introductory

泥水分離壓濾機(jī)處理系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)施工中不可缺少的配套系統(tǒng)，其優(yōu)質(zhì)高效運(yùn)行，可以為盾構(gòu)持續(xù)掘進(jìn)施工提供保證，本文結(jié)合珠海橫琴杧洲隧道工程項(xiàng)目實(shí)際情況，進(jìn)行泥水分離系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的選型計(jì)算，兼顧施工需求及文明施工要求，達(dá)到濕渣零排放標(biāo)準(zhǔn)。該類問(wèn)題的探討在以往的文獻(xiàn)中較少探討。

1 討論與計(jì)算

1.1 泥水分離設(shè)備的組成及工作流程泥水處理系統(tǒng)常規(guī)配置主要包括預(yù)分篩、脫水篩、一級(jí)旋流器、二級(jí)旋流器、壓濾機(jī)等，輔以制漿、調(diào)漿、廢漿轉(zhuǎn)移、化學(xué)藥劑、清水等設(shè)備系統(tǒng)，其工作流程為盾構(gòu)推進(jìn)前把調(diào)制好的新漿送到調(diào)漿池，由P1.1泵將泥漿輸送至盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖倉(cāng)，泥漿與刀盤開(kāi)挖下來(lái)的渣土混合后形成的泥漿利用排漿泵和中繼泵送到地面泥水處理站，經(jīng)過(guò)泥水分離處理后的合格漿液繼續(xù)進(jìn)行掘進(jìn)循環(huán)，不合格的漿液通過(guò)加水和新漿等措施，調(diào)整合格后重新供給泥水循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)循環(huán)式的棄漿、補(bǔ)漿確保漿液指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)的攜渣能力、泵送能力、泥膜形成等技術(shù)要求。

1.2 泥水分離設(shè)備額定處理量的選擇本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道穿越的主要地層及盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)為：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)外徑D15.01m，推進(jìn)速度Vs50mm/min，排泥水側(cè)的渣土相對(duì)比重S2.5，排漿最大比重1.3，中值粒徑20um，泥水循環(huán)系統(tǒng)流量計(jì)算主要考慮輸送的泥漿的臨界沉降速度，只有保證了管路內(nèi)泥漿的流速高于泥漿的臨界沉降速度，才能保證管路不堵塞。對(duì)于直徑大于200mm的管路，臨界沉降速度可以按凱夫公式計(jì)算。1.04*15.01*1.50.75ln1.25【ln77.922】0.13=17.09167m/s。Vl為臨界流速m/s；d管道直徑m；S渣土相對(duì)比重；中值粒徑，um；Cv泥漿中固體物體積占泥漿體積之比。根據(jù)凱夫公式，計(jì)算出泥漿臨界沉降速度，然后根據(jù)流量計(jì)算公式可得到臨界沉降流量：17.09167*3.14*15.01*15.01/4=3023m3/h通過(guò)以上計(jì)算可知，排漿流量約為3023m3/h，則泥水分離設(shè)備選型中額定處理量應(yīng)為3000m3/h，按照以往施工經(jīng)驗(yàn)?zāi)嗨O(shè)備分離有效利用率取0.85較為合理，分離設(shè)備最大處理量應(yīng)為3556m3/h。

1.3 泥水分離設(shè)備選型中旋流篩分配置盾構(gòu)施工泥水分離設(shè)備常規(guī)配置有三個(gè)處理單元：預(yù)分篩（1~10mm）、一級(jí)旋流（74um）及二級(jí)旋流（20um或45um）篩分。經(jīng)過(guò)泥水分離設(shè)備篩分后和壓濾機(jī)壓榨后渣土含水率一般小于30%，滿足干渣外運(yùn)需求，壓榨出來(lái)的清水可以循環(huán)利用，以達(dá)到廢漿零排放。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要存在以下問(wèn)題：

①74μm以上粒徑占比僅為6.02%。一級(jí)旋流處理單元（74μm）因設(shè)計(jì)切割粒徑大于絕大部分泥漿中的顆粒粒徑，造成分離效果差，存在設(shè)備事實(shí)上的空轉(zhuǎn)或者效率低下；

②一級(jí)旋流處理單元占用設(shè)備空間大，造成空間及場(chǎng)地的浪費(fèi)；

③一級(jí)旋流處理單元設(shè)備空轉(zhuǎn)消耗大量電力，造成投入和產(chǎn)出不成正比；

④增加設(shè)備的投入和運(yùn)維成本；根據(jù)顆粒分析結(jié)果來(lái)看，20μm以下細(xì)顆粒分離是本項(xiàng)目泥水處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)備選型方案，有利于渣土篩分，減少棄漿量，減小后續(xù)處理費(fèi)用，降低膨潤(rùn)土、藥劑、電力等物料消耗。主要從以下幾個(gè)方面著手。

①提前進(jìn)行渣土取樣并進(jìn)行顆粒分析，摸清楚各區(qū)間粒徑顆粒在整體出渣中的占比。

②重點(diǎn)考慮淤泥、黏土地層中超細(xì)顆粒旋流分離的切割粒徑，提高循環(huán)泥漿的質(zhì)量，減少棄漿量；

③優(yōu)化設(shè)備選型設(shè)計(jì)。74μm分離粒徑旋流器分離對(duì)象為粗顆粒，本項(xiàng)目粗顆粒少，長(zhǎng)距離淤泥黏土地層，74μm單元長(zhǎng)時(shí)間處在空轉(zhuǎn)狀態(tài)。故與二級(jí)旋流器重組，選擇中值粒徑為一級(jí)旋流器的切割分離點(diǎn)，即20μm。

④增加20μm以下細(xì)顆粒處理設(shè)備，可以有效將棄漿密度泥漿從1.3g/cm3提高到1.6g/cm3，極大地減少了棄漿量。

1.4 設(shè)備選型簡(jiǎn)介根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)情況特點(diǎn)認(rèn)真進(jìn)行顆粒分析及選型設(shè)計(jì)，初步確定由一級(jí)初篩單元、二級(jí)20μm旋流分離、三級(jí)10μm濃縮、高頻脫水篩、渣漿泵及自動(dòng)控制單元組成，取消74μm和45μm的旋流器切割粒徑設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱模塊化設(shè)計(jì)，并聯(lián)布置，占地面積小，操作簡(jiǎn)單、維修方便、安全可靠。

①預(yù)分篩單元（篩分3mm以上渣土，根據(jù)不同地層選擇不同篩板配置）。從盾構(gòu)機(jī)排出的泥漿由排泥泵送入預(yù)分篩單元進(jìn)入粗篩分階段。經(jīng)預(yù)分篩篩分，直徑大于3mm的顆粒直接落至設(shè)備前段渣土坑。小于3mm顆粒泥漿過(guò)流至預(yù)分篩收集槽，泵送進(jìn)入下道工序，即二級(jí)處理單元。

②二級(jí)處理單元（篩分0.02~3mm）。二級(jí)處理單元由脫水篩和旋流器組成，二級(jí)重組后的旋流器選用直徑6UHC150切割粒徑0.02mm的旋流器，預(yù)分篩收集槽的漿液經(jīng)過(guò)渣漿泵送入二級(jí)旋流器進(jìn)行超細(xì)顆粒分離，旋流出來(lái)的底部漿液到達(dá)脫水篩進(jìn)行脫水固化，脫水后的渣土含水率小于30%，落至設(shè)備前端渣土坑等待外運(yùn)。旋流器上端溢流出來(lái)的漿液（粒徑小于0.02mm）經(jīng)過(guò)管道輸送至沉淀池，經(jīng)過(guò)沉淀后到達(dá)調(diào)漿池，由P1.1泵輸送至盾構(gòu)機(jī)完成整個(gè)泥水循環(huán)。

③三級(jí)處理單元（提濃）。由于地層中顆粒粒徑非常細(xì)且分離后底流帶有黏性，脫水幾乎不可行（糊篩或透篩嚴(yán)重），為保證泥水循環(huán)系統(tǒng)中的漿液質(zhì)量，在調(diào)漿池入口處或最后一級(jí)沉淀池上方設(shè)置三級(jí)旋流器組，采用旋流濃縮方式將漿液中的細(xì)顆粒再次進(jìn)行提濃分離，即將三級(jí)處理的旋流器底流排至廢漿池，溢流漿液返回調(diào)漿池進(jìn)行掘進(jìn)循環(huán)，排至廢漿罐的泥漿比重（比重可達(dá)1.5-1.6）保持在一個(gè)較高且易調(diào)整的狀態(tài)，以便進(jìn)行壓濾處理。

1.5 壓濾設(shè)備選型計(jì)算壓濾設(shè)備的功用就是泥漿在反復(fù)掘進(jìn)循環(huán)使用后漿液質(zhì)量（密度、黏度、濾矢量及泥膜厚度等）不達(dá)標(biāo)時(shí)，或細(xì)顆粒較多地層旋流篩分設(shè)備不能分離出足夠的固相，不能快速將泥漿比重處理到適合掘進(jìn)需求的技術(shù)指標(biāo)時(shí)，需要將由此產(chǎn)生的廢漿進(jìn)行徹底的固液分離，通過(guò)分離出低含水率（23%～27%以下）干渣和清水，以完成干濕分離，便于干渣外運(yùn)和清水回收利用。壓濾系統(tǒng)主要由壓濾機(jī)、空壓機(jī)、泥漿泵、泥漿罐及控制系統(tǒng)組成。為提高壓濾效率，可根據(jù)實(shí)際需要選配助濾劑、絮凝劑等輔助功能單元。本項(xiàng)目采用公司自有壓濾設(shè)備，過(guò)流面積600㎡，干渣量12m3，為滿足施工需求，需對(duì)壓濾機(jī)的數(shù)量進(jìn)行核算，具體配置數(shù)量計(jì)算過(guò)程如下。

①計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑φ=15.01m；最大掘進(jìn)速度V=50mm/min，即3m/h；環(huán)長(zhǎng) ：L=2m；平均掘進(jìn)環(huán)數(shù)n=6環(huán)/天；進(jìn)漿比重ρB=1.10g/cm3；排漿比重ρS=1.35g/cm3；隧道截面積：Se=176.86m2；原狀土比重：ρSM=1.89t/m3；原狀土含水率k1=23%；固體物質(zhì)干比重ρ1=2.70t/m3；0~30μm占比58.11%，30~75μm占比4.85%，75μm~2mm占比5.37%，大于2mm占比31.67%。

②廢漿量計(jì)算每環(huán)開(kāi)挖體積V1=S*L=353.72m3；每環(huán)開(kāi)挖總重量W1=V1*ρSM=668.53t；每環(huán)開(kāi)挖干物質(zhì)重量W2=W1*（1-K1）=514.77t；每環(huán)開(kāi)挖細(xì)微干物質(zhì)重量W3=W2*58.11%=299.13t；預(yù)設(shè)廢漿排漿比重ρ3=1.35t/m3；廢漿固含量a1=0.35每環(huán)排廢漿重量W4=W3/a1=854.66m3；每環(huán)排廢漿體積V2=W4/ρ3=633.08m3；每天排廢漿體積V3=V2*n=3798.48m3；總廢漿量=V2*1923/2=608706.42m3

③壓濾機(jī)處理量計(jì)算壓濾機(jī)濾室有效容積V4=12m3；濾餅含水率k2=25%；濾餅比重ρ3=1.89t/m3；每回次濾餅濕重量W5=V4*ρ3=22.68t；每回次濾餅干重量W6=W5*（1-k2）=17.01t；每臺(tái)壓濾機(jī)每回次處理廢漿重量W7=W6/a1=46.412t；每臺(tái)壓濾機(jī)每回次處理廢漿體積V5=W7/ρ3=34.379m3；每臺(tái)壓濾機(jī)每天工作回次R=14cycle/day；每臺(tái)壓濾機(jī)每天處理廢漿體積V6=V5*R=481.306m3；所需壓濾機(jī)數(shù)量A=V3/V6=7.89，即8臺(tái)壓濾機(jī)。

2 結(jié)論根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)情況特點(diǎn)認(rèn)真進(jìn)行顆粒分析及選型設(shè)計(jì)，初步確定由一級(jí)初篩單元、二級(jí)20μm旋流分離、三級(jí)10μm濃縮、高頻脫水篩、渣漿泵及自動(dòng)控制單元組成，取消74μm和45μm的旋流器切割粒徑設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱模塊化設(shè)計(jì)，并聯(lián)布置，占地面積小，操作簡(jiǎn)單、維修方便、安全可靠。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)工程建設(shè)中的文明施工要求越來(lái)越高，泥水分離系統(tǒng)作為泥水盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵性配套設(shè)備，既要滿足盾構(gòu)正常掘進(jìn)施工需求，又要滿足高標(biāo)準(zhǔn)的文明施工建設(shè)要求，同時(shí)還要兼顧安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等技術(shù)要求，而其中關(guān)鍵設(shè)備的選型更是要充分保證設(shè)備對(duì)工程項(xiàng)目的適應(yīng)性，只有滿足了不同項(xiàng)目對(duì)泥水分離設(shè)備的性能要求，才能做出最適合項(xiàng)目的正確選擇。

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