Plate and frame chamber diaphragm filter presses
introductory
大直徑盾構(gòu)開(kāi)挖面直徑大、進(jìn)排漿量大,盾構(gòu)施工穿越土層及砂層時(shí),地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜。為了確保盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定、沿線(xiàn)環(huán)境的安全以及盾構(gòu)順利掘進(jìn),需要對(duì)泥水進(jìn)行分離處理,控制泥漿指標(biāo)。泥水盾構(gòu)在細(xì)顆粒地層掘進(jìn)時(shí),放棄直排、沉淀固化,通過(guò)離心或壓濾等固控設(shè)備處理廢棄漿液,是目前大直徑泥水盾構(gòu)施工中常見(jiàn)可行的一種方式。對(duì)泥水盾構(gòu)泥漿配制進(jìn)行了調(diào)研,提出將黏粒含量作為泥水盾構(gòu)在砂層中施工時(shí)泥漿調(diào)整的一個(gè)重要指標(biāo);通過(guò)“分篩+泥水分離”組合工藝對(duì)盾構(gòu)施工中產(chǎn)生的盾構(gòu)渣土進(jìn)行減量化、資源化、無(wú)害化處理,減小了盾構(gòu)渣土的體積和含水率;以廣深港客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)泥水盾構(gòu)施工德國(guó)沙堡泥水分離設(shè)備為例,對(duì)泥水的分離處理進(jìn)行系統(tǒng)論述,介紹了泥水平衡盾構(gòu)施工中泥水分離設(shè)備在復(fù)雜地層中的常見(jiàn)問(wèn)題及處理方法;以新建京張高鐵清華園隧道為背景,采用泥漿環(huán)保綜合處理的方法,提出以泥水分離設(shè)備為核心,對(duì)泥漿進(jìn)行總體處理,合格的泥漿再利用,不合格的棄漿則通過(guò)分離設(shè)備和化學(xué)藥品進(jìn)行環(huán)保處理,降低盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境的影響;以福州地鐵2號(hào)線(xiàn)厚庭站—桔園洲站區(qū)間工程為例,通過(guò)對(duì)常規(guī)泥水處理系統(tǒng)及配套設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),從而改善泥漿處理系統(tǒng)及配套設(shè)施占地面積大、處理效率低、循環(huán)利用率低等問(wèn)題;介紹了泥水盾構(gòu)新舊泥漿交替補(bǔ)充,新漿的制備、舊漿的處理,通過(guò)泥水分離系統(tǒng)和制調(diào)漿系統(tǒng),滿(mǎn)足盾構(gòu)施工需求,節(jié)約資源、減少外排。分別介紹了泥水盾構(gòu)泥水循環(huán)模式、泥漿施工應(yīng)用、泥膜、廢棄泥漿運(yùn)輸、廢棄泥漿固化等盾構(gòu)施工狀況。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)大直徑盾構(gòu)泥水處理的研究,主要集中在通過(guò)分離設(shè)備如何減少?gòu)U漿排放上,但離心機(jī)或壓濾機(jī)產(chǎn)生的液相物料中,含有的化學(xué)藥品等固相物料,排放時(shí)還是會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的影響。關(guān)于如何將離心和壓濾處理2種方式有機(jī)結(jié)合起來(lái),來(lái)控制泥漿指標(biāo)(密度、黏度等),實(shí)現(xiàn)大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)泥水循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡(不排放廢漿和液相物料),目前研究較少。本文以京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)13標(biāo)望京隧道工程為研究背景,著重介紹離心機(jī)泥水處理技術(shù)和壓濾機(jī)泥水處理技術(shù),最后對(duì)2種處理技術(shù)進(jìn)行分析并總結(jié)其在工程中的應(yīng)用。
1 工程概況
北京至沈陽(yáng)鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn))北京段站前工程(不含動(dòng)車(chē)運(yùn)用所)13標(biāo) 位于北京市朝陽(yáng)區(qū)境內(nèi),線(xiàn)路起點(diǎn)位于崔各莊鄉(xiāng)草場(chǎng)地村,緊鄰京包鐵路(鐵路東側(cè)),線(xiàn)路呈南北走向,標(biāo)段重點(diǎn)工程望京隧道自草場(chǎng)地北側(cè)1號(hào)井始發(fā)進(jìn)入地下,下穿長(zhǎng)建駕校、南皋路、北小河、機(jī)場(chǎng)輔路、機(jī)場(chǎng)高速公路、機(jī)場(chǎng)快軌、京密路、來(lái)廣營(yíng)東路、從馬泉營(yíng)西路西側(cè)苗圃林地中2號(hào)井接收。望京隧道為雙洞單線(xiàn)隧道。盾構(gòu)隧道采用單層管片式襯砌結(jié)構(gòu),厚度為500mm,采用C50高性能混凝土,楔形量按曲線(xiàn)半徑2500m圓曲線(xiàn)計(jì)算,襯砌全環(huán)分為6+2+1模式,管片寬度為2000mm,隧道內(nèi)徑為9500mm。京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)13標(biāo)使用2臺(tái)泥水盾構(gòu),盾構(gòu)開(kāi)挖直徑為10.9m,從1號(hào)豎井始發(fā),2號(hào)豎井接收,盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)度為3740m。地勘資料顯示,盾構(gòu)區(qū)間里程段,穿越地層主要是粉質(zhì)黏土、黏土、粉土為主,砂含量較少,地層中含有大量細(xì)顆粒,直徑小于75μm的顆粒占到50%以上。
2 離心機(jī)泥水處理技術(shù)
2.1 離心方式泥水處理原理簡(jiǎn)介離心方式泥水處理主要通過(guò)離心機(jī)、外加劑及其配套設(shè)備完成。離心機(jī)的工作原理是將處理的懸浮液(泥漿)置于增加的“離心力”作用場(chǎng)下,增加懸浮液體中固相物料的沉降速度。轉(zhuǎn)鼓產(chǎn)生高離心力,將游離液體和較細(xì)固體流向離心機(jī)較大的一端,液相物料通過(guò)溢流堰排出;較大的固相物料沉降在轉(zhuǎn)鼓壁上,形成1層泥餅層,這些泥餅由螺旋推出。
2.2 離心機(jī)設(shè)備基本參數(shù)
2.3 使用過(guò)程中實(shí)測(cè)參數(shù)在砂層時(shí),離心機(jī)處理效果見(jiàn)表。
2.4 離心機(jī)處理能力與影響因素
1)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。提高轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速,分離因素上升,物料離心力增加,懸浮物分離得越徹底,分離效果越好,轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)一般根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。過(guò)高的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致分離排泥不暢,壓力過(guò)高報(bào)警,以及加大離心機(jī)的磨損。考慮盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)泥漿循環(huán)利用,設(shè)定理想的轉(zhuǎn)速要根據(jù)泥漿指標(biāo)而定(溫度、黏度、密度、粒度)。進(jìn)料量加大,離心機(jī)的振動(dòng)和噪音相對(duì)增加,設(shè)備的使用壽命也會(huì)降低。一般在滿(mǎn)足泥漿指標(biāo)控制目標(biāo)的情況下,選用最小,使清液懸浮物符合泥漿循環(huán)利用標(biāo)準(zhǔn)。
2)螺旋和轉(zhuǎn)鼓差速Δn。沉渣在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的軸向移動(dòng)依靠螺旋與轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng),即Δn實(shí)現(xiàn)。 Δn小,螺旋對(duì)流體擾動(dòng)小,分離效果好,固相沉渣在干燥區(qū)停留時(shí)間長(zhǎng),濾餅的含固率高,但離心機(jī)的排渣能力下降,不易排料;Δn大,螺旋對(duì)流體的擾動(dòng)大,分離效果差,固相沉渣在轉(zhuǎn)鼓的停留時(shí)間短,濾餅的含固率降低,但離心機(jī)排渣能力增加。螺旋和轉(zhuǎn)鼓差速Δn,一般根據(jù)所需物料的含固率的大小而定。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,盾構(gòu)在砂層掘進(jìn)時(shí),離心機(jī)的含固率要比在黏土層掘進(jìn)時(shí)大。為了便于分離的渣土外運(yùn),處理黏土層掘進(jìn)時(shí)的泥漿時(shí)需適當(dāng)減小Δn,相應(yīng)地泥水分離時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)(參見(jiàn)表2和表3“時(shí)間”)。螺旋推料器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是衡量沉渣在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的多少、密度及含固率。測(cè)定同一性質(zhì)的物料、同樣流量、設(shè)定不同的轉(zhuǎn)矩,所產(chǎn)生排出濾餅的含固率不一樣,轉(zhuǎn)矩越高濾餅的含固率就越高。轉(zhuǎn)矩與Δn是相輔相成的關(guān)系,實(shí)際轉(zhuǎn)矩超過(guò)設(shè)定的轉(zhuǎn)矩,Δn就會(huì)相應(yīng)增大,當(dāng)轉(zhuǎn)矩恒定至設(shè)定轉(zhuǎn)矩,Δn就會(huì)恢復(fù)到設(shè)定的最小差速,Δn是隨轉(zhuǎn)矩的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)的。
3)溢流板直徑D。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓大端溢流板直徑大小,可改變轉(zhuǎn)鼓沉降區(qū)和干燥區(qū)的有效長(zhǎng)度,D小,液池深,沉降區(qū)增大,干燥區(qū)小,清液懸浮物減小,但濾餅的含固率降低;D大,則液池淺,沉降區(qū)減小,干燥區(qū)增大,清液懸浮物增加,濾餅含固率提高。濾餅含固率的高低通常根據(jù)工藝控制目標(biāo)參數(shù)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓大端溢流板直徑的大小時(shí)必須停機(jī)。
4)進(jìn)料量。進(jìn)料除與離心機(jī)性能(即轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、差速、壓強(qiáng)、溢流板直徑和最大處理能力)有關(guān)外,還與控制目標(biāo)清液的懸浮物指標(biāo)、濾餅的含固率及物料性質(zhì)有關(guān)。試驗(yàn)過(guò)程中,在不改變離心機(jī)運(yùn)行參數(shù)的情況下,盾構(gòu)在砂層掘進(jìn)時(shí),離心機(jī)的進(jìn)料量要比在黏土層時(shí)要大(參見(jiàn)表2和表3“進(jìn)漿量”)。
5)泥餅含固率。根據(jù)加速度體積按比例增加的情況(脫水處理量與固料負(fù)載率的比例),如果增加固料負(fù)載(在進(jìn)料含固率保持不變的情況下,進(jìn)料流量增加),泥餅含固率將會(huì)降低。這樣,向離心機(jī)供入多余的處理量將獲得較差的泥餅含固率。離心機(jī)運(yùn)行較高的流量時(shí),將使泥餅含固率較低,如果要彌補(bǔ)含固率差異,就需要增加適量的絮凝劑劑量,增加離心力,或降低回收率。物料性質(zhì)不同,泥漿細(xì)顆粒成分不同,所需的絮凝劑劑量也不同。盾構(gòu)在黏土層掘進(jìn)時(shí),離心機(jī)絮凝劑劑量要比在砂層掘進(jìn)時(shí)大(參見(jiàn)表2和表3“進(jìn)藥量”)。
6)回收率。化學(xué)調(diào)理是回收率的一個(gè)首要因素。對(duì)于高含固率離心機(jī)來(lái)說(shuō),基本上沒(méi)有什么問(wèn)題,因?yàn)檩^低的流量已經(jīng)將含固率優(yōu)化在最高值范圍附近。要使離心機(jī)處理更多的物料,可能需要更換使用的絮凝劑類(lèi)型或者需要添加適量的絮凝劑。絮凝劑存在過(guò)量的情況,假如過(guò)量,不是降低含固率就是使結(jié)果更差,即泥餅含固率隨絮凝劑劑量變化而變化的平面圖曲線(xiàn)呈S形。在過(guò)量的情況下,增加絮凝劑或者沒(méi)有影響,或者情況更差。較小離心機(jī)處理較高處理量,成本曲線(xiàn)向過(guò)量條件偏移得更多。如果污泥含固率發(fā)生常規(guī)變化,在過(guò)量或不過(guò)量條件下波動(dòng),清液中的固料會(huì)更高,浪費(fèi)成本。泥水盾構(gòu)掘進(jìn)在黏土以及砂層中循環(huán)出的泥漿含量不一樣,經(jīng)過(guò)泥水分離設(shè)備篩分、旋流處理后,黏土層排出的泥漿密度比砂層中掘進(jìn)排出的泥漿會(huì)高很多,離心機(jī)在處理黏土層和砂層的泥漿時(shí)就產(chǎn)生了不同的效果。不管黏土層還是砂層,泵送到離心機(jī)的泥漿密度越高,在離心機(jī)工作時(shí)就需要加入更多劑量的絮凝劑;而且當(dāng)泥漿密度較高時(shí),離心機(jī)的處理能力也是有限度的,需要適當(dāng)?shù)亟档碗x心機(jī)的進(jìn)漿量來(lái)提高離心機(jī)的處理效果(降低渣土含水率),并且離心機(jī)泥水分離的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加。從表2和表3可以看出,離心機(jī)泥水分離能力隨著密度的升高而下降,藥劑消耗更大,循環(huán)時(shí)間更長(zhǎng)。
3 壓濾機(jī)泥水處理
3.1 壓濾方式泥水處理原理簡(jiǎn)介壓濾方式泥水處理主要通過(guò)壓濾機(jī)、外加劑及其配套設(shè)備完成,壓濾機(jī)過(guò)濾部分由整齊排列在主梁上的隔膜濾板、廂式濾板和夾在它們之間的濾布所組成。過(guò)濾開(kāi)始時(shí),濾漿在進(jìn)料泵的推動(dòng)下,經(jīng)止推板和壓緊板的進(jìn)料口進(jìn)入各濾室內(nèi),濾漿借助進(jìn)料泵產(chǎn)生的壓力進(jìn)行固液分離,濾液由排液口排出。壓濾機(jī)工作原理見(jiàn)圖2。
3.2 壓濾機(jī)設(shè)備基本參數(shù) 壓濾機(jī)基本參數(shù)信息見(jiàn)表4
3.3 使用過(guò)程中實(shí)測(cè)參數(shù)砂層掘進(jìn)時(shí)壓濾機(jī)泥漿處理效果統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。黏土層掘進(jìn)時(shí)壓濾機(jī)泥漿處理效果統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。
入料密度為1.1~1.2g/cm3時(shí),壓濾系統(tǒng)每h平均處理泥漿31.5m3,濾餅含水率約30%,每h平均產(chǎn)出干渣7.2m3,濾液含固率小于2g/L,可以直接外排或循環(huán)使用。壓濾設(shè)備每min能生產(chǎn)約0.1m3干渣,即生產(chǎn)1m3干渣土約需要10min。入料密度為1.22~1.36g /cm3時(shí),壓濾系統(tǒng)每h平均處理泥漿約44m3,濾餅含水率約30%,每h平均產(chǎn)出干渣約9m3,處理效果比泥漿密度低于1.2g/cm3好。
3.4 壓濾機(jī)其他添加劑試驗(yàn)情況
1)添加劑采用聚合氯化鋁,泥漿密度為1. 17g/cm3,添加量參考石灰添加量下料,石灰平均每h處理30m3泥漿,聚合氯化鋁平均每h處理40m3泥漿。濾液水pH值為8,3板的含水量分別為26.8%、31.9%、36.8%,平均含水量約30%。效果最好的1板入料循環(huán)時(shí)間為4000s,擠壓時(shí)間為1000s,餅厚為4cm。
2)添加劑采用石膏,泥漿處理量跟石灰差不多,平均為30m3/h。壓了2板,濾液水pH值都是8,2板的含水量分別為24.2%、28.6%,平 均含水量約26%。入料循環(huán)時(shí)間為4000s,擠壓時(shí)間為800s,餅厚為4cm。
3)添加劑采用鋁粉,泥漿密度為1. 18g/cm3,鋁粉與水,與漿液有反應(yīng),有氣泡,透水性不好,和沒(méi)有添加劑效果一樣。
4)添加劑采用鋁粉與石膏混合,泥漿密度為1.15g/cm3,每板加100kg石膏粉和8kg鋁粉,處理效果與只添加石膏粉差不多,鋁粉加入后,液面會(huì)起1層氣泡,鋁粉引起的氣泡長(zhǎng)時(shí)間不破,效果不如只添加石膏。
5)添加劑采用鋁粉與石灰,密度為1. 16g/cm3,每板加100kg石灰,8kg鋁粉,處理效果不佳,不成餅,效果不如只添加石灰。
6)壓濾機(jī)進(jìn)漿處增加旋流器(10μ m),由于泥漿已經(jīng)由泥水分離設(shè)備二級(jí)旋流、篩分處理過(guò),壓濾機(jī)處增加的旋流器提濃效果不明顯,只能采取多次旋流的方式來(lái)提高泥漿密度。壓濾機(jī)進(jìn)料密度能增加約0.05g/cm3,效 率低且能耗大。
3.5 壓濾機(jī)處理能力與影響因素由3.4節(jié)分析可知:
1)壓濾方式泥水處理在泥水密度較大時(shí)效果更明顯,添加劑采用聚合氯化鋁時(shí),比其他添加劑效果更好;2)濾板的不同,添加藥劑的數(shù)量不相同,壓濾系統(tǒng)的處理能力也不盡相同。
4 泥水處理效能分析離心機(jī)在泥漿密度為1.19g/cm3時(shí) 處理能力約為60m3/h,產(chǎn)生干渣量為0. 2m3/min(含水率約60%),液相物料(廢水)含固率高。壓濾機(jī)在泥漿密度為1.29g/cm3及 以上時(shí),處理效果最佳,處理量約為30m3/h,產(chǎn)生干渣量為0. 1m3/min(含水率約30%),液相物料含固率低。 2種泥水處理分離方式在項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用效果見(jiàn)表7。
由表7可以看出:盾構(gòu)掘進(jìn)1環(huán),掘進(jìn)后沉淀池泥漿密度由1.16g /cm3變?yōu)?.22g/cm3,上 升了0.06g/m3,黏度上升了0.78s。經(jīng)振動(dòng)預(yù)分篩、2次旋流器處理(一級(jí)旋流器、二級(jí)旋流器)、迷宮式沉淀池三級(jí)沉淀后密度為1.19g/cm3,只 降低了0.03g/m3,且20μm以下細(xì)顆粒分離難度大,此時(shí)需要采用離心機(jī)或壓濾機(jī)對(duì)沉淀池的泥漿進(jìn)一步處理。泥水處理工廠流程見(jiàn)圖3。
三級(jí)沉淀后的泥漿,經(jīng)離心機(jī)處理(液相物料排放至調(diào)整池)、壓濾機(jī)處理(液相物料排放至清水池補(bǔ)充進(jìn)排漿泵站密封水損失)調(diào)整后開(kāi)始下一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)。盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)束時(shí)調(diào)整池的密度為1.19g/cm3,通過(guò)離心、壓濾處理后,密度降低了0.03g/m3,調(diào)整池的密度降低到1.16g/cm3,達(dá)到上一循環(huán)開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)的狀態(tài),泥水處理工廠達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài),既不需要往外排漿(不產(chǎn)生廢漿),也不需要向調(diào)整池和進(jìn)漿池加水或新鮮漿液降低泥漿密度,實(shí)現(xiàn)了大直徑泥水盾構(gòu)施工“零排放、零污染”的目標(biāo)。
5 結(jié)論與討論目前,大部分泥水盾構(gòu)施工,主要著重于廢漿處理及產(chǎn)生的液相物料(廢水)達(dá)到市政排放標(biāo)準(zhǔn)方面,對(duì)不產(chǎn)生廢漿或不向外排放液相物料的研究較少。本文以京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)13標(biāo)泥水處理工廠為依托,研究如何實(shí)現(xiàn)泥水循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡。主要結(jié)論如下:
1)離心方式處理泥漿時(shí),可以通過(guò)調(diào)整離心機(jī)參數(shù)及外加劑參量,控制排放液的流量和含固率,并排放至調(diào)整池改善泥漿密度(泥漿密度高時(shí)開(kāi)挖掘進(jìn)困難,密度過(guò)低時(shí)循環(huán)攜渣困難)。
2)壓濾方式處理泥漿時(shí),受外加劑影響較大,泥水處理效率沒(méi)有離心機(jī)快,但產(chǎn)生的干渣和排放液效果比離心機(jī)好,且能分離泥漿中的膨潤(rùn)土等制漿材料,調(diào)整泥漿黏度,排放液可以當(dāng)密封水、冷卻水循環(huán)使用,控制泥水處理工廠液相物料向市政管路外排。3)合理選擇泥水分離處理設(shè)備,優(yōu)化組合,可以實(shí)現(xiàn)大直徑盾構(gòu)泥漿處理“零排放”的目標(biāo)。針對(duì)泥水分離設(shè)備尋找新型外加化學(xué)藥品,進(jìn)一步提高處理效率、節(jié)約成本、保護(hù)環(huán)境。
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