一、前言

20世紀(jì)60年代英國、日本、德國先后研究開發(fā)了泥水加壓盾構(gòu)，該工法在盾構(gòu)開挖面的密封隔艙內(nèi)注入泥水，通過泥水加壓使內(nèi)外壓力平衡，以保證開挖面土體的穩(wěn)定。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)開挖下來的土渣進(jìn)入盾構(gòu)前部的泥水室，攜帶刀盤切削下的泥土的高濃度泥水被泵送到地面，泥水在地面經(jīng)過分離后進(jìn)入盾構(gòu)的泥水室，不斷地排渣凈化使用。泥漿的合理處理是泥水平衡盾構(gòu)施工中的重要環(huán)節(jié)，由于泥漿中存在大量的固體污染物，如果處理不當(dāng)將對周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響，對泥漿進(jìn)行高效環(huán)保處理有利于節(jié)約施工成本，減少環(huán)境危害。

在國外，隨著環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)與立法要求的提高，以無公害處理為目標(biāo)的技術(shù)使得泥水處理費(fèi)用居高不下，從早期的二次環(huán)境污染或污染轉(zhuǎn)移發(fā)展到現(xiàn)在的處理工廠化回收再利用，在日本、德國等國已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。日本“奧村”、德國“莎堡”和法國“MS”公司研制的泥水處理設(shè)備集成化模塊，幾乎壟斷了國際泥水處理工程市場。國內(nèi)的劉敏林等人參考國外施工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了泥水分離系統(tǒng)，泥漿處理系統(tǒng)由一級除砂凈化系統(tǒng)、二級除砂凈化系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、回收泥漿槽和調(diào)配泥漿槽組成；劉豫東等人設(shè)計(jì)了以水力旋流器為主要分離設(shè)備的泥水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由泥水輸送分系統(tǒng)、泥漿分離和處理分系統(tǒng)、泥漿拌制和漿液調(diào)整分系統(tǒng)及泥水監(jiān)控分系統(tǒng)四大部分組成；孫步功對碟式離心機(jī)應(yīng)用于黃河的泥砂分離進(jìn)行了研究，并取得良好的分離效果。在盾構(gòu)施工過程中，由于泥漿的反復(fù)循環(huán)使用，使得泥漿中累積大量小粒徑的微粒子，這些顆粒的大量存在使得泥漿質(zhì)量劣化，施工效果難以保障，目前多應(yīng)用水力旋流器對盾構(gòu)泥漿中的固體顆粒的粒徑進(jìn)行控制。碟式離心機(jī)與水力旋流器都是通過離心作用將密度不同的兩種介質(zhì)分離開，碟式離心機(jī)更易于控制，分離效率高，可同時(shí)分離出兩種輕產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，對周圍環(huán)境影響小。國外Veselin Batalovic將改進(jìn)型的碟式離心機(jī)應(yīng)用于礦物加工時(shí)尾礦浮選過程中廢水的處理，用于去除廢水中小于50μm的固體顆粒，取得了良好的效果。

課題試驗(yàn)中首先對清水和粘土、細(xì)砂的混合液進(jìn)行分離試驗(yàn)以驗(yàn)證離心機(jī)的分離性能，然后通過配置盾構(gòu)用泥漿再與粘土、細(xì)砂混合后進(jìn)行分離，分析分離前后混合液中固體顆粒物的粒徑變化和盾構(gòu)泥漿對于混合液穩(wěn)定性的影響，以驗(yàn)證碟式離心機(jī)應(yīng)用于盾構(gòu)施工中泥漿處理的可行性。

二、試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中配置泥漿所用材料為：河北中石恒達(dá)生產(chǎn)的鈉基膨潤土、德州佳信德纖維素有限公司生產(chǎn)的CMC（羧甲基纖維素鈉）、食用純堿。

查閱資料后根據(jù)比例換算得出泥漿中各組分的質(zhì)量，在添加14.4L水的情況下，需要添加膨潤土124g，CMC3.1g，純堿0.93g。

2.2 分析儀器

本試驗(yàn)使用的分析儀器為2100AN臺(tái)式濁度儀，量程范圍：濁度為0～10000NTU，色度為0～500CU，分辨率：濁度為0.001NTU，色度為1CU。混合液穩(wěn)定性分析儀是由北京朗迪森科技有限公司生產(chǎn)的Turbiscan Lab型分散穩(wěn)定性分析儀，粒子尺寸的測量范圍：0.05～1000μm，粒子濃度：百分比濃度可達(dá)95%。粒度分析儀為貝克曼庫爾特Multisizer3顆粒計(jì)數(shù)及粒度分析儀，其分析范圍為：0.4μm～1200μm，分辨率為：0.001μm。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

2.3.1 原理

試驗(yàn)所用碟式離心機(jī)機(jī)型為SE 03.0V-S1碟式離心機(jī)。

其工作原理：進(jìn)料懸浮液由轉(zhuǎn)鼓中心引入，向下通過碟片進(jìn)入碟片和轉(zhuǎn)鼓壁之間的空間。然后液體以薄層形式再由碟片間沿徑向向內(nèi)流動(dòng)，并流向位于轉(zhuǎn)鼓頂部的出口。沉渣沉積在碟片的下表面上，隨后顆粒在下表面向離心方向滑動(dòng)，沉降到轉(zhuǎn)鼓壁上。在該離心機(jī)內(nèi)用碟片降低沉降高度，增加沉降面積，碟片以一定的速度旋轉(zhuǎn)，固體顆粒在分離力作用下大大提高了沉降速度，很快地從液相中分離出來。

2.3.2 設(shè)備組成

試驗(yàn)所用分離系統(tǒng)由進(jìn)料水箱、控制柜、物料泵、碟式離心機(jī)、閥門、壓力表、輕物料閥門、重物料閥門、水桶九部分組成。進(jìn)料水箱中的物料通過物料泵泵入碟式離心機(jī)中，通過調(diào)節(jié)安裝在進(jìn)料管道上的流量閥門控制進(jìn)料的速度，分離后的物料通過出料口流入水桶中。

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中使用的粘土和細(xì)砂均通過40目篩網(wǎng)進(jìn)行篩取，粒徑控制在630μm以下。分離過程中碟式離心機(jī)的轉(zhuǎn)速保持在5000r/min，通過調(diào)節(jié)流量閥控制進(jìn)料流速。試驗(yàn)方法如下：

①將50g和100g的粘土、細(xì)砂與14.4L清水混合配制成四種混合液。混合液通過水泵從進(jìn)料水箱泵送至碟式離心機(jī)中，每種混合液進(jìn)行四次不同流速下的分離試驗(yàn)。

②按照124g膨潤土、3.1gCMC、0.93g純堿、14.4L清水的比例配置模擬泥漿。將50g和100g的粘土、細(xì)砂分別與泥漿混合配置成四種混合液，每種混合液進(jìn)行四次不同流速下的分離試驗(yàn)。每次試驗(yàn)均適用濁度儀對試驗(yàn)前后的混合液濁度進(jìn)行測量，試驗(yàn)結(jié)束后對混合液的固體顆粒物去除率進(jìn)行計(jì)算。在模擬泥漿分離試驗(yàn)中對進(jìn)料和出料的混合液進(jìn)行取樣，使用庫爾特粒度儀分析分離前后混合液粒徑分布，使用Turbiscan測量100g細(xì)砂與清水混合液以及100g細(xì)砂與泥漿混合液的穩(wěn)定性指標(biāo)，驗(yàn)證泥漿的加入對混合液穩(wěn)定性的影響。

每組分離試驗(yàn)的分離時(shí)間在30min左右，由于試驗(yàn)使用的碟式離心機(jī)無自動(dòng)卸料出口，每次試驗(yàn)結(jié)束后需對碟式離心機(jī)的腔體和65個(gè)碟片逐個(gè)徹底清洗以消除上次試驗(yàn)過程中沉積的物料對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

三、試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 清水與粘土、細(xì)砂配置的混合液分離試驗(yàn)

分別使用50g和100g的粘土、細(xì)砂與14.4L的清水配置混合液并進(jìn)行分離試驗(yàn)。改變泥漿的流速對比不同流速下的分離效果，根據(jù)分離前后混合液的質(zhì)量變化計(jì)算出混合液中固體顆粒物的去除率，對比添加不同質(zhì)量的粘土所配置的混合液在分離前后的濁度變化。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，分離前添加不同質(zhì)量粘土的混合液濁度明顯不同，分離后兩種混合液的濁度趨于接近，混合液中固體顆粒物均得到較好的去除。在不同的流速和固體顆粒含量情況下，碟式離心機(jī)對于混合液的渣料去除率均在90%以上，出口物料濁度明顯降低，溶液中固體顆粒物明顯減少。其中在100g粘土與清水的混合液中，濁度下降明顯，懸浮液中的顆粒物得到有效分離。在改變流速的情況下，隨著流速的減慢，去除率不斷增加，碟式離心機(jī)的分離作用更加明顯，但是隨著進(jìn)料速度減慢到一定值時(shí)，對分離出的臨界粒徑的影響不再明顯，已經(jīng)接近離心機(jī)對于此類混合液的分離極限。

3.2 盾構(gòu)泥漿與粘土、細(xì)砂混合后分離試驗(yàn)

在實(shí)際的盾構(gòu)施工中為了提高渣土的輸送効率，需要配置膨潤土泥漿對物料進(jìn)行運(yùn)輸，在試驗(yàn)中添加不同質(zhì)量的粘土和細(xì)砂，通過改變進(jìn)料的速度，模擬在不同工況下碟式離心機(jī)的分離效果，并對分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

3.2.1 泥漿的穩(wěn)定性分析

使用Trubiscan對100g細(xì)砂加入清水中以及100g細(xì)砂加入漿液中進(jìn)行穩(wěn)定性比較，通過多次測量得到兩種TSI（分散穩(wěn)定性指標(biāo)）平均值分別為18.93和2.70。對比可知，后者的TSI值明顯變小，說明混合液的穩(wěn)定性明顯提升，同時(shí)配置的盾構(gòu)泥漿的加入也大大增強(qiáng)了物料的附著效果，減緩了物料在輸送過程中的自然沉降作用，增加了物料的粘度，提高了物料的流動(dòng)性，便于物料的輸送。

3.2.2 泥漿的分離試驗(yàn)

將50g、100g的粘土和50g、100g的細(xì)砂分別加入到由124g膨潤土、3.1gCMC、0.93g純堿、14.4L清水配置的漿液中，使用碟式離心機(jī)分別對其進(jìn)行分離試驗(yàn)，在保持恒定轉(zhuǎn)速為5000r/min的情況下通過調(diào)節(jié)流量閥分別對其在4種不同的進(jìn)料速度下進(jìn)行分離試驗(yàn)并且測量分離前后的混合液濁度、混合液中固體顆粒的去除率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同流速下，碟式離心機(jī)對于物料的去除率均在97%左右，分離后的混合液濁度約為分立前的1%～5%，混合液中絕大部分固體顆粒成分得到了有效去除。隨著流速的減小出料濁度明顯變小，但繼續(xù)減小流速對去除率的影響效果逐漸減弱，接近碟式離心機(jī)的分離極限。對比不同質(zhì)量的粘土和細(xì)砂配置的混合液在碟式離心機(jī)中分離后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分離效果并沒有因?yàn)槟酀{中的固體顆粒物的不同而有明顯的變化，說明泥漿中的固體顆粒物在分離過程中沒有發(fā)生明顯的重力沉降，配置的泥漿對固體顆粒物的攜帶作用良好。

3.2.3 粒度分析

應(yīng)用庫爾特粒度儀對含有100g粘土的泥漿混合液的進(jìn)料和分離后的出料進(jìn)行粒徑分析。進(jìn)料口的混合液粒徑大多集中在20～60μm范圍內(nèi)。進(jìn)料泥漿的粒徑分布并無明顯規(guī)律，但是出料的泥漿粒徑分布大體呈正態(tài)分布，進(jìn)料中含有大量的粒徑在50μm左右的固體顆粒，出料粒徑大部分集中在5～8μm。可見，粒徑50μm的顆粒得到了有效去除，物料經(jīng)碟式離心機(jī)分離后物料中的顆粒明顯變小，物料顆粒組分中的粒徑分布集中在8μm以下，經(jīng)碟式離心機(jī)處理后的泥漿完全可以滿足盾構(gòu)施工的要求。

四、總結(jié)

泥水加壓盾構(gòu)施工中對粒徑的控制嚴(yán)格，常規(guī)的分離方式難以滿足連續(xù)施工的要求，本文使用碟式離心機(jī)在對不同物料采用不同的分離時(shí)間、不同的配比量處理?xiàng)l件下，對物料分離前后的濁度、穩(wěn)定度、粒度的變化情況進(jìn)行了研究分析對比，得出以下結(jié)論：

①碟式離心機(jī)對固液分離的效果極好，分離效率可以達(dá)到90%以上。

②碟式離心機(jī)的分離效果與物料的流速成反比，與分離時(shí)間成正比，當(dāng)流速減慢到極限值時(shí)，分離效果不再有明顯增加。

③按照一定比例配置的盾構(gòu)泥漿與水相比，提高了物料的穩(wěn)定性，對于相同物料的運(yùn)輸能力明顯提高。

④碟式離心機(jī)分離后，粒徑在50μm左右的固體顆粒得到了有效的去除，碟式離心機(jī)對于泥漿中微細(xì)顆粒的去除能力可以滿足盾構(gòu)施工中回收用水的要求，可避免直接排放造成的環(huán)境破壞。