吳 爍，馮美貴，翁 煒，蔣 睿，徐軍軍，趙志濤

（北京探礦工程研究所，北京 100083）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施與工程建設(shè)項目大量開展，樁基、連續(xù)墻、盾構(gòu)和頂管等巖土工程施工的工作量呈高速增長趨勢。因巖土工程大多為濕作業(yè)，施工過程中會產(chǎn)生大量廢漿，按環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求需將泥漿中固體顆粒進(jìn)行分離處理。目前常采用絮凝沉淀法或機(jī)械分離法進(jìn)行泥水分離，絮凝沉淀法通過修建多組沉淀池，利用重力將原始泥漿沉降濃縮，再與高分子絮凝劑混合凝聚并沉淀為污泥［1］，該技術(shù)應(yīng)用期間，逐漸暴露出顆粒去除率低、泥漿浪費(fèi)嚴(yán)重、占地面積大、絮凝劑等添加劑易污染環(huán)境等缺點(diǎn)［2-3］。機(jī)械分離法通過振動篩或者滾筒篩篩除泥漿中大顆粒，然后通過離心機(jī)等設(shè)備去除粒徑較小的泥漿顆粒，因其對泥漿的高效分離、結(jié)構(gòu)緊湊、渣料含水率低可填埋等優(yōu)點(diǎn)在國外盾構(gòu)施工中應(yīng)用廣泛，近年來逐漸受到國內(nèi)市場青睞［4-6］；但設(shè)備運(yùn)行由人工控制，存在響應(yīng)時間長，控制精度差，信息化、自動化水平不高等問題［7］。鑒于此，筆者研制了一種新型智能高效一體化泥水分離系統(tǒng)，并開展了不同條件下泥水分離效果實驗，實驗結(jié)果表明：該設(shè)備緊湊高效，占地面積小，安全運(yùn)行時間長，可有效清除泥漿中固相顆粒，實現(xiàn)智能自動化控制，提高工作效率，在巖土工程施工廢漿處理領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1 智能泥水分離系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 主要技術(shù)參數(shù)

施工作業(yè)后產(chǎn)生的廢漿中70%以上為水，其余成分為粘土、鉆渣和泥漿處理劑，組分相對簡單，鉆渣為各種不溶于水也不分散的巖屑，以較大的顆粒懸浮于泥漿中，其粒徑通常＞74 μm。泥水分離系統(tǒng)的主要功能是有效清除泥漿中的鉆渣等無用固相，維持泥漿性能穩(wěn)定，提高泥漿使用效率。中小型巖土工程施工泥漿密度約為1.05～1.15 g/cm3，設(shè)備配套泥漿泵排量通常為200 m3/h 以內(nèi)［8-9］，據(jù)此確定智能高效一體化泥水分離系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

研制的新型高效智能泥水分離系統(tǒng)主要由振動分離機(jī)構(gòu)、旋流離心機(jī)構(gòu)、沖洗輸送機(jī)構(gòu)與智能控制機(jī)構(gòu)4 部分組成，如圖1 所示。其中振動分離機(jī)構(gòu)包括總進(jìn)漿管、高性能雙層振動篩、儲漿槽；旋流離心機(jī)構(gòu)包括旋流分離器、進(jìn)液流道、出液流道；沖洗輸送機(jī)構(gòu)包括砂泵、反沖流道；智能控制機(jī)構(gòu)包括液位監(jiān)測裝置、智能變頻控制裝置、遠(yuǎn)程傳輸裝置。

圖1 智能泥水分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of intelligent mud separation system

1.3 工藝流程

（1）設(shè)備通電后，液位監(jiān)測裝置測定儲漿槽中液面高度，變頻控制裝置根據(jù)液面高度變化情況自動控制砂泵與激振電機(jī)開啟，并對砂泵排量進(jìn)行調(diào)整。遠(yuǎn)程傳輸裝置將設(shè)備排量、液位高度等數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)上傳至云端供技術(shù)人員遠(yuǎn)程查看。

（2）激振電機(jī)開啟后，將帶動雙層振動篩按一定軌跡振動，對總進(jìn)漿管輸送的污漿進(jìn)行一次篩分，篩分后的泥漿進(jìn)入儲漿槽內(nèi)。

（3）砂泵從儲漿槽內(nèi)抽吸泥漿后，將泥漿沿進(jìn)液流道從旋流分離器進(jìn)漿口切向射入進(jìn)行二次離心分離，分離后的干凈泥漿從旋流器溢流管沿出液流道輸送回孔；仍含有粒徑微細(xì)的泥砂泥漿由旋流器下端沉砂嘴排出落入上層篩網(wǎng)，經(jīng)上層篩網(wǎng)脫水篩選后，較干燥的細(xì)碴料分離出來，篩選過的泥漿再次返回儲漿槽內(nèi)，實現(xiàn)泥漿循環(huán)利用，篩選分離后的所有渣料集中收集處理。

（4）除此之外，砂泵將由儲漿槽內(nèi)抽吸的部分泥漿增壓后沿反沖流道輸送回儲漿槽，對儲漿槽底部沉渣進(jìn)行沖洗攪動，使沉積在底部的沉渣懸浮在儲漿槽的泥漿中，降低清渣頻率，提高設(shè)備工作效率。

2 核心零部件設(shè)計

2.1 智能控制機(jī)構(gòu)

智能控制機(jī)構(gòu)主要由液位監(jiān)測裝置、智能變頻控制裝置、遠(yuǎn)程傳輸裝置組成，其中液位監(jiān)測裝置、變頻控制裝置相互配合控制砂泵啟停，進(jìn)而控制液位高度，遠(yuǎn)程傳輸裝置將監(jiān)測的液位高度、砂泵轉(zhuǎn)速、激振電機(jī)轉(zhuǎn)速等設(shè)備工作參數(shù)上傳至云端存儲，供技術(shù)人員遠(yuǎn)程查看。

液位監(jiān)測裝置主要由超聲波液位計、夾持工裝與供電通訊一體化裝置組成，液位計與一體化裝置的接線端子處均使用三防電纜夾緊密封接頭固定，通過夾持工裝將液位計固定在儲漿槽頂部預(yù)設(shè)開孔位置處，確保液位計監(jiān)測范圍可覆蓋至槽底。

智能變頻控制裝置主要由高性能矢量變頻器、閉環(huán)反饋控制器組成，可根據(jù)超聲波液位計監(jiān)測的儲漿槽液位高度值自動控制砂泵運(yùn)轉(zhuǎn)，并根據(jù)高度變化情況對砂泵排量進(jìn)行PID 控制，其工作邏輯如圖2 所示。控制器控制參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗回歸擬合結(jié)果進(jìn)行整定，并采用參數(shù)模糊自適應(yīng)算法根據(jù)現(xiàn)場實際工作情況對控制參數(shù)做進(jìn)一步優(yōu)化；考慮到地層巖性和施工工藝對泥漿性能需求有很大不同，控制器還預(yù)留了智能決策裝置接口，可根據(jù)現(xiàn)場測試得到的泥漿性能參數(shù)與地層巖性，結(jié)合本地區(qū)施工大數(shù)據(jù)資料對激振力進(jìn)行優(yōu)選，后對激振電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制，配合不同規(guī)格篩網(wǎng)，通過顆粒差異化分離控制泥漿流變性。

圖2 智能控制裝置工作邏輯Fig.2 Logic diagram of intelligent control device

遠(yuǎn)程傳輸裝置主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸與遙控控制模塊等組成，可實時采集處理計算液位高度、激振電機(jī)工作轉(zhuǎn)速、砂泵轉(zhuǎn)速與排量等參數(shù)和監(jiān)控錄像等視頻數(shù)據(jù)，并將其上傳至互聯(lián)網(wǎng)云端存儲，技術(shù)人員可通過在線網(wǎng)站、手機(jī)app 等多種手段查詢查看現(xiàn)場設(shè)備工作情況，還可遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)設(shè)備工作參數(shù)，實現(xiàn)在線遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測與控制。

2.2 高性能變頻振動篩

由于巖土工程施工泥漿固相顆粒以粉土、淺層土為主，粘度較低，易于篩分，但處理量較大（≥100 m3/h），振動篩性能成為決定設(shè)備整體性能的關(guān)鍵，為此，作者研制了一款高性能變頻振動篩，該振動篩為雙層雙軸直線振動篩，采用雙電機(jī)自同步反轉(zhuǎn)慣性激振電機(jī)，可通過智能變頻控制裝置調(diào)節(jié)電機(jī)激振力大小，最大處理量200 m3/h，最小分離粒徑74 μm。

2.2.1 運(yùn)動參數(shù)

線性振動篩的振動方向角通常為30°～60°，為保證振動篩具有良好的篩選性能，且獲得移動速度和高生產(chǎn)率，優(yōu)選振動方向角為α=45°，篩面傾角0.5°。

根據(jù)設(shè)備參振部分質(zhì)量對激振電機(jī)進(jìn)行優(yōu)選，最終確定采用MartinCCC-70 型激振電機(jī)，單臺額定激振力43 kN，根據(jù)電機(jī)技術(shù)參數(shù)和三維建模軟件中得到的參振部分總質(zhì)量可計算出振動篩的振幅s=6 mm、拋擲指數(shù)D=5.5，滿足振動篩設(shè)計規(guī)范要求，其計算公式見式（1）、式（2）［10-11］。

式中：F——激振力，N；ω——激振軸角速度，rad/s；M——參振部分總質(zhì)量，kg。

式中：g——重力加速度，取g=9.80 m/s2；σ——振動方向線與箱面的夾角，（°）；α——篩面傾角，（°）；［K］——修正系數(shù)，本文取1.1。2.2.2 減震裝置

根據(jù)式（3）計算彈簧總剛度K［12］，計算結(jié)果為：ω=1300 r/min 時，K≈1.0×106N/m，單個彈簧剛度K1≈2.63×105N/m。

式中：M——參振質(zhì)量，包括篩箱與激振電機(jī)等，kg；Z0——工作頻率與固有頻率之比，一般取3～7，本文取Z0=4。

按剛度計算公式（4）選擇彈簧中徑125 mm，線徑22 mm，有效壓縮圈數(shù)7.5 圈，兩端磨平，實際壓縮圈數(shù)6.5 圈可滿足振動篩隔振彈簧要求［13］。

式中：G——彈簧材料切變模量，Pa；d——線徑，m；d2——中徑，m；n——有效圈數(shù)。

2.3 旋流分離器設(shè)計

根據(jù)已有研究可知，60 μm 以上顆粒會引起泥漿粘度和密度的變化［14］，因此在設(shè)計水力旋流器時主要考慮分離目標(biāo)粒徑為60～150 μm 之間的顆粒。泥漿在進(jìn)行二次分離過程中常采用15°小錐角水力旋流器，較小的錐角有利于延長顆粒留駐時間，提高小顆粒去除率，但由于本設(shè)計所需泥漿處理量大，且為盡量保留60 μm 以下的微粒，因此設(shè)計角度不宜過小，綜上所述優(yōu)選旋流器采用20°單錐段設(shè)計［15］。

根據(jù)式（5）計算旋流器主直徑D范圍為462～486 mm，設(shè)計時取D=500 mm，根據(jù)文獻(xiàn)可知旋流器柱體長度、入口尺寸、溢流口和底流直徑等參數(shù)與主直徑D成比例［16-17］，計算后選取的旋流器參數(shù)見表2。

表2 旋流器設(shè)計參數(shù)Table 2 Design parameters of cyclone

式中：Q——處理量，m3/h；ρ——固相顆粒密度，kg/cm3；ΔP——出口和入口的壓力差，取ΔP=0.1～0.2 MPa；C——固相顆粒質(zhì)量濃度，%。

3 設(shè)備試驗與應(yīng)用效果

智能泥水分離系統(tǒng)加工組裝完成后，在基地開展了整機(jī)聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作，如圖3 所示，聯(lián)調(diào)聯(lián)試后設(shè)備各部分均可正常工作，污漿經(jīng)過篩分與旋流分離后產(chǎn)生的渣料干度滿足設(shè)計要求，儲漿槽液面高度可維持穩(wěn)定。為進(jìn)一步確定設(shè)備工作特性，開展了室內(nèi)實驗，實驗期間對系統(tǒng)入口和溢流口處泥漿進(jìn)行取樣，分析凈化前后泥漿中固相含量變化情況，通過改變?nèi)肟谀酀{中顆粒直徑、固相比例與粘度大小，探究了系統(tǒng)對泥漿的分離效果和不同粒徑顆粒的分級性能，室內(nèi)試驗結(jié)果如圖4 所示。

圖3 室內(nèi)調(diào)試與實驗過程記錄Fig.3 Record of indoor debugging and experimental process

圖4 室內(nèi)實驗結(jié)果Fig.4 Indoor experimental results

由圖4 可知，設(shè)備顆粒去除率隨顆粒直徑的增大而增大，分離后泥漿中較小直徑顆粒得到有效保留，大直徑顆粒被較好去除，74 μm（200 目）以上大直徑顆粒去除率在75%以上，分離效果滿足預(yù)期設(shè)計要求。以上現(xiàn)象主要由于旋流離心分離時旋流器入口流速基本一致，大直徑顆粒的質(zhì)量也較大，所受離心力大，在離心力作用下顆粒邊向近壁面旋轉(zhuǎn)邊向底流口靠近，使得分離效果表現(xiàn)更佳。

粘度對設(shè)備顆粒去除率有較明顯影響，隨著粘度增加設(shè)備顆粒去除率下降，最高降低約9%左右。分析認(rèn)為高粘度泥漿會使流體所受粘滯阻力增大，導(dǎo)致進(jìn)入旋流器后流壓與切線速度降低，固相顆粒流向軸心的動能和也隨之下降，分離所需的離心力不足，而泥漿在旋流器中停留時間較短，導(dǎo)致部分固相顆粒還未遷移到內(nèi)旋區(qū)域就因動能不足而隨外旋區(qū)的流體由底流口排出，導(dǎo)致顆粒去除率減小。

固相含量對設(shè)備顆粒去除率影響較小，隨著固相含量增加，設(shè)備的顆粒去除率略有下降但是下降并不明顯，最高降低約2%左右。這是因為隨著懸浮液固體濃度的增加，顆粒間距縮短，顆粒間相互碰撞產(chǎn)生無序運(yùn)動的概率增大，部分顆粒無法按照繞軸旋轉(zhuǎn)離心方式分離；同時流體的湍流作用會減弱顆粒間團(tuán)聚效果，將顆粒團(tuán)打散，減小了顆粒團(tuán)的離心力，進(jìn)一步降低了顆粒去除率。但由于顆粒間相互作用，導(dǎo)致分離出的固相顆粒在底流口處不能及時完全排出，而重新返回到旋流分離區(qū)進(jìn)行二次分離，因此分離效率下降不明顯。

4 結(jié)論

（1）成功設(shè)計制造了一種小型智能高效一體化泥水分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊輕便，74 μm 以上大顆粒有害固相去除率在75%以上，可充分凈化泥漿，實現(xiàn)泥漿循環(huán)使用，節(jié)約造漿材料，降低施工成本，滿足樁基工程、連續(xù)墻工程、盾構(gòu)和頂管等巖土工程施工泥漿環(huán)保凈化處理需求。

（2）系統(tǒng)能夠根據(jù)儲漿槽液位變化情況自動調(diào)節(jié)控制砂泵與激振電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)無人自動運(yùn)行。系統(tǒng)內(nèi)的遠(yuǎn)程傳輸裝置可將采集到的數(shù)據(jù)實時上傳至云端，技術(shù)人員可通過手機(jī)等終端掌握該系統(tǒng)現(xiàn)場工作數(shù)據(jù)并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，有效提升了施工現(xiàn)場信息化、智能化水平。

（3）系統(tǒng)還可與泥漿性能自動測試設(shè)備配套使用，根據(jù)測試得到的泥漿含砂量、粒徑分布等數(shù)據(jù)計算并調(diào)節(jié)電機(jī)激振力，控制振幅，并判斷當(dāng)前篩網(wǎng)目數(shù)能否實現(xiàn)高效分離，確保泥水分離系統(tǒng)在各種地層與施工條件下應(yīng)用均能保持良好篩分效果。