泥水盾構泥漿泵選型關鍵參數(shù)規(guī)律性研究

孫 恒，黃新淼，2，馬 超，陳少林，2，羅利平，2，張紅偉，2

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交二航局成都城市建設工程有限公司，四川 成都 610218）

0 引言

我國泥水盾構的開端始于1993 年底開建的廣州地鐵1 號線，歷經(jīng)了近30 年的發(fā)展，泥水盾構隧道技術已成為我國地下工程建設領域不可或缺的關鍵技術之一［1］。單就設備而言，泥水盾構與土壓盾構最大區(qū)別在于，土壓盾構是通過土倉內(nèi)的渣土來穩(wěn)定開挖面，出渣是通過螺旋輸送機和皮帶機排至渣土斗，再通過電瓶車和門式起重機運送至地面渣土場；泥水盾構則是通過環(huán)流系統(tǒng)來穩(wěn)定開挖面，同時通過排泥泵直接將渣土泵送至地面泥水站。泥漿泵作為環(huán)流系統(tǒng)中的重要輸送設備，其選型和設計是否合理，直接影響到盾構機的穩(wěn)定運行［2］，同時選型成功與否也會對工期、成本和安全造成一定的影響。因此在泥水盾構選型階段，對于泥漿泵的關鍵參數(shù)選型至關重要。

目前研究學者對泥漿泵選型大致從以下幾個方面開展研究：（1）通過對本工程選型計算所需的基礎參數(shù)進行收集，再通過理論公式計算得到進排泥所需的總揚程量。然后確定進排泥泵的型號及數(shù)量，最后再計算得到功率匹配性良好的電機。這也是目前大部分研究學者的選型思路［2-13］。（2）針對于泥漿泵的某一特性進行針對性研究。如董柏讓［14］、崔建等［15］對泥漿管路的磨損特性進行了研究分析，提出了相應的管路減磨措施；孔玉清［16］、陳健等［10］結合具體工程，對排泥管攜渣能力進行了分析，研究結論對于泥漿管路合理選用具有指導意義。（3）研究泥漿泵相關參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。如秦邦江等［17］通過管路壓力損失分析，計算得到泥漿環(huán)流的泵揚程參數(shù)；孫桐林［18］研究泥漿管中的顆粒粒徑、密度對管道壓力損失的影響；孫寧川［19］研究流量與盾構掘進速度之間的關系，提出了按照3～4 cm/min 的推進速度來選擇泥漿流量較為合理且經(jīng)濟；李新月［20］通過獅子洋隧道工程，分析不同地層特性對進排泥量的影響；趙運臣等［21］結合武漢長江隧道工程，研究了進排泥泵配置及進漿密度對最大掘進速度的影響。

上述研究成果對于國內(nèi)泥水盾構的發(fā)展有一定的推動作用，但也存在部分問題：（1）目前對于泥漿泵選型采用到的計算公式部分未能統(tǒng)一，存在一定的差異性；（2）即使部分計算公式能夠統(tǒng)一，但對于公式中的系數(shù)取值也不盡相同，未對系數(shù)取值進行進一步說明，對計算公式的研究局限于表面；（3）目前我國大規(guī)模使用泥水盾構法修建隧道已有一定的基礎，不同工程對于泥漿泵的選取存在一定的差異性和規(guī)律性，卻未有系統(tǒng)性研究。

鑒于此，筆者從統(tǒng)計的實際工程案例入手，分析泥水盾構泥漿泵選型關鍵參數(shù)的規(guī)律性，并對相關計算公式進行優(yōu)化，旨在為后續(xù)工程提供參考。

1 泥漿泵選型規(guī)律分析

泥漿泵的選型與設計關系到整個隧道的進展與成敗，現(xiàn)將15 個隨機統(tǒng)計到的已建成的泥水盾構隧道，在施工階段所選用的進排泥泵關鍵參數(shù)進行列表分析，具體詳見表1。主要從開挖直徑、隧道長度和穿越主要地層與進排泥的管徑、密度和流量等方面進行相關差異性和規(guī)律性分析。數(shù)據(jù)主要來源于已發(fā)表的書籍文獻和本單位已建工程的相關資料。

1.1 開挖直徑與進排泥管內(nèi)徑的關系

進排泥管內(nèi)徑是泥漿泵選型的關鍵因素之一。大部分工程所采用進排泥管的管徑相同，目的是便于統(tǒng)一采購和使用。在統(tǒng)計到的15 個工程案例中，僅有3 個案例所使用的管徑不同。一般來說，管徑過大，會造成管道內(nèi)的流速過慢，不利于攜渣和排渣；管徑過小，不利于大顆粒的排出，同時也會加劇管路的磨損。將統(tǒng)計到的15 個工程案例中的開挖直徑與進排泥管徑進行對比分析，繪制成的散點圖如圖1 和圖2 所示。

圖1 開挖直徑與進泥管徑的關系Fig.1 Relationship between excavation diameter and inlet mud pipe diameter

圖2 開挖直徑與排泥管徑的關系Fig.2 Relationship between excavation diameter and discharge mud pipe diameter

通過對圖1 和圖2 進行分析，可以看出：當開挖直徑越大，所配套使用的管徑一般就會越大，基本呈線性關系，通過擬合線性曲線，得到的進泥管徑與開挖直徑一元線性方程為：y=0.025x+（138.687±16.609），相關性系數(shù)R2≈0.96；排泥管徑與開挖直徑一元線性方程為：y=0.027x+（116.005±21.521）。散點圖中某些數(shù)據(jù)波動較大（圖1、圖2 中標紅點），可能的原因是存在同一個施工單位在不同工程重復使用同一批泥漿管路的緣故，目的是節(jié)約施工成本，但絕大部分工程基本都在擬合曲線的正常范圍內(nèi)；按照圖1 和圖2 所擬合的公式，可以在選型初期基本確定所采用的管徑處于哪個范圍較為合理。

考參獻[2][3]-[4][5][6][7][8][9]文[10]--[11][12][13]泥排臺數(shù)333324456233623泵泥進臺數(shù)222213222-221-1泵電4 5泥功/kW-排機率350 400 435 335+200-800 400 500+315×132+90×5-900 1100 250+160×1100電泥功/kW進機率235 315 315-200-630 315 250+90-800 1100 250--泥揚排泵/m-7069.5程75.5 73/35787066/3530/25-56.8-43.7/2870-泥揚進泵/m-70程68.2-50766358 46.5/15-60.32-46--泵AN AN 10/8GH AN號AN AN 12/10GH AN 10/8GH泥排10/8GH WARM 10/8GH型12/10GH WARM WARM WARM AN WARM --WARM WARM 10/8S-G 300SHGAN WARM WARMAN 300SHG WARM 300SHG NS-KH AN 10/8AH 250--泵AN AN AN 10/8GH 10/8GH AN泥AN 12/10AH WARM WARM AN WARM AN AN AN 10/8AH型號-進WARM NS-KH WARM 250--WARM WARM覽12/10GH 12/10G-G WARM 14/12G-G WARM 14/12G-G一/(m3·流904數(shù)泥720 h-1)900 816 970 880 720排參量1200 1810 1420 1830 2500 3180 2800 1903關鍵泥860流/(m3·h-1)型786 600-700 702 1100 1530 1190 530-2100 2710-1588選進量泥/(g·泵漿1.30排度cm-3)密1.30 1.35 1.30 1.30 1.35 1.35 1.30 1.35 1.30 1.35 1.45 1.42 1.20 1.35泥程泥/(g·進工密同度cm-3)1.15 1.15 1.15-1.15 1.20 1.25 1.10 1.22-1.15 1.15 1.22 1.10 1.10不泥1 /--排255 Table 1 List of the key parameters for mud pump selection for different projects管mm300徑300 300 355 350 400 387 205 450 450 500 305 450 450表泥/進管mm300徑300 305 300 355 350 400 387 310 450 450 500 255 450 450道/隧度長m2359 1731 2670 3100 2400 3450 3660 4500 1200 1837 2450 4000 1563 3185 3600泥土泥、、、巖砂砂石礫粘粘化質、強層風砂、細泥、粉、砂、淤土、卵泥巖地質礫粗土砂、強、粉碎土砂巖土層粘礫土砂要破中粘粘粗砂粘砂質巖、淤粉粉巖、圓主砂化石礫質、中質粉質土、圓砂層質質礫石越巖風層土粉粘質、粉、粉、卵、粉化砂、含土化、泥、粉穿砂、強粘、中砂質、中土砂風、砂、卵砂粉砂砂石質砂細砂質、泥粉粉粘砂等層土砂中細質巖細粉礫泥粉細巖細質質）細中質土細細粘泥粗粉砂粉淤粉粉粉（粉）細粉（中）風粘粉粉挖/開徑直mm6300 6470 6520 6520-9000 10880 11182 11220 11640 12160 14890（11580 12100 11640臺庭隧普玉12 標道間過琴積京厚站洞標納通中站稱線線站站線路線隧望道道卡江構線洲名洲漢6 號黃線路SDⅢ隧隧港道過盾心目道勝2 號園2 號江2 號穿專道路路大隧路道水10 號江項隧鐵武鐵桔鐵—鐵調運隧連江吉底三隧泥鐵-鐵地—地—地站地北段客洋大望拉河緯路某地井地漢站州站漢橋漢水河沈道子段海州加里京翔漢京風某武福武武南京獅上杭孟南殷武南序號123456789101112131415

1.2 開挖直徑與進排泥流量的關系

進排泥流量也是泥漿泵選型的關鍵因素之一。正常施工期間的進排泥流量不是固定值，而是與掘進速度有關：掘進速度越快，切削下來的渣土就越多，為了保證開挖面的穩(wěn)定，需要及時將渣土排出，勢必就會造成排泥流量的增加，與此同時也增加了開挖面所需的進泥量。目前大部分選型計算中，都會要求使用最大挖掘速度進行選型設計（一般考慮為60 mm/min），這是較為科學且合理的。將開挖直徑與進排泥流量進行分析（圖3、圖4），可以看出：開挖直徑越大，所需要的進排泥量一般就會越大，基本呈線性關系；散點圖中某些數(shù)據(jù)波動較大，可能的原因是存在同一個施工單位多次使用同一規(guī)格的泥漿泵的緣故，目的是節(jié)約施工成本，由于泵的揚程限制，進排泥流量可能會與開挖直徑不匹配，但絕大部分工程基本都在擬合曲線的正常范圍內(nèi)；按照圖3和4 所擬合的公式，可以在選型初期基本確定進排泥量處于哪個范圍較為合理。

圖3 開挖直徑與進泥流量的關系Fig.3 Relationship between excavation diameterand inlet mud flow

圖4 開挖直徑與排泥流量的關系Fig.4 Relationship between excavation diameter and discharge mud flow

通過上面確定的管徑和流量可以初步判斷流速是否處于正常范圍。

1.3 開挖直徑、隧道長度與進排泥電機總功率的關系

當選用的管徑和流速確定之后，按照正常選型思路，就可以計算得到本工程所需的總揚程量，最后得到每臺泵所配套的電機功率。帶動泵運轉的電機功率是選型的關鍵因素之一，將隧道長度和開挖直徑與總電機功率通過散點圖繪制出，如圖5 和圖6 所示，從圖中可以看出：開挖直徑越大、隧道長度越長，所需要總電機功率就越大；電機功率在設計計算時均會考慮20%～40%的富余量，且不同工程考慮的富余量不同。因此即使相同掘進距離且相同開挖直徑的工程，其總電機功率也會有一定的偏差；由于收集到的文獻資料中對于電機功率描述較少，導致樣本數(shù)據(jù)偏少，對于線性擬合較為困難，但可以在后期數(shù)據(jù)逐漸累積中逐漸進行線性擬合。

圖5 開挖直徑、隧道長度與進泥泵電機總功率關系Fig.5 Relationship between excavation diameter,tunnel length and total power of the inlet mud pump motor

圖6 開挖直徑、隧道長度與排泥電機總功率關系Fig.6 Relationship between excavation diameter,tunnel length and total power of the discharge mud pump motor

1.4 隧道長度與進排泥泵數(shù)量的關系

泥水盾構常用于穿江、湖、海等大型水下隧道中，掘進距離大都超過1 km，最長可達4～5 km。單個進排泥泵難以滿足整個隧道貫通，因此需要隔一段距離設置中繼泵用于接力。通過若干臺中繼泵的配合，使每臺泵的性能都在允許范圍內(nèi)，既能確保泵送泥漿的穩(wěn)定，同時也能保證泥漿泵的功效發(fā)揮和使用壽命。

不同工程的中繼泵安裝數(shù)量并不固定，主要受制于隧道長度，同時受隧道坡度、埋深、泥水站到始發(fā)井口的長度和電機功率等多因素的影響。用隨機統(tǒng)計到的15 個工程中的隧道長度，除以進排泥泵的數(shù)量，并繪制如圖7 所示的柱狀圖。

圖7 單個泵維持的平均距離Fig.7 Average excavation length per pump

從圖7 可以看出：單個進泥泵的平均維持距離＞單個排泥泵的平均維持距離，其中一個原因是排泥泵需要克服井口到地面以及地面到泥水處理站高度這段揚程損耗，而對于進泥泵來講，這兩段高差剛好是進泥的揚程增益，另一個原因是由于排泥泥漿密度大于進泥泥漿密度；進泥泵的平均維持距離大部分在（1500±250）m 之間，排泥泵的平均維持距離大部分處于（1000±100）m 之間，按照這一思路，可以在選型初期基本確定所采用的進排泥泵的臺數(shù)。

1.5 不同地層的進排泥密度選定

進泥密度與不同地層所需建立的泥膜有關，排泥密度則與地層特性、攜渣能力等因素有關。整個隧道的泥漿密度并不固定，而是呈正態(tài)分布［14］。選型階段計算所采用的泥漿密度應該是隧道正常掘進期間所出現(xiàn)的頻率最高的密度。但由于選型階段還未實施，因此大部分工程在進行選型設計時所使用的進排泥密度存在經(jīng)驗性。

將統(tǒng)計到的15 個工程中，不同進排泥密度出現(xiàn)的次數(shù)進行分析，繪制成如圖8 和圖9 所示的柱狀圖。從圖中可以看出：進泥密度大部分選用1.15 g/cm3，排泥密度大部分選用1.3 g/cm3和1.35 g/cm3。對出現(xiàn)進排泥密度為1.15∶1.3 和1.15∶1.35 的工程所屬地層進行分析，可以發(fā)現(xiàn)對于這兩個組合所對應的地層情況基本攬括了國內(nèi)典型的軟土地層和復合地層，因此大部分工程在選型計算時可以采用這兩類組合進行計算。

圖8 進泥密度出現(xiàn)的頻數(shù)Fig.8 Occurrence frequency of various inlet mud densities

圖9 排泥密度出現(xiàn)的頻數(shù)Fig.9 Occurrence frequency of various discharge mud densities

1.6 進排泥泵品牌的選用

在隨機統(tǒng)計到的15 個工程中，絕大數(shù)都增設了2～3 臺進排泥所需的中繼泵，一方面說明單個進排泥泵的揚程難以滿足整個隧道的貫通，另一方面也說明了中繼泵是泥水盾構系統(tǒng)中極為重要的附屬設備之一。由于需要在盾構主控室內(nèi)進行集中控制，因此對中繼泵的安全性和系統(tǒng)性要求較高。在隨機統(tǒng)計到的15 個已建工程中，絕大部分都是采用澳大利亞進口的WARMAN 渣漿泵（圖10），WARMAN渣漿泵用途廣泛，結構先進，通用化程度高，且運轉可靠，使用壽命長，裝配維修方便，在國內(nèi)泥水盾構技術領域中享有盛名。一方面說明了目前大多數(shù)工程更偏向于選擇使用進口的成套設備，另一方面也體現(xiàn)了在泥水盾構施工中一直面臨成本高和技術上受制于外企的尷尬境地。隨著“十四五”期間國內(nèi)對于軌道交通行業(yè)的大力發(fā)展，希望后續(xù)國產(chǎn)泵在盾構中能夠逐漸嶄露頭角。

圖10 福州地鐵4 號線某區(qū)間使用的WARMAN 渣漿泵Fig.10 WARMAN slurry pump used in a section of Fuzhou Metro Line 4

2 實例分析

2.1 工程概況

福州至長樂機場城際鐵路工程濱海新城站—機場站中間風井區(qū)間采用2 臺開挖直徑8630 mm 泥水平衡盾構機進行雙線施工。區(qū)間盾構穿越地層主要為〈2-4-5〉含泥粉細砂和〈3-1-1〉粉質粘土。隧道頂部埋深范圍8.68～29.59 m，左線長度為4065.757 m，右線長度4072.879 m。線路縱斷面呈V 型坡，最大縱坡+8.096‰，最小縱坡+2‰。泥水站安裝在中間風井場地，距離始發(fā)井口200 m。簡化的地質示意圖如圖11 所示。

圖11 工程示意圖Fig.11 Project sketch

2.2 泥漿泵選型計算過程

按照上述泥漿泵初步選型思路，可以大致得到本工程應用較為合理的泥漿泵設計參數(shù)：

（1）本工程采用的泥水盾構開挖直徑8630 mm，按照圖1 和圖2 中所示的計算公式，進泥管徑為329 mm，排泥管徑為333 mm，考慮統(tǒng)一采購和使用更換的目的，管徑取350 mm 為宜。

（2）按照圖3 和圖4 中所示的計算公式，選型設計計算時進泥流量取值范圍為1010.349±210.681 m3/h，為了便于計算，取1000 m3/h；排泥流量取值范圍為1236.969±153.245 m3/h，為了便于計算，取1200 m3/h。

（3）通過上述初步設計的流量和管徑，可以得到泥漿在管道內(nèi)的流速為：進泥2.89 m/s、排泥3.46 m/s，處于正常流速2～5 m/s 之間，比較符合實際工程需要。

（4）按照進泥泵的平均維持距離大部分在1500±250 m 之間，排泥泵的平均維持距離大部分處于1000±100 m 之間這一思路，本工程單洞長度為4000 m，考慮每條隧道采用“三進四排”模式，即3臺進泥泵、4 臺排泥泵較為理想。

（5）本工程屬于軟土地層，按照圖8 和圖9 的思路，選型計算時的進排泥流量組合取1.15∶1.35 較為合理。

本工程在泥漿泵選型設計時，通過上述計算初步設計泥漿泵參數(shù)，并采用理論計算驗證，再通過多次聯(lián)系廠商，并召開專家咨詢會，最終確定的泥漿泵型號及參數(shù)如表2 所示。

表2 本工程采用的泥漿泵參數(shù)Table 2 Parameters of the mud pump used for the project

2.3 應用效果

濱海新城站—機場站中間風井區(qū)間左線于2021 年9 月25 日已順利始發(fā)，并按照該進排泥泵配置進行了裝機、調試，目前運行正常，未出現(xiàn)滯排、堵管以及超負荷運作等情況產(chǎn)生。表明選型階段設計較為合理，后續(xù)筆者將繼續(xù)跟進本區(qū)間的泥水環(huán)流情況，并完善相關研究內(nèi)容。

3 結論與展望

針對現(xiàn)有研究中，對于泥漿泵選型的差異性和規(guī)律性研究不足，通過統(tǒng)計分析15 個泥水盾構中泥漿泵選型關鍵參數(shù)，得到了參數(shù)之間的選型規(guī)律。同時對傳統(tǒng)泥漿泵選型設計計算公式中存在的誤區(qū)進行了分析。并通過實際案例進行了分析和應用，為今后泥水盾構泥漿泵選型設計提供了新的思路。

由于統(tǒng)計到的資料數(shù)據(jù)有限，在選型階段進行泥漿泵設計時可能會與理論計算存在一定的偏差。但隨著后續(xù)施工數(shù)據(jù)的累積，相關規(guī)律性則會更加突出，所得到的結論也會更加具備普遍性和適用性。