摘要：针对泥水盾构在黏土地层施工中产生的泥水分离问题，介绍了泥水分离系统在施工中的应用。以徐州地铁2号线一期工程10标新元大道站～新区东站区间泥水盾构施工过程中遇到的黏土层为例，研究并解决了泥水分离系统在盾构长距离穿越黏土地层施工中如何提高盾构掘进工效并处理黏土地层中掘进所产生的大量高浓度泥浆的难题，切实达到了"零排放""、零污染"的环保要求。泥水分离系统在黏土地层中的成功应用，对于类似工程施工具有一定的借鉴意义。
关键词：黏土；泥水盾构；分离系统
1、概述
徐州地铁2号线一期工程10标新元大道站～新区东站区间位于徐州市新城区，区间下穿故黄河及侧穿桥桩，故黄河河底为液化砂质粉土，透水性强，易坍塌，采用泥水平衡盾构施工。但是过河之后地层全部是黏土地层，黏土塑形指数达到17，泥水盾构长距离在此地层中掘进，泥水分离系统是盾构掘进效率的关键技术。
2、工程概况
徐州地铁2号线一期工程10标新元大道站～新区东站区间起于新元大道与昆仑大道交叉口，沿昆仑大道布置，下穿故黄河且侧穿故黄河桥后到达新区东站。区间隧道左线长度1053.009m；右线长度1056.416m。区间隧道平面设置两条半径R=1200m和R=700m的平曲线，线间距12.000～16.000m；线路纵坡设计为"V"字坡，最大纵坡26‰，最小竖曲线半径R=3000m，隧道拱顶覆土10.3～20.5m（支流局部覆土7.2m）。区间隧道于K23+073.988处设置区间联络通道兼排水泵站一座。区间穿越故黄河段砂质粉土地层透水性强，易坍塌，采用一台中铁装备泥水平衡盾构机掘进。
3、工程地质与水文地质
3.1工程地质
盾构穿越地层主要有：②5-3砂质粉土、②4-3粉质黏土、⑤3-4黏土。
3.2水文地质
地表水系有：废黄河是历史上的黄河故道，废黄河支流河宽约153m，水深2-4m。
地下水：第四系土层中的潜水主要赋存于故黄河两岸阶地冲积形成的砂质粉土层中（②5-2、②5-3），受大气降水、地表水补给，以地下径流的形式排泄，部分消耗于蒸发，具有明显的丰、枯水期变化，水位埋深约1.50-3.70m。
4、泥水分离系统面临的问题
根据泥水盾构最大掘进速度4-5cm/min，泥水分离系统对应最大的泥水处理能力为1000m3，并能够适应穿越不同地层。
在泥水分离系统制造之前，厂家提取了现场勘察探孔的土体样本，进行筛分颗粒分析，采取针对性设计，满足工程需要。
1、砂质粉土颗粒分析
砂质粉土小于20微米以下可以占20-42%，取平均值30%。
2、粘土颗粒分析
粘土小于20微米以下可以占22-45%，取平均值34%。
3、泥水分离系统面临的主要施工问题
1、区间隧道穿越含砂地层，对整个泥水处理设备磨损为工程施工的一个难点。
2、淤泥、粘土等地层大颗粒泥块处理是关键。粘土筛分困难，施工效率及项目文明施工是主要难点。
3、隧道穿越淤泥、粘土等地层，小于20微米颗粒含量较多，如果不能及时处理直接影响盾构循环泥浆指标，在该区间分离设备分离效率是关键，分离设备分离效率越高，泥浆处理成本越低，总施工成本越低。
4、细颗粒较多，弃浆越多，高效、节能、环保进行弃浆处理是该区间施工面临主要问题。
5、项目场地较小，在配置功能完善的前提下合理布置设备为施工面临主要问题。
5、泥水处理系统的针对性设计
1、针对区间地层的磨损性强特点，泥水处理设备在管道、入料位置、振动筛、筛网、渣浆泵、旋流器部分分别作了耐磨损处理，可有效的提高整体耐磨性能。解决了系统在砂层磨损问题。
管路
分离设备的主要管路均采用内衬8mm耐磨橡胶、耐酸、耐腐蚀，减少磨损，故障率低、运行成本低。
入料位置
盾构机排浆管直接进入分离设备入料消压箱进行减压后流入振动筛进行筛分。首先a、入料箱压箱为了减低磨损，整体内衬20mm耐磨橡胶，提高设备耐磨性能。b、振动筛尾部入料位置设计了防砸、防磨损可更换20mm耐磨钢板，提高设备耐磨和完整性能。
振动筛
VS、VD振动筛为我公司生产由专业研究所效验，采用特制强化钢板（16mn）制作，整体通过10.9级高强度螺栓组装而成，如果出现磨损部件，可进行现场单独更换，使用寿命长、维修简单。
筛网
粗筛筛网：采用特殊钢制梯形条筛网，主体采用8×4×12mm梯形的耐磨钢条焊接而成。分体式设计维修方便、运行成本低。
脱水筛筛网：采用聚氨基甲酸酯筛网，耐磨损、耐腐蚀。
旋流器
一级HC-750型旋流器采用分体式设计，内衬20mm耐磨橡胶；沉沙嘴采用高铬铸铁耐磨合金材料，耐磨损可更换性强。
二级旋流采用美国KREBS GMAX-6u系列的旋流器，整体采用聚氨酯材料，内部喷涂耐磨涂层，耐磨损，分离效率高，使用寿命长。
2、增加设计了专利产品粘土块-浆液分离机，对于粘土地层的泥水分离具有显著的效果，它不存在堵塞网孔的情况，单机处理量大，结构设计简单，运行维修成本低，出渣含水率≤30%，可直接运输。解决了项目在粘土地层文明施工问题。
3、小于20微米颗粒进行高效浓缩和压滤三级处理2种方式进行处理。
a、经过二级旋流分离后的细小颗粒进入循环泥浆导致泥浆比重增大，盾构无法推进，但岩层细小颗粒粘度低，沉降速度快，因此设计高效浓缩设备，浓缩后的颗粒通过渣浆泵输送到压滤进行三级处理。
b、配置APN高效型压滤设备进行压滤处理，处理泥浆节能、环保、运行费用低，，泥饼满足汽车直接外运，滤液水回收利用制浆或者清洗管道。
4、系统功能完善，整体采用组合钢结构布置，占地面】、
优点：
（1）储浆池，制浆池，调浆池，清水池，设备安装基础平台均需采用钢结构组合形式，占地面积小。
（2）钢结构加工、安装受环境温度影响小，施工周期短。
（3）钢结构布置方案设备均布置于相对标高±0，对施工环境破坏小，方便施工完成后对环境的恢复，减小了混凝土结构破碎及地面恢复等工作。
（4）设备地面布置渣土运输方便。
6、泥水处理系统实际应用效果
（1）、第一阶段：MTP-1000型泥水分离系统
从盾构机排出的泥浆渣土通过管道由渣浆泵泵送到地面泥水分离设备，渣土通过第一步缓冲箱减压后，流到下部的粘土块-泥浆分离机，大于20mm的物料通过分离机直接分离后进入渣土，小于20mm的颗粒和泥浆进入粗筛进行下一步分离，筛上物（2-4）～250mm的大块物料落到渣场，筛下物泥浆进入下方储浆槽，进行下一步的分离分级和脱水；落到渣场的物料含水量小于30%，满足汽车运输要求。
经预筛分离后直径小于4mm的物料进入下部储浆槽（预筛下部的储浆槽与本模块的储浆槽相通），由1号渣浆泵抽至一级旋流器进行分级，直径大于0.074mm的颗粒物进入底流，落至一级分离2号振动筛筛分脱水；旋流器的溢流经一级旋流回浆箱进入二级分离模块。振动筛的筛上物主要为0.074至4mm的砂料，落至渣场，含水率小于30%，满足汽车运输要求。
一级旋流器的溢流经一级旋流回浆箱进入二级分离模块的储浆槽后，由2号渣浆泵将其抽至二级旋流器分级，直径大于0.020的颗粒物进入二级旋流器底流，落入二级脱水筛脱水；二级旋流器的溢流进入制、调浆系统，调整后送回盾构机循环使用；振动筛筛上物为粒径小于0.074mm的颗粒，落至渣场，其含水率小于30%，满足汽车运输要求。
（2）、第二阶段：ZTJ-120型制调浆系统
为了保证盾构始发和正常掘进时的施工安全，必须配置能够满足施工需要的制调浆设备。该系统对未达标或量不够的盾构机掘进所需的浆液进行调整和补充，以达到盾构所需浆液的技术指标和用量。
（3）、第三阶段：APN压滤系统
APN型压滤机的工作原理为：通过隔膜泵把物料注入相邻滤板形成的滤室中，在注满后继续泵料，给滤室内的物料施压，使得矿浆中大部分的水通过滤布，从滤板上的沟槽流出。然后，用高压风鼓动滤板隔膜挤压滤饼进行脱水，最后用高压空气均匀通过整个滤饼的断面，置换滤饼内的残留水分。压滤后的滤饼含水率＜30%，适合卡车运输。滤液水固含率2g/l，压滤系统有效地实现零排放，同时滤液水可以作为制调浆系统运行时内循环系统所需水补充，也可作为内循环系统管道清洗。
7、运用此套泥水分离设备在黏土层掘进的实际施工效果
通过对泥水分离系统的改造应用，极大的提高了施工效率，较少的废浆的处理及外运数量，并能满足现场的环保及文明施工要求。在实际施工中，盾构掘进达到了黏土地层单班推进8环（9.6米）的新高度，解除了工期压力警报，并最终圆满的完成了区间施工生产任务。
8、结束语
目前为止，国内在用各型盾构已经超过800台，未来一两年内就将到达1200台的规模，年隧道掘进里程超过1000KM，涉及地铁、公路、铁路、电力、核电以及城市共管多个领域。
其中以城市地铁盾构应用最为广泛，目前大陆地区有39个城市获批建设地铁，2015年计划总里程达到2500KM，投资超过1.2万亿。未来5年内将超过50个城市开建城市地铁。而城市地铁的环境限制，盾构将毫无疑问的成为首选工法。
而城市地铁建设，仅仅是盾构施工的一个领域的应用，市政管道将是下一个爆发点，其规模将会超过城市地铁的需求。
泥水盾构施工中，泥水处理系统是一项重要的配套系统。为此，针对徐州地铁二号线工程粘土含量极大颗粒分布极细和保要求弃浆“零排放”的要求，泥水处理系统的优化设计和正常运行尤为重要。为此，结合本项目工程特点，进一步强化提高泥水处理系统中分离效率和弃渣能力，提高浓缩系统中的新浆回收能力，以及加强压滤系统的高效压滤和滤液水回收利用，达到弃浆标准环保可持续的要求，为以后泥水处理系统的设计提供参考，对类似工程施工有一定的参考价值。
论文作者:曹志勇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/18
标签：泥水论文; 盾构论文; 地层论文; 系统论文; 黏土论文; 振动筛论文; 区间论文; 《基层建设》2019年第6期论文;