提高泥水盾構(gòu)進(jìn)排漿管軟連接使用壽命的研究

張 華

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，北京 100000)

·機(jī)械與設(shè)備·

提高泥水盾構(gòu)進(jìn)排漿管軟連接使用壽命的研究

張 華

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，北京 100000)

對大直徑泥水盾構(gòu)泥水系統(tǒng)在施工方面存在的問題進(jìn)行了仔細(xì)分析，結(jié)合軟連接爆管漏漿的主要原因，總結(jié)了泥水盾構(gòu)進(jìn)排漿管軟連接使用和改造的技術(shù)措施，以提高盾構(gòu)施工效率。

泥水盾構(gòu)，軟連接，使用壽命

1 工程概況

連接北京站到北京西站的直徑線是一條雙線地下鐵路聯(lián)絡(luò)線，全長9.15 km，其中隧道長約7.3 km，最大埋深39 m，是國內(nèi)第一條在城市繁華區(qū)域內(nèi)采用大直徑泥水盾構(gòu)法施工的工程，連續(xù)掘進(jìn)的距離長達(dá)5.175 km，工程批復(fù)總投資31億元。盾構(gòu)區(qū)間采用鋼筋混凝土管片襯砌，外徑11.6 m，內(nèi)徑10.5 m，環(huán)寬1.8 m，管片采用六塊標(biāo)準(zhǔn)塊，兩塊鄰接塊，K塊組成。盾構(gòu)穿越的地層95.21%為砂卵石地層，盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)勘探表明地層細(xì)沙粒含量極少，0.074 mm以下的約占2.4%，10 mm以上的含量大于60%，最大砂卵石粒徑達(dá)到280 mm左右，且不排除有大直徑孤石的可能。盾構(gòu)區(qū)間覆土厚度為11 m～29 m。含水層主要為砂卵石層、圓礫層及砂層，最大滲透系數(shù)為1.74×10-3m/s，最大水土壓力為0.3 MPa，砂卵石地層對盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重，施工難度大。

2 泥水盾構(gòu)

泥水盾構(gòu)也稱泥水加壓平衡盾構(gòu)(Slurry Pressure Balance Shield)，簡稱SPB盾構(gòu)。泥水盾構(gòu)是在機(jī)械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，裝備刀盤及輸送泥漿的送排泥漿管路和推進(jìn)盾構(gòu)的推進(jìn)油缸的大型機(jī)械設(shè)備。在地面上還配有泥水處理設(shè)備。北京地下鐵路直徑線就是采用的大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，其基本工作原理就是通過調(diào)節(jié)氣墊倉空氣壓力使開挖倉泥漿得到相應(yīng)壓力在開挖面形成泥膜，支撐開挖面土體，由前面的刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體表面，渣土與泥漿混合后形成高密度泥漿由排漿泵通過泥水循環(huán)系統(tǒng)排到出渣場地進(jìn)行泥水分離，同時(shí)推力油缸將盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)。泥水循環(huán)系統(tǒng)是盾構(gòu)施工重要組成部分，在盾構(gòu)掘進(jìn)，刀盤沖洗，置換泥漿，常壓維修氣墊倉破碎機(jī)等盾構(gòu)重大施工工序中有著重要的作用。

3 泥漿循環(huán)系統(tǒng)及軟連接

泥水循環(huán)系統(tǒng)包括：掘進(jìn)模式，旁通模式，反循環(huán)模式，豎井旁通模式。主要由進(jìn)漿管，進(jìn)漿泵站，軟連接(見圖1，圖2)，延伸小車，板閥，球閥，排漿管，排漿泵站，地面泥水處理等組成。

泥水循環(huán)系統(tǒng)的好壞對盾構(gòu)施工進(jìn)度至關(guān)重要，軟連接直接關(guān)系到泥水循環(huán)系統(tǒng)能否正常使用。

4 突出問題

泥水盾構(gòu)泥水循環(huán)管路上軟管軟連接數(shù)量較多，軟連接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到設(shè)備安全和施工進(jìn)度。開挖的卵石與泥漿混合后經(jīng)排漿管路排出隧道過程中，管路上軟連接磨損嚴(yán)重，造成軟連接破損漏漿或爆管，影響施工進(jìn)度，隧道內(nèi)文明施工難度大。

5 施工要求

1)安全要求。降低或避免軟連接爆裂事件的發(fā)生可以有效的降低此事件存在的安全隱患。2)施工進(jìn)度要求。軟連接爆裂會造成盾構(gòu)非工序性停工，降低或避免此事件的發(fā)生可以提高生產(chǎn)進(jìn)度。3)文明施工要求。軟連接爆裂后洞內(nèi)底部會流滿泥漿，對軌道的養(yǎng)護(hù)和文明施工造成極大的難度。

6 目標(biāo)確認(rèn)

提高軟連接的抗壓和耐磨性，杜絕軟連接爆裂事件才能滿足施工過程安全、進(jìn)度、文明施工要求。

7 軟連接爆管漏漿的主要原因

1)盾構(gòu)司機(jī)操作失誤。 盾構(gòu)司機(jī)的操作技術(shù)在整個(gè)盾構(gòu)施工中都起著至關(guān)重要的作用，如盾構(gòu)司機(jī)在操作中錯誤地關(guān)閉或打開泥漿管路上的閥門，將會引起管路上軟連接爆裂。2)安裝過程不達(dá)標(biāo)。安裝軟連接時(shí)，選用的軟連接必須與管路上預(yù)留的尺寸一致，否則尺寸過小將增加安裝難度，尺寸過大，軟連接橡膠受到拉伸，影響軟連接使用效果。3)泵站和泥漿管路的抖動。泵站安裝未達(dá)到要求，將會引起泵站震動劇烈，增加軟連接的減震負(fù)荷。泵站葉輪堵塞也會引起泵站和泥漿管路的抖動增大，減少軟連接使用壽命。質(zhì)檢員應(yīng)加強(qiáng)對泵站的震動檢測。4)軟連接生產(chǎn)工藝的耐磨性。5)軟連接的抗壓性。6)泥漿的比重、粘度。泥漿比重大有利于減小渣土對管路的磨損，但會增加泥水處理篩分的難度。7)地質(zhì)情況變化和泥漿流量。砂石層掘進(jìn)管路磨損比泥土層管路嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)情況選用合理的軟連接或?qū)苈愤M(jìn)行耐磨處理。通過控制各進(jìn)排漿泵的功率可以提高進(jìn)排漿管泥漿流量，加大出渣量，但管路中間的壓力也會升高，管路磨損加快，存在管路爆裂漏漿的風(fēng)險(xiǎn)。

8 制定對策

1)統(tǒng)計(jì)分析掘進(jìn)參數(shù)。

確定掘進(jìn)參數(shù)與軟連接耐磨性能相關(guān)性。分析泥漿密度與軟連接磨損速度相關(guān)性；分析噪聲、地層條件、泥漿密度相關(guān)性。管路磨損統(tǒng)計(jì)圖見圖3。泥漿密度增加時(shí)，泵進(jìn)出口壓力增大，軟連接磨損加快。卵石含量過多時(shí)，泥漿比重過低不利于攜渣，施工中應(yīng)根據(jù)卵石含量將泥漿比重控制在1.1 kg/cm3～1.25 kg/cm3。

2)軟連接及倒流桶選型。

確定軟連接及倒流桶類型，分析不同材料能，優(yōu)選軟連接，分析不同材料，優(yōu)選倒流桶(見圖4)。管路出現(xiàn)故障時(shí)，壓力最高可以達(dá)到16 bar。普通軟連接不滿足要求，容易引起爆管。鋼絲軟連接抗壓性好，能夠滿足管路對壓力的要求。耐磨倒流桶更換頻率較低，根據(jù)統(tǒng)計(jì)磨損量在停機(jī)時(shí)進(jìn)行更換。

3)耐磨焊條選型，加工硬連接。

確定耐磨焊條類型，確定硬連接尺寸。分析不同材料，優(yōu)選耐磨焊條。確定硬連接尺寸材料。普通軟連接見圖5。部分位置軟連接用硬連接代替，硬連接做耐磨處理(見圖6)。

根據(jù)管路內(nèi)流體流速、流量及流體力學(xué)知識，由下式求得：

其中，di為管道內(nèi)徑，mm；qv為液體流量，m3/h；u為管內(nèi)液體平均速度，m/s。根據(jù)《機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選用內(nèi)層管路內(nèi)徑為350mm。

硬連接管路壁厚設(shè)計(jì)：管路所受液體圍壓及流體力學(xué)知識，根據(jù)薄壁圓筒公式確定管路壁厚：

根據(jù)內(nèi)層管路耐磨性能要求，為有效減小整體管路自重選用9 mm厚耐磨鋼材制作內(nèi)層耐磨管路。硬連接安裝位置設(shè)計(jì)：夾層以及設(shè)備梁軟管需要很大的伸縮性，不能安裝硬連接。考慮泵站的減震要求，只在泵站出口安裝硬連接。

4)記錄軟連接使用情況。

確定軟連接翻面或更換的里程，記錄軟連接使用距離和時(shí)間(見表1)。

5)軟連接修復(fù)。

a.統(tǒng)計(jì)軟連接使用起始里程、時(shí)間。b.根據(jù)軟連接使用情況統(tǒng)計(jì)表，停機(jī)情況對軟連接進(jìn)行檢查。c.根據(jù)檢查的具體情況，對軟連接進(jìn)行翻面或更換。d.修復(fù)更換的軟連接鋼圈，補(bǔ)焊耐磨焊。做好軟連接鋼圈使用距離的統(tǒng)計(jì)，及時(shí)對鋼圈進(jìn)行修復(fù)和更換，可以減少軟連接的損失。

表1 泥漿管軟連接磨損漏漿事件調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

9 效果檢驗(yàn)

1)未發(fā)生軟連接爆管損壞設(shè)備的情況，未更換硬連接。2)倒流桶未加焊耐磨焊的軟連接平均使用壽命在380 M左右。3)倒流桶加焊耐磨焊的軟連接平均使用壽命在600 M左右。4)未出現(xiàn)爆管影響施工的情況。

10 結(jié)語

1)加強(qiáng)軟連接質(zhì)量監(jiān)管。選擇耐磨性能良好，易于修復(fù)和更換的軟連接。選擇優(yōu)質(zhì)易于堆焊的耐磨焊條提前對軟連接倒流桶進(jìn)行堆焊，提高軟連接使用壽命。2)施工中加強(qiáng)對軟連接使用狀態(tài)的記錄和檢查工作，抓好工序銜接，及時(shí)對磨損的軟連接倒流桶進(jìn)行翻面或修復(fù)處理。加強(qiáng)軟連接質(zhì)量監(jiān)管。加強(qiáng)過程檢查，確?，F(xiàn)場操作規(guī)范。加強(qiáng)安保措施，確保設(shè)備和人員的安全。確保施工進(jìn)度。

[1] Φ11.97m膨潤土—?dú)鈮|式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)技術(shù)操作規(guī)程[S].

[2] 張鳳祥，傅德明，楊國祥，等.盾構(gòu)隧道施工手冊[M].北京：人民交通出版社，2009.

Research on improvement of service life of slurry shield into discharging pipe soft connection

ZHANG Hua

(SecondDepartmentLimitedCompany,ChinaRailwayTunnelGroup,Beijing100000,China)

This paper researched the existed problems of large diameter slurry shield slurry system in construction aspect, combining with the main causes of soft connection pipe burst slurry leakage, summarized the use and transformation technical measures of cement slurry discharging pipe soft connection, in order to improve the construction efficiency of shield.

slurry shield, soft connection, service life

1009-6825(2014)07-0243-03

2013-12-24

張 華(1986- )，男，助理工程師

U455.43

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