台ZX500泥浆净化装置、四台ZX250泥浆净化装置、ZX500泥浆净化装置一台，迷宫式沉淀槽（采用分级迷宫式布置）、调整槽、一个容量约3000立方米的大型废浆池等构成了泥浆处理系统。

1.3.2泥浆处理工艺流程

在盾构机开挖过程中，排出的泥浆通过一级处理装置进行了净化，当泥浆的含沙量达到一定的标准时，可以将其直接排放到一个迷宫沉淀池中进行溢流沉淀，如果不能通过二级处理装置进行进一步的处理，最后进入沉淀池进行溢流沉淀。通过一级和二级工艺的筛分后，将其运输至指定的堆垛区进行堆垛。当泥浆溢出进入调节槽后，如果泥浆量过大，可以将泥浆倒入废浆池贮存，超过弃浆池容积时，泵送至邻近的运输船，输送至弃浆场地；当泥浆量达不到要求时，可用抽浆器进行人工造浆。当调节池泥浆浓度达到要求时，用输送泵将其泵入盾构；如果泥浆的密度过大，则加入清水进行稀释；当泥浆浓度过低时，调整制浆工艺以提高泥浆浓度后再将泥浆泵入盾构。

2不同盾构施工阶段的泥浆处理

盾构掘进分始发、正常掘进、接受阶段，在盾构始发和接受阶段，在盾构开始和接受阶段，洞口周围的土层会采用降雨来确保隧道的进、出隧道，此时盾构机的刀盘掘进土壤比较干燥，掘进过程中，由于盾构的位置都在水位以下，所以盾构机的刀盘掘进土壤比较潮湿；同时，由于盾构法在穿越重要危险源区域时，地面沉降要求很高，因此，在进行渣土加固时，必须尽可能地保持地层的稳定性。

2.1始发阶段改良配比

在开始阶段，洞口周围的岩层已做了加固，并采用了降水量，所以在这一阶段，施工期间，必须向工作面前方注入大量的水，以改善岩体的流塑性，同时减少刀盘的温度，并添加泡沫减小刀盘，用膨润土泥浆包覆大颗粒的卵石，以避免出现卵石或加固体沉淀卡刀盘。

初始添加配比如下：

加入10%的膨润土，膨润土比1:3，注人率12%十泡沫浓度3%，注人率25%。

由于这一地区的土层已得到加强，所以在一环渣土的体积计算中，松散系数为1.24，一环渣土的体积为109立方米，每一环的加入量如下：

水：109×10%=11立方米；泡沫：109 x25%=27.25立方米；泡沫：27.25×0.03×1000÷10=82升；膨润土（18小时）:109×12%=13立方米；钠基膨润土的重量：13x1190×4=3868公斤.

在开挖过程中，如果发现有少量的渣土，可以在降低含水量的前提下，适当提高泡沫溶液的浓度；如果渣土比较干燥，则可以将膨润土的膨水率降到1:4，或者适当地加大水分。

2.2正常掘进阶殷改良配比

常规开挖与起始开挖阶段的区别是，由于没有采用任何的加压或降压措施，这一时期的土壤含水率很高，从室内实验的结果可以看出，初期含水率对土壤的改善特性有很大的影响，必须严格控制加水量，否则会使渣土粘度小，比重小，卵石容易沉淀，造成刀盘转矩增加，甚至卡住刀盘和螺旋。在此阶段，推荐使用适量的水和增加钠基膨润土的用量，推荐使用以下方法：

在膨润土中加入5%的水十钠基膨润土，注入率为1:3，注入率为15%，泡沫浓度为3%，注入率为25%。当一环渣土的容积为110立方米时，在一环内，每增加一种物料的用量为：110×5%=5.5立方米；泡沫：110×25%=27.5立方米；发泡剂：27.5×0.03*1000×10=82.5升；钠基膨润土（18小时）:110×15%=16.5立方米；钠基膨润土的重量：16.5×1190×4=4909公斤。

结语

在城市地铁建设中，盾构法起着非常重要的作用。但由于地层条件的限制，在盾构施工中，必须克服渣土的不均匀、不均匀、坚硬程度不同等诸多不利因素的干扰，采取相应的泥浆处理措施，改善其性能，从而提高掘进效率，控制出土数量。

参考文献

[1]赵洪洲，张明俭.饱和粉细砂地层中泥水平衡盾构施工泥浆配制室内试验研究[J].铁道建筑，2020,60(8)：77-81.

[2]幻彭康，周东波，梅源.泥水盾构弃浆处理方案综合比选[J].施工技术，2020,49(4)：5-8,43.

[3]田广积，储冬，刘翔.盾构开仓检修更换刀具施工技术要点分析[J].工程与建设，2021,35(2)：373-374.