泥水平衡盾構(gòu)泥水環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計計算研究

陳文遠(yuǎn)

（中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，陜西 西安 710054）

隨著城市地鐵、公路、鐵路、引水等工程建設(shè)不斷加快及對施工安全、質(zhì)量、工期、成本等要求的不斷提高，泥水平衡盾構(gòu)施工工法被越來越多的應(yīng)用于過江、過海及大直徑隧道的工程建設(shè)中。泥水環(huán)流系統(tǒng)作為泥水盾構(gòu)施工的重要組成部分，其設(shè)計計算的準(zhǔn)確性及設(shè)備的選型的正確性，對施工的安全、質(zhì)量、工期、成本有著重要的影響。

1 工程概況

武漢地鐵6號線一期10標(biāo)包含鐘家村豎井—琴臺站區(qū)間（簡稱鐘琴區(qū)間）和琴臺站—武勝路站區(qū)間（簡稱琴武區(qū)間）。鐘琴區(qū)間隧道左線長度為389.3m，右線長度為425.2m，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。琴武區(qū)間隧道左線長度為1732.1m，右線長度為1691.4m，采用泥水平衡盾構(gòu)機施工。琴武區(qū)間最大埋深約為43.0m，最小埋深約為14.93m，隧道穿越約350m寬的漢江，區(qū)間最小平曲線半徑350m，最大坡度25.634‰。

琴武區(qū)間隧道穿越主要地層為3-5粉質(zhì)黏土夾粉砂（約20%）、4-1a粉質(zhì)黏土（約12%）、4-2粉細(xì)砂（約40%）、20a-1強風(fēng)化泥巖（約5%）、20a-2中等風(fēng)化泥巖（約10%）、其余為細(xì)沙、礫石等（約13%）。在350m寬穿越漢江地段，地層范圍內(nèi)主要為4-2b黏土、4-3中砂、20a-1強風(fēng)化泥巖、20b-1強風(fēng)化破碎泥巖。

琴武區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)機從琴臺站始發(fā)，穿越漢江后到達(dá)武勝路站，泥水處理系統(tǒng)布置在鐘家村豎井圍擋內(nèi)。該區(qū)間從管片外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，環(huán)寬1500mm，分度22.5°，開挖直徑6470mm。

泥水加壓盾構(gòu)工法的基本原理是：經(jīng)過合理調(diào)整比重、壓力和流量的泥漿被送入盾構(gòu)機的開挖倉，與切削后的泥土混合后被排出，經(jīng)流體輸送設(shè)備輸送至泥水處理站分離出泥土，并調(diào)整泥漿比重后再次循環(huán)使用。該標(biāo)段進(jìn)、排漿管路的直徑設(shè)計為DN300mm，設(shè)計的進(jìn)漿最大流量為900m3/h，排漿最大流量為950m3/h。

2 泥水環(huán)流系統(tǒng)工作模式

泥水環(huán)流系統(tǒng)工作模式主要分為旁通模式、掘進(jìn)模式、保壓模式、管路延伸模式和逆沖洗模式。

2.1 旁通模式

旁通模式如圖1所示，進(jìn)漿閥V31和排漿閥V51關(guān)閉，旁通閥V41開啟。地面泥漿池的膨潤土漿液經(jīng)進(jìn)漿泵送入盾構(gòu)機后并不進(jìn)入開挖艙，而是通過旁通閥V41后直接進(jìn)入排漿管，從而返回地面泥漿池。掘進(jìn)模式、逆沖洗模式、保壓模式和管路延伸模式相互切換時都必須通過旁通模式。

圖1 旁通模式

2.2 掘進(jìn)模式

掘進(jìn)模式如圖2所示，進(jìn)漿閥V31和排漿閥V51開啟，旁通閥V41關(guān)閉。在正常掘進(jìn)時，新鮮的膨潤土漿液由地面不斷地輸送進(jìn)來，以確保與開挖倉中的切削下來的渣土混合。排漿泵將開挖下來的渣土與膨潤土漿液一起泵送到地面的泥水分離設(shè)備。

2.3 保壓模式

保壓模式如圖3。在長時間停機的情況下，泥水倉內(nèi)可能發(fā)生泥漿的損失，為了保持掌子面的壓力需要對泥水倉內(nèi)的泥漿液位進(jìn)行控制，必要時應(yīng)進(jìn)行液位補充，膨潤土罐中的膨潤土由壓縮空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供的壓力來補償開挖倉內(nèi)的壓力損失，相當(dāng)于替代型氣墊倉功能。

圖2 掘進(jìn)模式

圖3 保壓模式

2.4 管路沿伸模式

管路延伸模式如圖4所示，為了能在掘進(jìn)過程中對管路進(jìn)行延伸，需通過延伸裝置周期性對進(jìn)排漿管路進(jìn)行加長。管路延伸模式下?lián)Q管處的閥V33和V53以及離換管處最近的閘閥關(guān)閉，進(jìn)排漿管路中剩余的漿液流入收集槽內(nèi)，通過渣漿泵將漿液排入氣墊倉內(nèi)。管路延伸方式通常有活塞式和軟管卷盤式兩種。

圖4 管路沿伸模式

2.5 逆沖洗模式

逆沖洗模式如圖5所示，閥V31和V48關(guān)閉，V41和V51開啟，該模式在開挖倉底部沉渣較多或排漿管路堵塞的情況下使用。前方進(jìn)漿噴嘴全部關(guān)閉，新鮮的膨潤土漿液直接通過旁通閥進(jìn)入排漿管，對排漿管或者開挖倉底部進(jìn)行沖刷。隨著工作倉內(nèi)膨潤土漿液的增加，為維持壓力平衡，需將此部分漿液排出，即通過反向沖洗管路由P2.1 泵排出。

圖5 逆沖洗模式

3 泥水環(huán)流系統(tǒng)容量計算

3.1 基本參數(shù)

武漢地鐵6號線一期10標(biāo)標(biāo)段工程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 武漢地鐵6號線一期10標(biāo)標(biāo)段工程數(shù)據(jù)

出渣量：

排漿流量：

進(jìn)漿流量：

3.2 環(huán)流系統(tǒng)臨界流速

設(shè)計流速是指設(shè)計充滿管道內(nèi)的水流平均速度。為了防止管道中產(chǎn)生淤積或過度沖刷，設(shè)計流速應(yīng)處于最大和最小設(shè)計流速范圍之內(nèi)。最小設(shè)計流速是保證管道內(nèi)不致發(fā)生淤積的控制流速，含有大顆粒的管道，最小設(shè)計流速宜適當(dāng)加大，其值根據(jù)試驗或經(jīng)驗值決定，此流速由臨界流速計算可得；最大設(shè)計流速與管材相關(guān)，是保證管道不因長期劇烈沖刷而縮短運行壽命的控制流速。通常，金屬管道的最大設(shè)計流速為10m/s，非金屬管道的最大設(shè)計流速為5m/s。

通常設(shè)計流速取值范圍為2～5m/s。設(shè)計流速不宜過大，因為管道中的阻力將隨速度的平方而增大，管道的磨損也將隨速度的提高而顯著加劇，導(dǎo)致管路使用成本增高。管道阻力的增大，就要提高輸送泵的功率，從而增高能源消耗費用。

根據(jù)流體的流量和流速的大小，管路的直徑可按式（1）計算：

式中：d為管路的直徑，mm； Q為管路的流量，L/min；V為管路的流速，。

取Q=900m3/h=15000 L/min，V=4m/s ，經(jīng)過計算得d≥282mm，因此取d-300mm。

為了保證管道內(nèi)無沉淀，必須保證管道內(nèi)具有一定的流速。進(jìn)排泥漿管路內(nèi)的臨界流速可按Durand公式（2）計算：

3.3 進(jìn)漿系統(tǒng)設(shè)計計算

3.3.1 進(jìn)漿流速與流量的計算

根據(jù)式（2），取FL-0.8，g-9.8m/s2，d-=0.3m，計算可得進(jìn)漿管的臨界流速為：

進(jìn)漿管的最低流量可按式（3）計算：

式中：Q進(jìn)min為進(jìn)漿管的最低流量，m3/h；d為管路的直徑，m；v為管路的臨界流速，m/s。

3.3.2 進(jìn)漿揚程的計算

進(jìn)漿揚程可按式（4）計算：

式中：H進(jìn)為進(jìn)漿揚程，m；為隧道的最大埋深，m；為泥水艙壓力為管路阻力的損失揚程，m；的損失揚程，m。

3.3.3 進(jìn)漿泵功率及數(shù)量的計算與選型

進(jìn)漿的功率按式（5）計算：

式中：P進(jìn)為進(jìn)漿功率，kW；ρ為泥漿的密度，kg/ m3；g 為重力加速度，m/ s2；Q為泵的流量，m3/s；H 為泵的揚程，m；η為泵的效率。

故進(jìn)漿泵的功率選定為315kW或者400kW均滿足要求。

3.4 排漿系統(tǒng)設(shè)計計算

3.4.1 排漿流速與流量的計算

排漿管的最低流量可按式（6）計算：

式中：Q排min為排漿管的最低流量，為管路的直徑，m；v 為管路的臨界流速，m s /。

3.4.2 排漿揚程的計算

排漿揚程可按（7）式計算：

式中：H排為排漿揚程，m；Ha為隧道的最大埋深，m；Hv為管路阻力的損失揚程，m；Hw為泥水艙壓力的損失揚程，m；Hs為泥水分離站到井口的高度，m。

在標(biāo)段中，隧道的最大埋深為43m，因此取Ha=43m。排漿管路的總長度同進(jìn)漿系統(tǒng)，為2600m。根據(jù)經(jīng)驗公式，排漿管路中每100m損失6m揚程，泥水艙壓力損失揚程為Hw=-30m。泥水分離站到進(jìn)口的高度，計算可得：

3.4.3 排漿泵功率及數(shù)量的計算與選型

排漿的功率按（8）式計算：

式中：P排為排漿功率，kW；ρ為泥漿的密度，為重力加速度，為泵的流量，m s；3/H 為泵的揚程，m；η為泵的效率。

故排漿泵的功率選定為400kW，滿足要求。

本設(shè)計計算中進(jìn)排漿泵的功率和揚程為理論計算值，并且沒有考慮90°彎頭、45°彎頭、各種閥門等對管路沿程損失的影響，同時，在實際施工中由于泥水分離效果無法達(dá)到設(shè)計值導(dǎo)致泥漿密度增大、泵的實際工作效率達(dá)不到設(shè)計值等，都將導(dǎo)致實際的泵功率比理論計算值大。因此，為了滿足實際施工需求，泥水環(huán)流系統(tǒng)配置的泵功率都應(yīng)該預(yù)留安全系數(shù)，以應(yīng)對施工中各種工況。

4 結(jié)語

本論文通過對泥水平衡盾構(gòu)施工泥水環(huán)流系統(tǒng)的介紹和設(shè)計計算，為泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)的設(shè)備選型、采購、操作、維保等提供了依據(jù)，同時也為后續(xù)工程系統(tǒng)的設(shè)計計算提出了參考。該標(biāo)段工程施工已經(jīng)順利結(jié)束，證明設(shè)計計算完全滿足實際施工的要求。但同時應(yīng)看到施工中的實際工況與理論工況存在較大差別，必須結(jié)合地質(zhì)、環(huán)境、水文等因素對泵功率和揚程保留足夠的安全系數(shù)，并結(jié)合工程施工經(jīng)驗，才能保證泥水環(huán)流系統(tǒng)在隧道掘進(jìn)的過程中高效穩(wěn)定的運行。

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