浅析上海超深埋大直径泥水盾构掘进泥水设备的选型研究

浅析上海超深埋大直径泥水盾构掘进泥水设备的选型研究

吴涛

身份证号:6201211994****5858

摘要：为改善城市水环境质量和排水系统的抗风险能力，纷纷探索和发展深层、超深层盾构法隧道丰富城市排水网络。尤其对于上海这座超大城市，充分利用地下空间承担城市综合设施需求，探索和发展超埋深的大直径泥水盾构法隧道已成为城市隧道掘进施工的主流，而与其息息相关的配套泥水处理设备当然也备受关注。本文基于深苏州河深隧主线工程试验段SS1.1标隧道，对上海超深地层泥水处理设备使用情况进行分析，探讨泥水处理设备的适应性，为今后类似项目泥水处理设备的配置与选型提供参考。

关键词：超埋深泥水盾构法隧道；泥水处理设备

1 工程概况

苏州河深隧主线工程整体范围为：上海市苏州河中心城区段（外环线～黄浦江），工程内容包括一级调蓄管道、综合设施、二三级管道等；

图1-1苏州河深隧主线工程总体平面图

试验段SS1.1标隧道西起苗圃竖井，东至云岭竖井，区间为单管盾构法圆形隧道，里程范围。隧道长1611.686m，隧道埋深36.457 m~38.068m。隧道管片外径为11.3m，管片厚度为650mm。盾构段线路平面共3段曲线，曲线半径皆为500m。线路纵断面坡度为1‰。隧道从苗圃竖井出发向云岭竖井推进。采用1台开挖直径11.73米的泥水气平衡盾构进行掘进施工。

图1-2苏州河深隧SS1.1盾构推进平面曲线图

区间隧道主要穿越地层有
：⑤3-1粉质粘土夹粉砂、⑤3-3粉质粘土夹有机质土、⑤4粉质粘土、⑦粉砂夹粉质粘土、⑧1粉质粘土、⑧2粉质粘土。

图1-3苏州河深隧SS1.1盾构推进平面曲线图

第⑤3-1层粉质粘土夹粉砂，灰色，含云母、有机质、腐植物及钙质结核，夹多量粉性土、粉砂，土质不均。

第⑤3-3层粉质粘土夹有机质土，灰～灰黑色，含有机质，局部夹多量粉性土、粉砂，局部以有机质土、泥炭质土为主，土质不均。

第⑤4层粉质粘土（上海地区俗称“次生硬土层”），灰绿色，含云母、有机质、氧化铁条纹，下部夹多量粉性土。

第⑦层粉砂夹粉质粘土，灰黄～灰色，含云母，颗粒组成成分以长石、石英为主。

第⑧1层粉质粘土，灰色，含云母、有机质，土质不均。

第⑧2层粉质粘土、粉砂互层，灰色，含云母、有机质，下部夹砂渐多，土质不均。

表1-1区间土层分布状况表

表1-2各代表地层的颗粒分析表

图1-4各代表地层级配曲线图

根据掘进断面，对切削土体成分进行分析：

图1-5各特征地层断面图

综合考虑推进过程中所要遇到的特征地层，对特征地层进行颗粒分析。

特征地层A：⑤4粉质粘土占比30%

⑦层粉砂夹粉质粘土占比44%

⑧1层粉质粘土占比26%

特征地层B：⑤4粉质粘土占比11%；

⑦层粉砂夹粉质粘土占比41%

⑧1层粉质粘土占比48%

特征地层C：⑦层粉砂夹粉质粘土占比40%

⑧1层粉质粘土占比60%

图1-6各特征地层级配曲线图

2 泥水处理系统选型分析

综合工程地质资料及盾构掘进施工需求，系统拟配置一套1500m³/h处理能力新制泥水分离设备，配套的制调浆、清水、取水、弃浆等设备及分离设备应急切换装置。泥水处理系统配套滚动筛初级筛分单元、一级旋流除砂单元、二级旋流除泥单元和脱水筛单元。

图2-1 泥水处理系统流程图

图2-2 物质平衡计算图

拟采用如下总体处理方案：

1、针对粉质黏土地层，设置1台滚动筛，进一步增加黏土块的分离；由盾构机输送出来的排泥泥浆，首先经过滚动筛分离大于7mm的颗粒，被分离出来的7mm以上颗粒收集到集土坑中；

2、通过滚动筛处理后的浆液进入储浆槽，再通过一级旋流器泵泵送至一级旋流器；

3、通过分析掘进地层的颗分曲线，为减轻二级旋流器的处理压力，将一级旋流器切割点适当设定小一点，同时也可为二级旋流处理提供合适浓度的泥浆以此来保证二级旋流的切割点。因此，一级旋流器分离点选择40m，二级旋流器分离点选择20m；

4、经两级旋流器处理后的溢流浆液进入调整池，底流浆液进入脱水筛。脱水筛筛上物进入集土坑，透筛浆液进入废浆池。调整池多余浆液溢流或泵送进入废浆池，废浆池内泥浆通过泵组转运送至干化设备进行处理；

5、旋流器泵配置变频器，一二级旋流器配置多种型号沉沙嘴及溢流管，可根据复杂多变的地层情况，快速调整设备的部分参数，满足盾构掘进地层变化的不同需求。

6、各泥浆池配置有专用泥浆泵，可快速的调整泥浆，达到应急需求；制浆单元配置膨润土制浆和化学制浆，可独立制备新浆泥浆，也可切换使用。

经过泥水处理系统处理过后存放于集土坑中渣土进行外运，调整池中泥浆来源为处理后的旋流器上溢口泥浆、新浆池中新浆，通过在调整池适当添加相关材料使浆液粘度、比重等指标达到盾构推进使用要求。

根据据盾构循环流量，盾构配置1套泥浆处理能力为1500m³/h的DG泥水处理设备，配置滚动筛作为预处理分单元，一级旋流器的除砂单元加二级旋流器的除泥单元，匹配底流脱水的脱水筛单元。

图2-3泥水场地总体布置图

3 系统主要设备选型参数

3.1滚动筛

图3.1-1滚动筛

新制泥水处理设备配备1台直径为Ф2.4m滚动筛，分离7mm以上颗粒，该设备可以充分可靠的工作，不会将筛子堵塞，弃土通过溜槽流入集土坑。

滚动筛单台处理能力1500m³/h，配置一台能够满足盾构机泥水流量1500m³/h的要求；对于较困难的地质条件，通过安装喷淋泵，用来疏通和清洗滚筒。

预防堵塞措施：用橡胶滚筒、刷子来连续清洗和疏通滚动筛，在滚动筛周围设工作平台，用来保证安全和进行保养。

表3.1-1滚动筛参数表

3.2一级旋流器

图3.2-1一级旋流器

新制泥水处理设备含3组一级旋流器组，由FX250-GX-B型一级旋流器组成。一级旋流分离属于泥水分离过程中的第二步。通过滚动筛的泥浆被收集在一级旋流集浆池里，然后再通过离心泵泵入一级旋流器中，旋流器通过离心力将泥浆中细颗粒和粗颗粒进行分离，绝大部分大于40µm、质量稍大的固相颗粒通过旋流器沉沙嘴排放至脱水振动筛上进行脱水振动筛分，从而回收有用膨润土泥浆及降低弃渣的含水率，脱水后的干渣被排放至弃渣区域。从一级旋流器上部溢流口溢流出的泥浆含绝大部分粒径小于40µm固相颗粒则被收集在二级旋流的集浆池内，再进入下一级的旋流分离。

表3.2-1一级旋流器参数表

3.3二级旋流器

图3.3-1二级旋流器

新制泥水处理设备含3组二级旋流器组，由64个DN155型二级旋流器组成。二级旋流器在前一级的旋流分离中分离出的含绝大部分固相颗粒粒径小于40µm的泥浆，再次以同样的原理被泵二级旋流器中进行进一步的旋流分离。旋离后从沉砂口排出的绝大部分大于20μm的固相颗粒被排放至脱水筛，经脱水后最终被排入弃渣区域。

表3.3-1二级旋流器参数表

3.4脱水筛

为确保粗砂的分离效果，使用一个上坡角的可变频双层振动筛。一级旋流器底流进入脱水筛下层，二级旋流器底流进入脱水筛上层，振动筛将一二级旋流器底流脱水后从筛面筛出，渣土落至渣场堆置。

图3.4-1脱水筛

表3.4-1脱水筛参数表

图2-3 深圳妈湾泥水场地布置图

图2-4 深圳妈湾泥水设备安装图

4 泥水处理设备使用效果

（1）预处理情况（滚动筛）

滚动筛经过975环的推进，滚动筛没有发生筛出物堵塞网孔情况，滚筒筛正常分离土块和结团淤泥，分离效果较好。

图4-1  预处理情况

（2）旋流器处理情况

一级旋流器进浆比重1.36~1.42 g/cm³，溢流比重1.33~1.35 g/cm³，底流比重1.84~1.88 g/cm³；二级旋流器进浆比重1.34~1.40 g/cm³，溢流比重1.28~1.31 g/cm³，底流比重1.51~1.75 g/cm³。

图4-2  旋流器处理情况

（3）脱水筛处理情况

脱水筛一级旋流分配上层0.3mm筛板上效果良好，分配至0.5mm筛板上出土量明显减少。二级旋流分配上层0.3mm筛板上出料明显。分配至下层0.5mm筛板出料较少。

图4-3 脱水筛处理情况

5 项目总结

苏州河深隧主线工程试验段SS1.1标项目地层以淤泥质地层为主，泥水设备配置滚动筛、一二级旋流器和脱水筛；滚动筛能有效筛分粘土块和较大颗粒；一二级旋流器能有效降低泥浆比重，降低泥浆含砂量；脱水筛能有效筛分旋流器底流中的泥砂。

6 结语

上海超埋生淤泥质地层配置滚动筛、一级旋流器、二级旋流器和脱水筛的泥水处理设备是合理的，能满足盾构推进要求。但同时也要清醒的认识到，泥水设备在使用过程中还是存在问题的，后续我们将针对存在的问题加以解决，为超深淤泥质地层盾构机推进提供保障。

针对部分含砂地层设备、接力泵和管路磨损严重问题：

考虑对管路弯头进行加厚和内衬处理，提高弯头的耐磨度；滚动筛和脱水筛考虑增加防冲挡板，提高筛网的使用寿命；旋流器泵考虑采用胶衬泵，减少磨损；旋流器组考虑采用内衬橡胶来提高耐磨度。

参考文献
[1]李媛.盾构长距离穿越孤石地层掘进控制技术研究[J].建筑机械化.2022,43(3).DOI:10.3969/j.issn.1001-1366.2022.03.007 .