環(huán)流系統(tǒng)的分選機對泥漿性質(zhì)的影響

環(huán)流系統(tǒng)的分選機對泥漿性質(zhì)的影響

0泥水循環(huán)系統(tǒng)隨著中國大量跨江隧道的建設，混凝土壓力結(jié)構(gòu)得到了廣泛應用。泥水盾構(gòu)是通過輸入泥漿將掘削下來的渣土攜帶到地面泥漿分離系統(tǒng),組成了一整套的環(huán)流系統(tǒng)。泥漿環(huán)流系統(tǒng)由進漿泵、排漿泵、流量計、控制閘閥、進排漿管線和地面泥漿分離系統(tǒng)等組成。盾構(gòu)機開挖下來的土砂進入泥水艙,跟泥漿混合經(jīng)攪拌后形成高密度泥水,由泥水泵(排漿泵)泵送至泥漿分離系統(tǒng)進行處理。分離出的泥運至棄渣場,分離后的泥漿在沉淀池、調(diào)漿池中進行密度、黏度等指標調(diào)整后再由進漿泵泵回開挖面,如此實現(xiàn)泥水的循環(huán)。目前有關(guān)泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)的分析研究比較少,王小軍等根據(jù)廣州地鐵三號線瀝—大區(qū)間工況,提出實際工程中應該根據(jù)不同的地層選擇不同性質(zhì)的泥漿來維持開挖面的穩(wěn)定;李鳳遠等認為環(huán)流系統(tǒng)的管理是通過開挖面水壓、干砂量來判斷開挖面的穩(wěn)定統(tǒng)一;曹征科針對現(xiàn)有控制系統(tǒng)的不足,以武漢長江隧道工程為例,設計了以國電智深EDPF-BA為主控核心的控制系統(tǒng)來提高環(huán)流系統(tǒng)的效率;李飛從機械方面分析了盾構(gòu)機的循環(huán)系統(tǒng),比較了海瑞克和三菱泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)。從目前有關(guān)研究來看,針對地面泥漿分離系統(tǒng)的好壞對環(huán)流系統(tǒng)的影響的研究較少。南京緯三路過江通道工程在粉細砂地層中每掘進一環(huán)泥漿密度降低很快,需要添加大量的膨潤土來提高泥漿的密度和黏度等指標,施工材料成本大幅提高。本文通過對環(huán)流系統(tǒng)中土顆粒的物質(zhì)平衡計算和現(xiàn)場泥漿分離系統(tǒng)一級、二級篩分后泥漿中顆粒激光顆分曲線進行分析,并與地層顆粒顆分曲線進行對比,找出了存在的主要問題,并提出了相應的解決辦法。1隧道地質(zhì)概況南京市緯三路過江通道位于南京長江大橋上游4.5km處,連接南京主城區(qū)與浦口規(guī)劃新市區(qū)中心。通道采用8車道“X”型隧道方案,從浦口到定淮門將有2條隧道“X”型交叉過江,隧道設計為雙層雙向8車道。隧道在江中段采用雙層盾構(gòu),盾構(gòu)機直徑為14.96m。隧道北線經(jīng)潛洲北部過江與主城的揚子江大道相接,長4930m,其中盾構(gòu)段長3537.8m,主要承擔揚子江大道與浦口間的交通聯(lián)系;隧道南線經(jīng)潛洲中部、江心洲尾部過江,與主城的定淮門大街、新模范馬路、玄武湖隧道相連,長5530m,其中盾構(gòu)段長4134.8m。隧道全線粉細砂地層分布廣泛,北線粉細砂地層長1587m,南線長約2862m。其主要特性為灰色,飽和,顆粒級配差,主要礦物成分為石英、長石等,含貝殼碎片及腐植質(zhì),局部夾粉質(zhì)黏土薄層,單層厚1~30mm,層頂埋深0.00~40.90m,層頂標高-35.76~-2.89m,層厚1.10~37.70m,地層具中偏低壓縮性,力學性質(zhì)較差。地層中粒徑小于75μm的顆粒含量不到30%,可以合理利用這些細顆粒為造漿服務。2泥水分離系統(tǒng)環(huán)流系統(tǒng)的基本原理:用壓力泥漿穩(wěn)定開挖面,同時依靠密封隔板上的切口水壓檢測器進行壓力管理;用管路輸送泥漿和渣土,同時依靠送排泥管路上設置的密度計、流量計和壓力表進行泥漿及渣土輸送管理(如圖1所示)。環(huán)流系統(tǒng)包括以下幾個部分:1)送泥系統(tǒng)。通過P1泵和送泥管調(diào)整好泥漿物性及壓力流量,將其送至開挖面,保持開挖面的穩(wěn)定,并提供滿足攜帶渣土要求的泥漿。2)排泥系統(tǒng)。通過P2~P5泵和排泥管道,利用循環(huán)泥漿將渣土輸送至地面。3)輔助系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括P0循環(huán)系統(tǒng)和Cv1(開挖面水壓調(diào)節(jié)閥)自動保壓系統(tǒng)。泥水分離處理系統(tǒng)將切削下來的土砂與泥漿混合形成泥水,流體進行輸送。盾構(gòu)機掘進過程中排出的泥水泵送至篩分機,經(jīng)過篩分機的預篩和一級旋流篩分系統(tǒng)后,篩除大部分粒徑大于75μm的顆粒;再經(jīng)過二級旋流篩分系統(tǒng),篩除大部分粒徑大于50μm的顆粒。將剩余的泥漿送至調(diào)漿池,添加膨潤土等添加劑,調(diào)配泥漿到適合掘進的指標,泵送至盾構(gòu)機的開挖面上。南京緯三路過江通道采用黑旋風篩分系統(tǒng)(如圖2所示),篩分機主要通過旋流器來分離泥漿中的粗細顆粒。旋流器是一種利用流體壓力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動的裝置。泥水以一定的速度進入旋流器,遇到旋流器器壁后被迫做回轉(zhuǎn)運動。由于所受的離心力不同,料漿中的固體粗顆粒所受的離心力大,沿器壁螺旋向下運動;細而小的顆粒及大部分水則因所受的離心力小,未及靠近器壁即隨料漿做回轉(zhuǎn)運動。在后續(xù)給料的推動下,粗顆粒繼續(xù)向周邊聚集,而細小顆粒則停留在中心區(qū)域。隨著泥漿從旋流器的柱體部分流向錐體部分,流動斷面越來越小,在外層料漿收縮壓迫之下,含有大量細小顆粒的內(nèi)層料漿不得不改變方向,轉(zhuǎn)而向上運動,形成內(nèi)旋流,成為溢流;而粗大顆粒則繼續(xù)沿器壁螺旋向下運動,最終由底流口排出,成為沉砂。一級旋流、二級旋流篩分系統(tǒng)的設置參數(shù)為D50。即一級旋流可以保證篩分出去的粒徑大于75μm以上的顆粒超過50%,二級旋流可以保證篩分出去的粒徑大于50μm以上的顆粒超過50%。泥水處理過程中,將泥水先經(jīng)過預篩,在預篩階段將泥水中大于2mm以上的砂礫篩除;然后輸送至一級旋流除渣系統(tǒng),經(jīng)旋流分離及脫水后清除大部分75μm以上的顆粒;再將泥漿泵送至二級旋流除渣系統(tǒng),可將剩余的75μm以上的顆粒清除,并同時清除大部分50μm以上的顆粒。3通過分析混合層中粘土結(jié)構(gòu)對污泥性質(zhì)的影響3.1膨潤土調(diào)漿系統(tǒng)掘進初期盾構(gòu)機處于粉細砂地層,泥漿的密度指標一直較低,在1.06g/cm3左右,不能滿足正常掘進的指標?，F(xiàn)場每天只能在調(diào)漿池里加入大量膨潤土來提高泥漿的密度,調(diào)整后泥漿密度可以短暫上升到1.12g/cm3左右;但泥漿密度下降較快,掘進1~2環(huán),至多4~5環(huán)后,泥漿的密度又會降到1.06g/cm3,需要繼續(xù)添加大量膨潤土來維持泥漿性能,導致每天需要添加的膨潤土量很大。根據(jù)以往類似地層的掘進經(jīng)驗,該粉細砂地層往往具備一定的自造漿能力,下面分析泥漿性能快速劣化的原因。3.2污泥性能惡化的原因分析3.2.1旋流系統(tǒng)操作系統(tǒng)參數(shù)分析對粉細砂地層取樣分析(粉細砂地層的粒徑顆分見表1),得出粉細砂地層的顆分曲線(見圖3)。由圖3可以看出,該粉細砂地層中小于50μm的顆粒含量為12.7%,小于75μm的顆粒含量為26%。這些細顆粒具有自造漿的能力,如果系統(tǒng)能夠保留該細顆粒,環(huán)流后的漿液密度不至于降低太多,對泥漿密度的控制較好。循環(huán)過后可以減少膨潤土的添加量,提高經(jīng)濟效益。經(jīng)過對環(huán)流系統(tǒng)取樣試驗分析,出漿管中未經(jīng)旋流系統(tǒng)時泥漿的密度為1.25g/cm3,通過旋流系統(tǒng)循環(huán)后的泥漿密度為1.08g/cm3,泥漿密度降低較多。對旋流前、一級旋流后和二級旋流后的泥漿進行顆分分析,如圖4所示。地層中實際含有小于75μm的顆粒含量為26%,而經(jīng)過篩分后理論上篩除的全是粗顆粒,過篩后泥漿中小于75μm的顆粒含量所占比例理應接近100%。圖4為盾構(gòu)機掘進到400環(huán)和450環(huán)時的現(xiàn)場取樣,可以看出2次二級旋流取樣出來的渣土粒徑小于75μm的顆粒分別占85%和80%,比理論值小。因此,可知泥水分離系統(tǒng)篩除了太多的粒徑小于75μm的細顆粒,從而導致泥漿的密度較低。3.2.2掘進1環(huán)后的灌漿密度計算盾構(gòu)機正常掘進施工的參數(shù)如表2所示,泥漿環(huán)流系統(tǒng)各觀測點的泥漿密度指標如表3所示。根據(jù)掘進1環(huán)出來的渣土質(zhì)量守恒,計算出掘進1環(huán)后泥漿密度的變化?；貪{池中泥漿的初始狀態(tài)式中:T為回漿池的泥漿量;ρ1為回漿池初始密度;M土水1為泥漿池中泥水質(zhì)量;M土1為回漿池泥漿中土顆粒的質(zhì)量;M水1為回漿池泥漿中水的質(zhì)量。掘進1環(huán)出來的土顆粒質(zhì)量、水質(zhì)量分別為式中:V1為掘進1環(huán)的土水體積;L為1環(huán)管片的寬度;D為盾構(gòu)機的直徑;M土水2為掘進1環(huán)出來的土水質(zhì)量;M土2為掘進1環(huán)出來的土顆粒質(zhì)量;M水2為掘進1環(huán)出來的水質(zhì)量。經(jīng)過篩分系統(tǒng)分離出土顆粒的質(zhì)量可以根據(jù)地層的顆分曲線求得M3。回漿池終了狀態(tài)泥漿土顆粒質(zhì)量、水質(zhì)量分別為則回漿池終了狀態(tài)的泥漿密度為回漿池泥漿量為1200m3,粉細砂地層的飽和密度為1.93g/cm3,掘進1環(huán)的土水質(zhì)量為685t,未經(jīng)篩分系統(tǒng)的密度為1.25g/cm3。假設泥漿的進漿密度為1.06g/cm3,過一級篩后,去除粒徑大于75μm的土顆粒,泥漿密度降為1.10g/cm3;過二級篩后,去除粒徑為50~75μm的渣土,泥漿密度降為1.08g/cm3,與進漿密度相比有所提升,如此經(jīng)過掘進2環(huán)后,泥漿密度會提升至1.10g/cm3。由此可以看出,地層中粒徑小于75μm的土顆粒對提高泥漿密度有利。對環(huán)流系統(tǒng)進行優(yōu)化,關(guān)閉二級旋流系統(tǒng)后再次進行計算分析。進漿密度假設為1.06g/cm3,經(jīng)過旋流系統(tǒng)篩分后,去除大部分75μm以上的顆粒,75μm以下的顆粒保留下來。經(jīng)計算,流入調(diào)漿池的泥漿密度會有所提升,經(jīng)過掘進2環(huán)后,泥漿密度通過計算將提高到1.12g/cm3。通過對環(huán)流系統(tǒng)優(yōu)化前后的計算對比分析可以看出,保留75μm以下的細顆粒,掘進1環(huán)后泥漿密度會從1.08g/cm3提升到1.10g/cm3,滿足正常掘進時的泥漿指標。現(xiàn)場應該針對如何保留75μm以下的細顆粒(特別是50μm以下的顆粒)進行研究,以此減少膨潤土的添加量,提高經(jīng)濟效益。3.3苗木密度根據(jù)現(xiàn)場情況顯示,由于泥漿分離系統(tǒng)去除細顆粒的能力太強,將較多的細顆粒篩除掉,導致泥漿的密度指標一直較低,在1.06g/cm3左右,掘進1環(huán)下來需要添加的膨潤土添加劑的量比較大。現(xiàn)場將部分二級旋流的篩分關(guān)掉后,使泥漿過完篩后能保留一些具有制漿能力的細顆粒;而未篩分出來的大于75μm的粗顆?？梢越?jīng)過沉淀池沉淀下來。通過采取以上措施,盾構(gòu)機掘進1環(huán)后,泥漿的密度上升為1.09g/cm3,與計算所得的泥漿密度相近;掘進2環(huán)后,泥漿的密度提高至1.12g/cm3,泥漿密度達到正常掘進的要求,只需要添加相對少量的膨潤土來提高泥漿的黏度。3.4膨潤土/粉細砂地層利用整個工程南北線穿越粉細砂地層長度為4450m,1環(huán)管片的寬度為2m,盾構(gòu)機穿越粉細砂地層約2225環(huán)。膨潤土的價格為600元/t。環(huán)流系統(tǒng)調(diào)整前平均每環(huán)添加3t膨潤土,環(huán)流系統(tǒng)調(diào)整后平均每環(huán)添加1.5t膨潤土。如果將此方案應用到整個粉細砂地層中,將會節(jié)約3337.5t膨潤土,給工程帶來約200萬元的效益。4除渣效果的控制1)泥漿環(huán)流系統(tǒng)的篩分效率是泥漿環(huán)流系統(tǒng)非常關(guān)鍵的影響因素,影響著泥漿的密度指標,對泥漿成膜和開挖面