一、前言

20世纪60年代英国、日本、德国先后研究开发了泥水加压盾构，该工法在盾构开挖面的密封隔舱内注入泥水，通过泥水加压使内外压力平衡，以保证开挖面土体的稳定。盾构推进时开挖下来的土渣进入盾构前部的泥水室，携带刀盘切削下的泥土的高浓度泥水被泵送到地面，泥水在地面经过分离后进入盾构的泥水室，不断地排渣净化使用。泥浆的合理处理是泥水平衡盾构施工中的重要环节，由于泥浆中存在大量的固体污染物，如果处理不当将对周围环境产生巨大的影响，对泥浆进行高效环保处理有利于节约施工成本，减少环境危害。

在国外，随着环境意识的增强与立法要求的提高，以无公害处理为目标的技术使得泥水处理费用居高不下，从早期的二次环境污染或污染转移发展到现在的处理工厂化回收再利用，在日本、德国等国已经发展得非常成熟。日本“奥村”、德国“莎堡”和法国“MS”公司研制的泥水处理设备集成化模块，几乎垄断了国际泥水处理工程市场。国内的刘敏林等人参考国外施工经验设计了泥水分离系统，泥浆处理系统由一级除砂净化系统、二级除砂净化系统、排渣系统、回收泥浆槽和调配泥浆槽组成；刘豫东等人设计了以水力旋流器为主要分离设备的泥水处理系统，该系统由泥水输送分系统、泥浆分离和处理分系统、泥浆拌制和浆液调整分系统及泥水监控分系统四大部分组成；孙步功对碟式离心机应用于黄河的泥砂分离进行了研究，并取得良好的分离效果。在盾构施工过程中，由于泥浆的反复循环使用，使得泥浆中累积大量小粒径的微粒子，这些颗粒的大量存在使得泥浆质量劣化，施工效果难以保障，目前多应用水力旋流器对盾构泥浆中的固体颗粒的粒径进行控制。碟式离心机与水力旋流器都是通过离心作用将密度不同的两种介质分离开，碟式离心机更易于控制，分离效率高，可同时分离出两种轻产品，结构紧凑，占地面积小，对周围环境影响小。国外Veselin Batalovic将改进型的碟式离心机应用于矿物加工时尾矿浮选过程中废水的处理，用于去除废水中小于50μm的固体颗粒，取得了良好的效果。

课题试验中首先对清水和粘土、细砂的混合液进行分离试验以验证离心机的分离性能，然后通过配置盾构用泥浆再与粘土、细砂混合后进行分离，分析分离前后混合液中固体颗粒物的粒径变化和盾构泥浆对于混合液稳定性的影响，以验证碟式离心机应用于盾构施工中泥浆处理的可行性。

二、试验材料与方法

2.1 试验材料

本试验中配置泥浆所用材料为：河北中石恒达生产的钠基膨润土、德州佳信德纤维素有限公司生产的CMC（羧甲基纤维素钠）、食用纯碱。

查阅资料后根据比例换算得出泥浆中各组分的质量，在添加14.4L水的情况下，需要添加膨润土124g，CMC3.1g，纯碱0.93g。

2.2 分析仪器

本试验使用的分析仪器为2100AN台式浊度仪，量程范围：浊度为0～10000NTU，色度为0～500CU，分辨率：浊度为0.001NTU，色度为1CU。混合液稳定性分析仪是由北京朗迪森科技有限公司生产的Turbiscan Lab型分散稳定性分析仪，粒子尺寸的测量范围：0.05～1000μm，粒子浓度：百分比浓度可达95%。粒度分析仪为贝克曼库尔特Multisizer3颗粒计数及粒度分析仪，其分析范围为：0.4μm～1200μm，分辨率为：0.001μm。

2.3 试验设备

2.3.1 原理

试验所用碟式离心机机型为SE 03.0V-S1碟式离心机。

其工作原理：进料悬浮液由转鼓中心引入，向下通过碟片进入碟片和转鼓壁之间的空间。然后液体以薄层形式再由碟片间沿径向向内流动，并流向位于转鼓顶部的出口。沉渣沉积在碟片的下表面上，随后颗粒在下表面向离心方向滑动，沉降到转鼓壁上。在该离心机内用碟片降低沉降高度，增加沉降面积，碟片以一定的速度旋转，固体颗粒在分离力作用下大大提高了沉降速度，很快地从液相中分离出来。

2.3.2 设备组成

试验所用分离系统由进料水箱、控制柜、物料泵、碟式离心机、阀门、压力表、轻物料阀门、重物料阀门、水桶九部分组成。进料水箱中的物料通过物料泵泵入碟式离心机中，通过调节安装在进料管道上的流量阀门控制进料的速度，分离后的物料通过出料口流入水桶中。

2.4 试验方法

试验中使用的粘土和细砂均通过40目筛网进行筛取，粒径控制在630μm以下。分离过程中碟式离心机的转速保持在5000r/min，通过调节流量阀控制进料流速。试验方法如下：

①将50g和100g的粘土、细砂与14.4L清水混合配制成四种混合液。混合液通过水泵从进料水箱泵送至碟式离心机中，每种混合液进行四次不同流速下的分离试验。

②按照124g膨润土、3.1gCMC、0.93g纯碱、14.4L清水的比例配置模拟泥浆。将50g和100g的粘土、细砂分别与泥浆混合配置成四种混合液，每种混合液进行四次不同流速下的分离试验。每次试验均适用浊度仪对试验前后的混合液浊度进行测量，试验结束后对混合液的固体颗粒物去除率进行计算。在模拟泥浆分离试验中对进料和出料的混合液进行取样，使用库尔特粒度仪分析分离前后混合液粒径分布，使用Turbiscan测量100g细砂与清水混合液以及100g细砂与泥浆混合液的稳定性指标，验证泥浆的加入对混合液稳定性的影响。

每组分离试验的分离时间在30min左右，由于试验使用的碟式离心机无自动卸料出口，每次试验结束后需对碟式离心机的腔体和65个碟片逐个彻底清洗以消除上次试验过程中沉积的物料对试验数据的影响。

三、试验数据及结果分析

3.1 清水与粘土、细砂配置的混合液分离试验

分别使用50g和100g的粘土、细砂与14.4L的清水配置混合液并进行分离试验。改变泥浆的流速对比不同流速下的分离效果，根据分离前后混合液的质量变化计算出混合液中固体颗粒物的去除率，对比添加不同质量的粘土所配置的混合液在分离前后的浊度变化。

试验数据表明，分离前添加不同质量粘土的混合液浊度明显不同，分离后两种混合液的浊度趋于接近，混合液中固体颗粒物均得到较好的去除。在不同的流速和固体颗粒含量情况下，碟式离心机对于混合液的渣料去除率均在90%以上，出口物料浊度明显降低，溶液中固体颗粒物明显减少。其中在100g粘土与清水的混合液中，浊度下降明显，悬浮液中的颗粒物得到有效分离。在改变流速的情况下，随着流速的减慢，去除率不断增加，碟式离心机的分离作用更加明显，但是随着进料速度减慢到一定值时，对分离出的临界粒径的影响不再明显，已经接近离心机对于此类混合液的分离极限。

3.2 盾构泥浆与粘土、细砂混合后分离试验

在实际的盾构施工中为了提高渣土的输送効率，需要配置膨润土泥浆对物料进行运输，在试验中添加不同质量的粘土和细砂，通过改变进料的速度，模拟在不同工况下碟式离心机的分离效果，并对分离结构进行分析。

3.2.1 泥浆的稳定性分析

使用Trubiscan对100g细砂加入清水中以及100g细砂加入浆液中进行稳定性比较，通过多次测量得到两种TSI（分散稳定性指标）平均值分别为18.93和2.70。对比可知，后者的TSI值明显变小，说明混合液的稳定性明显提升，同时配置的盾构泥浆的加入也大大增强了物料的附着效果，减缓了物料在输送过程中的自然沉降作用，增加了物料的粘度，提高了物料的流动性，便于物料的输送。

3.2.2 泥浆的分离试验

将50g、100g的粘土和50g、100g的细砂分别加入到由124g膨润土、3.1gCMC、0.93g纯碱、14.4L清水配置的浆液中，使用碟式离心机分别对其进行分离试验，在保持恒定转速为5000r/min的情况下通过调节流量阀分别对其在4种不同的进料速度下进行分离试验并且测量分离前后的混合液浊度、混合液中固体颗粒的去除率。

试验结果表明，在不同流速下，碟式离心机对于物料的去除率均在97%左右，分离后的混合液浊度约为分立前的1%～5%，混合液中绝大部分固体颗粒成分得到了有效去除。随着流速的减小出料浊度明显变小，但继续减小流速对去除率的影响效果逐渐减弱，接近碟式离心机的分离极限。对比不同质量的粘土和细砂配置的混合液在碟式离心机中分离后的试验数据，分离效果并没有因为泥浆中的固体颗粒物的不同而有明显的变化，说明泥浆中的固体颗粒物在分离过程中没有发生明显的重力沉降，配置的泥浆对固体颗粒物的携带作用良好。

3.2.3 粒度分析

应用库尔特粒度仪对含有100g粘土的泥浆混合液的进料和分离后的出料进行粒径分析。进料口的混合液粒径大多集中在20～60μm范围内。进料泥浆的粒径分布并无明显规律，但是出料的泥浆粒径分布大体呈正态分布，进料中含有大量的粒径在50μm左右的固体颗粒，出料粒径大部分集中在5～8μm。可见，粒径50μm的颗粒得到了有效去除，物料经碟式离心机分离后物料中的颗粒明显变小，物料颗粒组分中的粒径分布集中在8μm以下，经碟式离心机处理后的泥浆完全可以满足盾构施工的要求。

四、总结

泥水加压盾构施工中对粒径的控制严格，常规的分离方式难以满足连续施工的要求，本文使用碟式离心机在对不同物料采用不同的分离时间、不同的配比量处理条件下，对物料分离前后的浊度、稳定度、粒度的变化情况进行了研究分析对比，得出以下结论：

①碟式离心机对固液分离的效果极好，分离效率可以达到90%以上。

②碟式离心机的分离效果与物料的流速成反比，与分离时间成正比，当流速减慢到极限值时，分离效果不再有明显增加。

③按照一定比例配置的盾构泥浆与水相比，提高了物料的稳定性，对于相同物料的运输能力明显提高。

④碟式离心机分离后，粒径在50μm左右的固体颗粒得到了有效的去除，碟式离心机对于泥浆中微细颗粒的去除能力可以满足盾构施工中回收用水的要求，可避免直接排放造成的环境破坏。