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盾构泥浆环流系统研究

发表时间：2020/12/24 来源：《基层建设》2020年第24期作者：史杨鹏

[导读] 摘要：泥浆环流系统是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工所必需的泥浆，用以稳定开挖面，同时把切削下来的土砂等输送至地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用的装置。

        中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司江苏省无锡市 214000
        摘要：泥浆环流系统是及时向开挖面的泥水仓提供掘进施工所必需的泥浆，用以稳定开挖面，同时把切削下来的土砂等输送至地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用的装置。因此泥浆环流系统的正常运转是泥水盾构掘进施工的保障。
        关键词：泥水盾构；泥浆环流系统
        引言
        泥水平衡盾构法施工需要采用性能优良的膨润土泥浆来保持开挖面的稳定和循环运送渣土，泥浆的质量由盾构配套的泥水处理系统保证。另外，由于绿色施工的要求，盾构施工不能产生对环境造成污染的废弃泥浆。因此，泥水处理系统的性能将直接影响盾构施工的效率。根据工程项目的环境条件和盾构设备性能合理选型和配置泥水处理系统，是泥水平衡盾构法施工的关键之一。
        1泥浆环流系统组成
        泥浆环流系统主要由泥浆输送动力设备、泥浆输送管路、泥浆输送控制设备、管路延伸装置及泥水处理站等构成，其中渣浆泵、泥浆球阀是组成整个系统的基础，而泥水处理站在渣土处理、浆液调制方面有着非常重要的作用。
        1.1渣浆泵
        渣浆泵主要由联轴器、轴承箱、叶轮、泵壳等组成，其工作原理为：叶轮通过电机的带动高速旋转，产生较大的离心力，在离心力的作用下液体被抛入泵壳内，使液体获得动能。由于叶轮外围的泵壳容积不断加大，一部分动能转变为静压能，从而将液体排出。当液体在离心力的作用下向四周甩出时，叶轮的进口处形成低压带，外部的液体在大气压力的作用下，通过进口管进入泵内，叶轮不停地旋转，流体也就连续的排出、吸入，形成连续的工作。
        1.2泥浆球阀
        泥浆球阀主要由阀体、固定球、密封圈、启闭构件等组成，具有驱动扭矩小、阀腔内泥浆不易凝固、阀腔内沉积物易清洗等优点。
        1.3泥水处理站
        泥水处理站由泥水处理系统、制调浆系统、弃浆压滤系统组成。泥水分离系统是将盾构排出的污浆经过多次筛选处理，将污浆中不符合标准的颗粒筛选出来形成弃浆，合格浆液输送至制调浆系统进行处理；弃浆压滤系统是将泥水分离系统筛选出的弃浆处理后形成泥饼存放，待运渣车运至渣土存放场；制调浆系统是将每次筛选合格的浆液，加入膨润土、缩甲基淀粉、纯碱等，经过一系列处理后，形成一定比重及粘度的浆液，输送至盾构用于正常施工。
        2泥水处理系统选型研究
        泥水盾构刀盘后面有一个密封舱，盾构掘进时，向刀盘后的密封舱中注入泥浆，保持密封舱内泥水压力以抵抗开挖面水土压力。泥浆在前面开挖面表面形成泥膜，盾构刀盘刀具切削开挖面的泥膜，切削的渣土由刀盘开口进入密封舱与泥浆混合后由排浆泵输送至地面的泥水处理系统，经泥水处理系统处理后的泥浆由送浆泵送回密封舱重复使用。开挖面表面的泥膜在盾构掘进中处于不断形成又不断被切削的循环过程。
        泥水处理系统是泥水平衡盾构必不可少的配套系统，它的主要作用如下：（1）针对各种地层盾构掘进及时向开挖面密封舱提供性能优良的泥浆，在开挖面形成一层薄而坚韧的泥膜，保证开挖面稳定；（2）及时将掘进切削的渣土形成的混合泥浆输送至地面泥水处理设备，泥水处理设备将回收的泥浆进行调整，调整好输送至开挖面密封舱继续循环利用；（3）有效减少盾构刀盘转动时与土体产生的摩擦，冷却刀具。因此，泥水处理系统的配置和选型直接决定了泥水盾构的施工效率。
        2.1压滤系统
        压滤系统是针对盾构废弃泥浆处理的设备，将盾构废浆集中处理为可堆积的渣土与滤液。为达到零排放要求，需要用压滤系统对无法达标或多余的泥浆进行三级处理。从二级处理后的泥浆中取出一定比例的泥浆泵送到待压滤泥浆罐，根据其性状判断是否需要进一步絮凝或加入助滤剂。经改良后的浆液进入压滤机压滤，形成的泥饼可直接被运走，压滤出的清水可直接进入清水池或调浆池重新利用。压滤系统的能力需和盾构掘进速度和泥浆分离能力相匹配。
        压滤系统选型主要基于每小时的最大干渣出渣量考虑。压滤机干渣处理量Q的选择范围为0.3Q2max＜Q＜0.5Q2max，Q2max为最大掘进速度时的排浆量。为保证盾构施工的“零排放”，经过压滤系统处理后的泥浆其泥饼含水率通常低于30%。

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        2.2制、调浆系统
        制浆系统是进行膨润土泥浆配制的设备，其物料配制、制浆、输浆均采用自动控制。调浆系统根据盾构掘进机的要求，通过系统中泵、阀的配合切换对泥浆的各项指标进行调整，同时也可根据实际掘进需要实现其他各项辅助功能。
        盾构制、调浆系统能力需根据盾构掘进参数进行合理选型，其中调浆能力还需匹配泥浆分离系统的能力。
        2.3分离系统
        分离设备的选型关键是泥浆处理量、旋流器直径及组数、浆液输送泵的选择。其中泥浆处理量、旋流器的组数、浆液输送泵的选择由盾构直径和最大掘进速度决定，而旋流器直径由地层中主要颗粒含量决定。
        3选型设计注意事项
        3.1防止气蚀设计
        大量施工经验和分析表明泥浆泵过流部件损坏绝大部分是气蚀造成的，而泥水平衡盾构的进、排浆泵一般采用浆液倒灌或压力吸入方式，真空气蚀现象较少，气蚀产生原因是由于浆液中混入了气泡，故防止和减少气泡混入浆液可以有效的减少泥浆泵气蚀现象，其设计原则如下：
        （1）泥浆泵进口应设法增加管径，尽量减小吸入管路长度、弯头和附件的数量，且泵进口直线段长度不得小于管路直径的2～3倍，减少弯头在水平方向转弯，以免在弯头处聚集空气。
        （2）泵进浆管的进浆口入水深度不得小于0.6～1m，否则会引起进浆管周围水面产生漩涡并带进气体，且影响进浆量。
        （3）保证泵的轴封填料密封严实，防止空气进入，且轴封密封水压、水量足够。
        3.2泵的扬程选择
        一般情况下单台进浆泵和单台排浆泵都不能满足泥水平衡盾构的施工要求，需要多台泵接力使用，根据经验得出这种接力泥浆泵单台扬程在选用时不得超过其最高扬程的75%（根据该扬程确定接力泵的数量），此系数下泵的泥浆效率高且浆体对泵过流部件磨蚀损耗小，将减少维修成本和降低现场检修频繁等问题。
        3.3防止泵选的偏小
        （1）泵长期在大流量下运行，必需气蚀汽蚀余量（NPSHr）较大，更容易出现真空气蚀，加剧泥浆泵过流部件在气蚀作用下损坏。
        （2）泵长期在满负荷下运行，容易导致断轴等结构部件的疲劳性损坏问题。
        结语
        随着盾构的应用越来越广泛，泥水盾构在其中所占的比重也越来越大，而泥浆环流系统正常高效地运转是盾构正常施工的必要条件之一。在施工过程中，应密切关注气垫仓的液位及压力，及时调整出浆量，保证盾构的正常工作。本文通过对泥浆环流系统的研究，可为泥水盾构的施工、设计及部件选型等方面提供支持。
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