復(fù)合地層泥水盾構(gòu)環(huán)流關(guān)鍵參數(shù)選擇探析

李新月

(黔張常鐵路有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410008)

0 引言

受地層特性的影響，泥水盾構(gòu)在連續(xù)穿越軟弱地層、土巖復(fù)合地層、基巖及其破碎帶等不同地段時，由于泥水輸送參數(shù)控制十分不便，給盾構(gòu)掘進(jìn)過程帶來諸多不利影響。在泥漿環(huán)流系統(tǒng)設(shè)備選型、泥漿環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與盾構(gòu)掘進(jìn)的匹配性等方面，國內(nèi)學(xué)者開展了許多研究工作。文獻(xiàn)[1]結(jié)合武漢長江隧道計算了泥水輸送臨界流速與盾構(gòu)最大掘進(jìn)速度時泥漿泵的流量與揚程，以確定進(jìn)、排漿泵的配置； 文獻(xiàn)[2]研究了泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)、排漿系統(tǒng)的管徑、壓力選擇及系統(tǒng)控制方式； 文獻(xiàn)[3]從管道直徑、流量、渣漿密度、閥門和彎頭等因素出發(fā)，對管路壓力損失的影響進(jìn)行分析，對泥水輸送系統(tǒng)的揚程損失進(jìn)行計算，并根據(jù)計算結(jié)果最終確定了泥漿泵的揚程； 文獻(xiàn)[4]結(jié)合南京地鐵10號線盾構(gòu)隧道工程，研究了不同材質(zhì)、流速、泥漿密度及泥漿中固體顆粒大小等因素對泥漿輸送管道磨損的影響，針對性地提出了減小管路磨損的技術(shù)措施； 文獻(xiàn)[5]研究了泥水循環(huán)系統(tǒng)的選型原理、系統(tǒng)配置原則及泥水循環(huán)參數(shù)計算方式； 文獻(xiàn)[6]研究了管道入口流速、渣土粒徑、泥漿密度和黏度對泥漿管路壓力損失和渣土輸送速度的影響規(guī)律； 文獻(xiàn)[7]研究了不同粒徑、不同體積分?jǐn)?shù)和不同輸送速度條件下粗顆粒在管道中的水力學(xué)特性，并擬合得到粗顆粒運動狀態(tài)的判定參數(shù)； 文獻(xiàn)[8]研究了在不同流速、粒徑和體積分?jǐn)?shù)條件下，粗顆粒堵管的臨界條件及其安全輸送的方法； 文獻(xiàn)[9]研究了顆粒組分特性與揚礦硬管輸送速度之間的規(guī)律； 文獻(xiàn)[10-11]結(jié)合泥漿環(huán)流參數(shù)，分析計算泥漿泵性能參數(shù)，指導(dǎo)設(shè)備選型。上述文獻(xiàn)在結(jié)合工程開展泥漿環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)選取時，尚未考慮地層特性對泥漿環(huán)流的影響，將泥漿視為均勻顆粒流體。但在實際施工過程中，泥水盾構(gòu)在基巖及基巖破碎地層掘進(jìn)時容易出現(xiàn)滯排和艙內(nèi)積碴，進(jìn)而導(dǎo)致刀具、刀盤二次磨損，影響盾構(gòu)長距離掘進(jìn)。

不同土層中盾構(gòu)掘進(jìn)施工的關(guān)鍵技術(shù)是泥漿送、排量的控制，關(guān)鍵指標(biāo)是固液兩相流管道水力輸送設(shè)計時的臨界沉淀流速。當(dāng)實際運行流速大于臨界沉淀流速時，資源消耗大，不經(jīng)濟(jì)； 當(dāng)實際運行流速小于臨界沉淀流速時，泥漿管底開始出現(xiàn)固體顆?；瑒?、推移運動，有時出現(xiàn)層移運動，對泥漿管路、盾構(gòu)刀盤不利。本文結(jié)合獅子洋隧道不同地質(zhì)條件，研究不同地層條件下碴土顆粒對泥水盾構(gòu)泥漿送、排量的影響，確定不同地層條件下泥漿輸送參數(shù)控制指標(biāo)，以解決泥水盾構(gòu)通過不同地層時的碴土排放問題。

1 工程概況

1.1 獅子洋隧道工程

廣深港高速鐵路連接廣州、深圳，并接入香港，是京港大通道的組成部分，在國家鐵路網(wǎng)中具有重要意義。獅子洋隧道是該線的控制性工程，隧道在虎門大橋上游約10 km處，下穿獅子洋、小虎瀝和沙仔瀝等珠江水系。隧道全長10.49 km，其中水下段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道段長9 340 m。隧道采用雙孔單線結(jié)構(gòu)斷面，管片襯砌內(nèi)徑9.8 m，外徑10.8 m。獅子洋隧道平面圖如圖1所示。

圖1 獅子洋隧道平面圖

1.2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為海陸交互相沉積的淤泥層〈2〉2、淤泥質(zhì)土層〈2〉3、沖積形成的黏性土層〈3〉1及粉細(xì)砂層〈3〉3或中粗砂層(層號為〈3〉4、〈3〉5)。隧道在DK34+900～DK41+980段穿越巖石強風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶。隧道縱坡呈“V”型布置，盾構(gòu)穿越基巖(W2地層)、半巖半土軟硬不均地層及第四系覆蓋地層的比例分別為73.3%、13.3%、13.4%。隧道縱斷面圖如圖2所示。

圖2 獅子洋隧道縱斷面示意圖

根據(jù)地質(zhì)勘察分析的結(jié)果，弱風(fēng)化巖石天然抗壓強度為6.54～82.80 MPa，飽和抗壓強度為3.10～78.70 MPa。

盾構(gòu)穿越第四系粉細(xì)砂層石英含量為10.25%～28.4%； 第四系中砂層石英含量為14.7%～97.41%； 粗礫砂層石英含量為17.5%～99.45%，離散性大； 第四系圓礫土層石英含量為9.95%～31.1%。第四系地層顆粒分析情況見表1。

表1 第四系不同地層石英含量統(tǒng)計表

盾構(gòu)穿越巖石強風(fēng)化帶—弱風(fēng)化帶，根據(jù)顆粒分析結(jié)果，黏粒含量為3.0%～31.9%，粉粒含量為23.3%～47.6%，石英含量為21.7%～76.01%，離散性較大。

1.3 盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)

獅子洋隧道采用氣墊式泥水加壓復(fù)合盾構(gòu)。盾構(gòu)開挖輪廓直徑為11.182 m，刀盤開口率為32%，刀盤開口限制進(jìn)入切削艙的最大石塊粒徑不大于0.5 m。剝落的粒徑大于0.5 m的巖塊留在刀盤前面，由刀具切割或刀盤壓碎后進(jìn)入泥水艙。盾構(gòu)掘進(jìn)期間進(jìn)漿流量為1 190 m3/h，排漿流量為1 420 m3/h，送、排漿管直徑為40.64 cm(內(nèi)徑為387 mm)，進(jìn)漿密度為1.1 t/m3，排漿密度為1.3 t/m3。每臺盾構(gòu)分3級，共設(shè)置6臺排漿泵。

2 泥漿送、排量控制方式

泥水平衡盾構(gòu)施工以泥水平衡原理為基礎(chǔ)，通過控制和調(diào)整泥水艙和氣墊艙的泥漿送、排量和掘進(jìn)速度來確定排土量。泥漿送、排量和掘進(jìn)速度相協(xié)調(diào)，使開挖泥土能夠順利排出，否則會影響掘進(jìn)速度、泥水壓力穩(wěn)定和設(shè)備狀況。在施工過程中，泥水盾構(gòu)進(jìn)漿流量、排漿流量一般按開挖體積控制和臨界沉淀流速控制2種工況進(jìn)行計算，并按照最不利工況控制。

2.1 開挖體積控制

在軟弱地層中施工，掘進(jìn)速度基本均勻一致，盾構(gòu)開挖體積變化不大，因此泥水艙進(jìn)漿密度、排漿密度基本固定，單位時間內(nèi)的進(jìn)、排漿量計算公式分別如下：

Q1+V=Q2;

(1)

C1Q1+G=C2Q2。

(2)

式中：Q1為單位時間內(nèi)的進(jìn)漿量，m3；V為開挖量，m3；Q2為單位時間內(nèi)的排漿量，m3；C1為進(jìn)漿密度，t/m3；G為開挖土體質(zhì)量，t；C2為排漿密度，t/m3。

2.2 臨界沉淀流速控制

在軟硬不均地層盾構(gòu)施工過程中，掘進(jìn)開挖會產(chǎn)生較大的塊體，泥漿管內(nèi)輸送顆粒相對較大，送排漿相當(dāng)于固-液兩相流管道水力輸送。在實際運行過程中，管內(nèi)流速小于臨界沉淀流速時，管道底部發(fā)生淤積，管道無法輸送。管內(nèi)臨界沉淀流速可通過臨界不淤流速儀配合電磁流量計測定，當(dāng)顆粒在管底出現(xiàn)間斷跳動時，若流速進(jìn)一步降低，固體顆粒在管底開始出現(xiàn)固定床面層，此時對應(yīng)的流速即為臨界沉淀流速。

臨界沉淀流速的主要影響因素包括渾水泥沙含沙量、輸水管徑、泥沙密度和顆粒粒徑等。通過對前期大量渾水管道試驗數(shù)據(jù)分析可以得出： 當(dāng)管徑、泥沙密度等一定時，臨界沉淀流速隨含沙量的增大而增大； 當(dāng)含沙量和泥沙密度不變時，臨界沉淀流速隨管徑的增大而增大； 當(dāng)含沙量和管徑一定時，臨界沉淀流速隨泥沙顆粒密度的減小而減小，隨固體顆粒粒徑的增大而增大。具體計算方法如下。

2.2.1 均勻顆粒臨界沉淀流速計算方法

臨界沉淀流速根據(jù)流動狀態(tài)不同有不同的計算方法，其中均勻顆粒臨界流速公式較多。由于試驗條件不同，公式中給定的適用范圍也不同，目前還沒有統(tǒng)一的表達(dá)式，其中代表性的有杜蘭德公式和維克斯在瓦斯普等人資料基礎(chǔ)上推導(dǎo)的淤積流速公式。盾構(gòu)隧道泥漿排放與杜蘭德公式適用范圍基本一致，計算公式如下[12]：

(3)

式中：VL為均勻顆粒臨界沉淀流速，m/s；FL為固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及粒徑的函數(shù)； g為重力加速度，m/s2；D為管道直徑，mm；γs為懸浮顆粒的密度，t/m3；γ為液體密度(泥水密度)，t/m3。

式(3)中的FL為固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及粒徑的函數(shù)，當(dāng)粒徑小于1 mm時，顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑對液體密度有影響； 當(dāng)粒徑大于1 mm時，其影響較弱； 當(dāng)粒徑大于2 mm時，不管系統(tǒng)性質(zhì)如何，F(xiàn)L為一個常數(shù)。因此該公式不適用于非均勻顆粒。

2.2.2 非均勻顆粒臨界沉淀流速計算方法

非均勻顆粒臨界沉淀流速計算公式最早是1979年西德的卡察斯基在研究水力輸送煤、礦砂時提出的，我國清華大學(xué)水利系泥沙研究室的王可欽、原武漢水利科技大學(xué)的張興榮等在進(jìn)行了相關(guān)的觀測、研究及推導(dǎo)后，也比較早地提出了相應(yīng)的計算公式。

對于非均勻顆粒的泥水輸送可以參照非均勻顆粒的臨界沉淀流速計算，計算公式如下[12]：

(4)

2.2.3 費祥俊模型試驗公式

清華大學(xué)水力系費祥俊教授通過多年的試驗和研究，在原來計算公式的基礎(chǔ)上給出了與現(xiàn)場試驗更為吻合的計算模型，稱為費祥俊模型，計算公式如下：

(5)

由式(5)可以看出，費祥俊模型考慮的因素比較全面，充分考慮了固體顆粒和管道阻力的影響。

3 獅子洋隧道盾構(gòu)施工泥漿送、排量分析

3.1 泥漿送、排量控制參數(shù)計算

3.1.1 體積控制參數(shù)

3.1.2 軟弱地層臨界沉淀流速計算

通過臨界沉淀流速和管道斷面面積計算的排漿流量大概為1 400 m3/h，基本符合工程現(xiàn)場實際的泥水輸送速度，但有時實際流量在1 000 m3/h也可正常掘進(jìn)，即軟弱地層下盾構(gòu)掘進(jìn)需要的真正臨界沉淀流速更易選擇和控制。

3.1.3 軟硬不均地層臨界沉淀流速計算

在軟硬不均地層，因地層采用滾刀破巖，刀間距一般較大，當(dāng)?shù)貙恿严栋l(fā)育時，地層巖塊剝落，泥水管路輸送的塊石的粒徑較大。獅子洋隧道泥漿排放的最大粒徑取100 mm(排漿管前格柵的最小開口尺寸)，中值粒徑D50按10 mm計算，由于泥漿中顆粒粒徑差異性較大，泥水不能按均勻流體考慮，結(jié)合獅子洋隧道的泥水輸送系統(tǒng)參數(shù)，計算臨界沉淀流速

通過臨界沉淀流速和管道斷面面積計算的排漿流量達(dá)到3 500 m3/h，與實際工程現(xiàn)場的泥水輸送速度出入較大，管內(nèi)將出現(xiàn)紊流，粒徑100 mm的渣塊就不會摩擦管路底部，即與實際施工情況不符。

3.1.4 費祥俊模型試驗公式驗算

2.55 m/s。

通過臨界沉淀流速和管道斷面面積計算的排漿流量為1 080 m3/h，與實際軟弱地層中掘進(jìn)的流量基本相符。

通過臨界沉淀流速和管道斷面面積計算的排漿流量達(dá)到4 000 m3/h，與實際排漿流量相差更大，但與采用式(4)的計算結(jié)果出入不大，說明要輸送大粒徑巖塊，需要更大的漿液流速和流量，才能避免管路的大量磨損。

3.2 泥漿輸送量控制方式分析

由上述計算結(jié)果可知，采用不同的計算模型得到的最小流速不同。從管道輸送的規(guī)律看，輸送的非均勻顆粒中粗顆粒增多時，必須提高管道輸送速度，以避免顆粒大量沉淀、推移運動，影響管道輸送效率。盾構(gòu)設(shè)計時一般按均勻流進(jìn)行設(shè)計，但在獅子洋隧道建設(shè)過程中，由于無法滿足施工要求，需根據(jù)現(xiàn)場情況增加排漿能力、增大排漿流速。

在排漿量不低于1 139.1 m3的條件下，可以計算出臨界沉淀流速對應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)時間約為50 min，在綜合考慮進(jìn)、排漿密度和一定的富余量后的盾構(gòu)掘進(jìn)時間約為60 min。從盾構(gòu)在不同地層的掘進(jìn)速度看，在軟弱地層盾構(gòu)的掘進(jìn)時間基本在60 min左右，即一般情況下在軟弱地層盾構(gòu)掘進(jìn)時的泥漿排漿量約為1 200 m3/h； 在某些特殊軟土地層條件下，盾構(gòu)可在泥漿排漿量為1 000 m3/h以下時正常掘進(jìn)。

在軟硬不均地層，隧道的掘進(jìn)時間一般在2～3 h，按上述開挖體積控制的流量計算，排漿管的泥漿流速顯然低于最小沉淀流速，巖塊在管路中做推移運動，實際巖塊的運送速度更小于漿液流速，一方面造成了管路的大量磨損，另一方面大大延長了每環(huán)的掘進(jìn)時間，而且也是造成滯排和堵艙的主要原因。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合獅子洋隧道盾構(gòu)工程，對泥水平衡盾構(gòu)施工過程中泥漿送、排量的影響機制和計算方法進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)通過對比費祥俊模型試驗公式的計算結(jié)果與臨界沉淀流速計算方法的計算結(jié)果，驗證了臨界沉淀流速計算方法應(yīng)用于泥水盾構(gòu)施工泥漿送、排量計算的合理性和準(zhǔn)確性。

2)通過對管路流體臨界沉淀流速的理論計算，以及盾構(gòu)掘進(jìn)實際情況的對比分析，對泥漿在不同地層掘進(jìn)的臨界流速進(jìn)行了相對全面的論證，一方面，為獅子洋隧道在軟硬不均地層掘進(jìn)時及時調(diào)整泥漿輸送量以及流速提供了有力的理論依據(jù)； 另一方面，也為復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)工程建設(shè)施工提供了一些參考和改進(jìn)建議。

3)提出了在復(fù)合地層泥水盾構(gòu)施工時，應(yīng)加大泥漿輸送量的建議，以減少輸送顆粒在排漿管內(nèi)滑移、平動，同時減少艙內(nèi)積碴和泥漿管的磨損。

下一步，建議在實際盾構(gòu)項目施工過程中，除了采取上述建議和措施外，對泥水盾構(gòu)配套的泥漿系統(tǒng)設(shè)備的選擇和改造進(jìn)行研究，如泥水系統(tǒng)泵送設(shè)備功率的選擇，泥水管路角度、弧度的設(shè)計與布置的改造等。

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