泥水盾構(gòu)砂層掘進防止泥漿箱砂子沉淀裝置技術(shù)應用
——以中俄原油管道二線盾構(gòu)穿越工程為例

張培康，劉小林，馬元帥，王新建，趙雪峰

中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

1. 工程概況

嫩江盾構(gòu)穿越工程為中俄原油管道二線工程的控制性工程，采用盾構(gòu)隧道方式穿越，穿越長度1245 m，內(nèi)徑3.08 m。穿越點位于黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)莫力達瓦達斡爾族自治旗哈達陽鎮(zhèn)交界處，穿越中線與嫩林鐵路大橋相鄰，左岸為黑龍江省的嫩江縣，北岸為始發(fā)井，南岸為接收井。穿越地層主要為全風化安山巖、圓礫巖、中砂巖、細砂巖層，透水性好。長距離的砂層掘進，在盾構(gòu)施工中難度非常高，將考驗泥水分離對泥漿中砂子的處理能力，泥漿箱是否堵塞關系到掘進能否正常進行，以致影響工程的施工進度。因此，在長距離砂層掘進施工中，防止泥漿箱砂子沉淀是關系到工程能否按期完工的關鍵。

2. 泥漿箱砂子沉淀原因分析

1) 掘進速度快。砂層掘進速度快，往往短時間(30 min)就完成1環(huán)的掘進，因此大量的砂子被泥漿攜帶至泥漿管路內(nèi)，再輸送到泥水處理系統(tǒng)，導致大量砂子需要處理。

2) 泥水處理能力不足。泥水處理系統(tǒng)中的砂子需在短時間內(nèi)處理完成，但由于處理能力有限，大部分砂子隨泥漿回流到泥漿箱未被處理，需要泥漿二次循環(huán)處理，以至于砂子在泥漿箱反復沉淀，越積越多。

3) 各個泥漿箱內(nèi)泥漿不能有效形成循環(huán)。砂子質(zhì)量大且不溶于泥漿，循環(huán)阻力大，導致泥漿流速慢，沒有形成有效的循環(huán)，砂子大量沉淀在泥漿箱內(nèi)。

3. 泥漿箱防砂子沉淀改進措施

針對整個泥漿循環(huán)，環(huán)流是盾構(gòu)出渣的有效攜帶介質(zhì)，在管路中因泵送力的存在，不能停止，便不能產(chǎn)生沉淀。而泥水處理卻是整個系統(tǒng)最易分離、沉淀的環(huán)節(jié)，針對泥漿箱內(nèi)泥漿處于靜止狀態(tài)的特點，設計沖洗系統(tǒng)裝置使泥漿處于循環(huán)流動狀態(tài)，避免砂子沉淀[1]。

3.1. 系統(tǒng)組成

沖洗系統(tǒng)由渣漿泵、管路、閥門、孔管4部分組成[2]。渣漿泵作為整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵部位提供沖洗動力；管路作為沖洗循環(huán)的線路，通過布置，引導環(huán)流系統(tǒng)運行；閥門控制沖洗循環(huán)，根據(jù)實際需要選擇所要沖洗的泥漿箱；孔管為渣漿泵排漿的出口，利用小孔徑增大沖洗壓力，避免砂子沉淀。

3.2. 方案實施

3.2.1. 渣漿泵安裝

渣漿泵的安裝位置可根據(jù)泥漿箱沖洗裝置整體布置圖(圖1)進行安裝，安裝時做好平臺，避免在使用過程中產(chǎn)生振動，對泵造成損壞，影響系統(tǒng)使用。

Figure 1. The overall layout of mud tank flushing device圖1. 泥漿箱沖洗裝置整體布置圖

3.2.2. 沖洗管路布置

渣漿泵就位后，泵的進口與2個泥漿箱連接，其接口位置位于泥漿箱高度的1/2處，管口在泥漿箱內(nèi)朝下20 cm；渣漿泵出口分為3路進入泥水分離下的3個泥漿箱內(nèi)，泥漿箱內(nèi)分別布置直徑為89 mm的管道，管道上每間隔20 cm打直徑為5 mm的孔，排孔延0?和45?方向排成2排。渣地漿泵出口的3路管路在進入泥漿箱前，分別通過單獨的閥門控制，實現(xiàn)根據(jù)需要選擇沖洗相應的泥漿箱。

3.2.3. 漿液控制

在使用中，3個泥漿箱均是相互連通的，能實現(xiàn)液位平衡和漿液自動回流的功能，最終確保沖洗的漿液能回到渣漿泵吸口的泥漿箱內(nèi)，建立起循環(huán)。

3.2.4. 循環(huán)操作

1) 定期啟動。每掘進2環(huán)(2.4 m)啟動循環(huán)系統(tǒng)，觀察泥漿箱內(nèi)砂子的稠密度，視沉淀情況關閉循環(huán)系統(tǒng)，在觀察中盡量用打撈器試探砂子沉淀情況。

2) 根據(jù)密度啟動。在砂層掘進過程中，每個階段漿液的密度都不同，加強泥漿漿液密度監(jiān)測，當漿液密度超過1.2 g/cm3時，必須啟動循環(huán)系統(tǒng)，避免砂子沉淀，當漿液密度下降后即可停止循環(huán)。

3) 特殊情況下啟動。在施工過程中，如因其他方面原因需要暫時停止盾構(gòu)掘進環(huán)流系統(tǒng)時，為避免停機造成砂子沉淀，可開啟沖洗循環(huán)系統(tǒng)，為掘進環(huán)流系統(tǒng)提供保障。

3.2.5. 故障排查

1) 渣漿泵故障處理。渣漿泵在運行過程中容易出現(xiàn)電機過熱、皮帶磨損、泵密封漏漿、泵磨損等問題，在檢查過程中需仔細觀察和測試，及時解除上述問題。

2) 管路堵塞。對于管路堵塞，在系統(tǒng)運行中需及時觀察泥漿箱內(nèi)的漿液流動情況。如漿液流動情況較差或者根本不動時，需及時啟閉管道上的閥門反復沖洗、清理管道內(nèi)的堵塞，必要時可接通壓縮空氣機進行吹洗，達到管路暢通的目的。

3) 閥門故障。檢查閥門的啟閉狀況與實際是否一致，判定閥門是否損壞。在循環(huán)時，若先關閉閥門，后關閉渣漿泵，可能造成管路壓力上升，致使閥門啟閉困難，該情況不為閥門故障，操作時注意泄壓。

4. 泥漿箱防砂子沉淀裝置優(yōu)點

1) 系統(tǒng)的沖刷面達到全方位、無死角。

2) 在系統(tǒng)使用過程中，泥漿箱砂子沉淀次數(shù)為零。

3) 循環(huán)系統(tǒng)的使用效率提高，同時免除了操作人員清理泥漿箱的繁瑣工作。

5. 結(jié)語

中俄原油管道二線嫩江盾構(gòu)隧道全長1245 m，有將近400 m砂層。針對泥漿箱砂子沉淀的問題，從根本點出發(fā)，充分利用項目現(xiàn)有的各種資源，對其進行改造利用，避免了泥漿箱砂子沉淀，有效確保施工進展，具有較大的創(chuàng)新意義，為今后砂層施工提供借鑒。

[1] 陳相宇. 盾構(gòu)施工引起的富水地層孔隙水壓力反應分析及控制研究[D]: [碩士學位論文]. 長沙: 中南大學, 2014.

[2] 史宏軍. 牡丹江站減速頂大修改造工程概述[J]. 鐵路節(jié)能環(huán)保與安全衛(wèi)生, 2006, 33(2): 84-85.