盾構(gòu)機(jī)泥漿環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

陳黃騰

摘 要：本文以廣州地鐵十八號線工程為依托，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的泥漿環(huán)流設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際的使用情況和使用效果，指出了泥漿環(huán)流系統(tǒng)存在的問題，并提出了改進(jìn)措施及要求，對泥漿環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。其間結(jié)合現(xiàn)場施工情況，分析了泥水環(huán)流系統(tǒng)使用過程中泥漿沖刷管路流量設(shè)計(jì)以及功能設(shè)計(jì)存在的問題，給出了改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：泥漿環(huán)流系統(tǒng);管路;流量設(shè)計(jì);功能設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0084-04

Analysis on the Design of Mud Circulation System of Shield Machine

CHEN Huangteng

（Urban Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， of China Railway 15th Bureau Group，Guangzhou Guangdong 510000）

Abstract： Based on the Guangzhou Metro Line 18 project， according to the mud circulation design parameters of the shield machine， combined with the actual use situation and use effect on site， this paper pointed out the problems of the mud circulation system， proposed improvement measures and requirements， and improved the mud circulation system. In the meantime， combined with the on-site construction situation， the problems existing in the flow design and functional design of the mud scouring pipeline during the use of the mud water circulation system were analyzed， and improvement measures were given.

Keywords： mud circulation system;pipeline;flow design;function design

在城市地鐵隧道施工中，盾構(gòu)法的使用越來越廣泛[1-2]，隨著盾構(gòu)法的廣泛使用，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展也越來越迅速，盾構(gòu)施工技術(shù)越來成熟。近三十年來，大斷面、穿越高水壓、高滲透地層的隧道越來越多，泥水盾構(gòu)憑借穩(wěn)定的處理效率，成為隧道施工的首選[3-5]。本文以廣州地鐵十八號線的地質(zhì)條件和進(jìn)行施工的兩臺泥水盾構(gòu)機(jī)為依托，結(jié)合現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，對現(xiàn)場地層施工存在的問題進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)區(qū)間概況

橫瀝站～HP1盾構(gòu)井盾構(gòu)區(qū)間左線長為2 601.475 m，右線長為2 610.788 m，采用2臺泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在橫瀝站大里程端始發(fā)，自HP1號盾構(gòu)井吊出。區(qū)間最大轉(zhuǎn)彎半徑為1 800 m。

1.2 地質(zhì)條件概況

橫瀝站～HP1盾構(gòu)井區(qū)間地質(zhì)情況如圖1所示。盾構(gòu)掘進(jìn)地層主要為<2-1A>淤泥、<6H>全風(fēng)化花崗巖，其是由<2-1A>淤泥、<3-1>粉細(xì)砂、<3-2>中粗砂、<3-4>圓礫、<5H-1>砂質(zhì)黏性土、<6H>全風(fēng)化花崗巖組成的復(fù)雜地層。隧道埋深設(shè)計(jì)為33.3 m。

2 泥漿環(huán)流系統(tǒng)

2.1 泥漿環(huán)流系統(tǒng)工作原理

本文介紹的盾構(gòu)機(jī)為間接控制型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。間接控制型泥水系統(tǒng)由空氣和泥水雙重系統(tǒng)組成。其在盾構(gòu)泥水倉設(shè)置一道前隔板，將泥水倉分隔為開挖倉和氣墊倉前后兩部分，在開挖倉內(nèi)充滿壓力泥漿，氣墊倉上部加入壓縮空氣，形成氣壓緩沖層。進(jìn)漿泥漿泵從地面泥水調(diào)整池將有壓力的泥水輸入盾構(gòu)機(jī)泥水室，在泥水室與開挖的泥砂混合后形成比重較高的泥漿，再由排漿泥漿泵輸送至配套的泥水處理場地。

2.2 泥漿環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

泥漿環(huán)流系統(tǒng)主要由碎石機(jī)（或攪拌器）、進(jìn)排泥漿泵、進(jìn)排泥漿管、采石箱、控制閥門（液動球閥、氣動球閥、閘閥等）、管路延伸機(jī)構(gòu)、中繼泵、地表儲漿池等部件組成。下面對其重要部件加以分析。

2.2.1 碎石機(jī)。碎石機(jī)用于對大塊的石頭進(jìn)行破碎，保證泥漿循環(huán)的順暢。在泥水盾構(gòu)機(jī)的氣墊倉底部排漿管的入口處，一般布置有碎石機(jī)和格柵。

2.2.2 進(jìn)漿泥漿管路。泥漿經(jīng)過主進(jìn)漿管到達(dá)液動球閥V51進(jìn)入氣動球閥V30，經(jīng)過V30后分成以下六部分。

2.2.2.1 刀盤頂部沖洗。泥漿經(jīng)過氣動球閥V30后，有一部分經(jīng)過DN150管路，分別通過氣動球閥V11和V10到達(dá)開挖倉，對刀盤頂部左右兩側(cè)進(jìn)行沖洗。

2.2.2.2 刀盤中心沖洗。泥漿經(jīng)過氣動球閥V30后，有一部分被刀盤中心沖洗泥漿泵P0.1抽走，經(jīng)過DN150管路、中心回轉(zhuǎn)體，對刀盤中心開挖部位進(jìn)行沖洗。

2.2.2.3 氣墊倉底部進(jìn)漿。泥漿經(jīng)過氣動球閥V30后，有一部分經(jīng)過DN100管路和氣動球閥V06、V07到達(dá)氣墊倉底部，調(diào)節(jié)氣墊倉底部沖洗進(jìn)度和壓力平衡。

2.2.2.4 刀盤底部沖洗。泥漿經(jīng)過氣動球閥V30后，有一部分經(jīng)過DN150管路和氣動球閥V17、V18到達(dá)開挖倉底部，對刀盤底部進(jìn)行沖洗。

2.2.2.5 碎石機(jī)沖洗。泥漿經(jīng)過氣動球閥V30后，有一部分經(jīng)過泥漿泵P0.2被DN150管路和氣動球閥V03、V04輸送到碎石機(jī)兩側(cè)，對碎石機(jī)鄂板進(jìn)行沖洗。

2.2.2.6 限徑格柵沖洗。泥漿經(jīng)過氣動球閥V30后，有一部分經(jīng)過泥漿泵P0.2被DN150管路和氣動球閥V05輸送至限徑格柵上部，對限徑格柵進(jìn)行沖洗。

2.2.3 排漿泥漿管路。刀盤切削下來的渣土和進(jìn)漿管加入的泥漿攪拌，形成帶有渣土懸浮物的泥漿，經(jīng)由打開的泥漿泵、碎石機(jī)、限徑格柵，被排漿泵從開挖倉抽出，然后經(jīng)由氣動球閥V38、液動球閥V50，排到泥水站進(jìn)行泥漿處理。

2.2.4 泥漿泵。盾構(gòu)配套使用的泥漿泵參數(shù)如表1所示。

2.2.5 推進(jìn)模式下的泥漿環(huán)流。推進(jìn)模式下的泥漿環(huán)流圖如圖2所示。

2.3 泥漿環(huán)流系統(tǒng)在黏土地層存在的問題

盾構(gòu)機(jī)在黏土層存在以下幾個(gè)問題：刀盤頂部泥漿沖刷流量不足，不能及時(shí)將渣土洗刷帶走，加速了刀具的磨損，降低了刀具的壽命;刀盤中心沖刷流量不足，不能對中心刀有效沖洗，容易造成刀盤結(jié)泥餅的現(xiàn)象，對刀盤損害大，降低施工效率;刀盤底部沖刷流量不足，開挖倉內(nèi)受重力因素影響，切削下的渣土一般會通過刀盤在開挖倉底部堆積，沖刷流量不足，無法快速將渣土帶走，倉內(nèi)會出現(xiàn)積渣現(xiàn)象，影響推進(jìn);開挖倉內(nèi)泥漿攪拌不均勻，無法形成較好的泥漿懸浮液，泥漿攜渣效果差。

2.4 泥漿環(huán)流系統(tǒng)的分析與改進(jìn)

2.4.1 刀盤上部。開挖倉上部增設(shè)刀盤沖洗管路兩路，管路直徑為DN150 mm，球閥分別為V57、V58，加大對刀盤頂部的沖洗，減少渣土對刀盤及刀具的磨損，增大沖刷量，增大攜渣量;在同一進(jìn)漿管路增設(shè)氣墊倉，管路直徑為DN100 mm，球閥為V63，其不僅可以對氣墊倉進(jìn)行沖刷，還可以起到對泥漿和氣墊倉壓力快速調(diào)節(jié)的作用。

2.4.2 刀盤中心。刀盤中心增大中心回轉(zhuǎn)體內(nèi)管路直徑，其由DN150 mm改為DN250 mm，提高對刀盤中心的沖刷量，主驅(qū)動設(shè)計(jì)做出相關(guān)更改，刀盤牛腿直徑根據(jù)實(shí)際情況做出更改，適應(yīng)中心回轉(zhuǎn)體內(nèi)部管路的變更;沖洗管路增長60 cm，加大對刀盤中心的沖洗壓力。

2.4.3 刀盤下部。一是盾體下部增設(shè)反沖洗裝置，增設(shè)沖洗管路;二是對底部原有沖洗管路加粗，并增設(shè)沖洗管路;三是改進(jìn)碎石機(jī)。

2.4.3.1 盾體下部增設(shè)反沖洗裝置，增設(shè)沖洗管路。從經(jīng)過采石箱后的管路上部取漿，經(jīng)過反沖洗泵P0.3，泥漿沖向四路沖洗管路，其中兩路沖洗管路的直徑為DN150 mm，球閥分別為V61、V62，替代原來位置的V37球閥所在的反沖洗管路，對刀盤底部加強(qiáng)沖刷。另外兩路沖洗管路的直徑為DN150 mm，球閥為V52、V53，在原底部沖洗管路下方位置（具體情況根據(jù)實(shí)際圖紙確定）對氣墊倉底部進(jìn)行沖洗，減輕盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)堵倉的情況。

2.4.3.2 底部原有沖洗管路加粗，增設(shè)沖洗管路。對原來存在的對氣墊倉底部沖洗的球閥V06、V07所在沖洗管路增粗，直徑改為DN150 mm，并在同一根進(jìn)漿管路上增設(shè)兩路對刀盤直接沖洗的泥漿管路，其分別為V59、V60球閥所在的管路，分別增強(qiáng)刀盤底部沖洗和氣墊倉底部沖洗。

2.4.3.3 碎石機(jī)改進(jìn)。一方面增加擺動模式下碎石機(jī)的擺動頻率，改善碎石機(jī)的擺動效果，另一方面在碎石機(jī)鄂板垂直方向焊接主動攪拌棒，改善碎石機(jī)的攪拌效果，這樣可以增大底部整體的攪拌效果，有效減少積倉、堵倉的情況，改善泥漿攜渣效果，提高生產(chǎn)效率。

2.4.4 其他泥漿管路及設(shè)備。一是增設(shè)采石箱。二是增設(shè)泥漿泵（P0.1/P0.2/P0.3）維修備用管路。

2.4.4.1 增設(shè)采石箱。在排漿泵管路進(jìn)口前增設(shè)采石箱，對即將進(jìn)入的泥漿泵及運(yùn)輸管路進(jìn)行保護(hù)，過濾掉大直徑石渣，減少對泥漿泵及管路的損壞。

2.4.4.2 增設(shè)泥漿泵（P0.1/P0.2/P0.3）維修備用管路。管路上增加泥漿泵管路維修備用通道，可以使盾構(gòu)機(jī)在泥漿泵需要維修時(shí)正常推進(jìn)，提高工作效率，減少停機(jī)時(shí)間。如圖3所示，球閥V54、V55、V56所在管路分別為P0.1、P0.2、P0.3泥漿泵的維修備用管路。

2.4.5 更改后泥漿環(huán)流系統(tǒng)圖。更改后的泥漿環(huán)流系統(tǒng)圖如圖3所示。

3 泥漿流量計(jì)算分析

3.1 計(jì)算簡述

3.1.1 泥漿管內(nèi)臨界沉淀速度。泥水流入管路后，其中顆粒的流動因粒徑、比重、流速而異。若粒徑、比重變大，則由于重力不同，水平管內(nèi)產(chǎn)生上下部濃度差，形成不均質(zhì)流動。若流速小，則會產(chǎn)生粒子沉淀。若高速運(yùn)轉(zhuǎn)，則粒子會因躍動而形成混流，接近均質(zhì)流動。

排泥管內(nèi)臨界沉淀速度是一項(xiàng)主要參數(shù)。流體輸送泥沙微細(xì)粒子時(shí)，必須確保管內(nèi)無土砂顆粒沉淀，此時(shí)必須保證一定的輸送流速。計(jì)算臨界沉淀流速時(shí)，一般可采用以下公式：

[μ=F12gdρ-ρ0ρ0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[μ]為臨界沉淀流速;[g]為重力加速度;[d]為管內(nèi)徑;[ρ]為土體顆粒的實(shí)際比重;[ρ0]為泥漿比重;[F1]為由顆粒直徑、濃度決定的常數(shù)，是與泥漿濃度[CV]相關(guān)的系數(shù)。當(dāng)顆粒直徑超過2 mm時(shí)，[F1]=1.34。

經(jīng)過地質(zhì)取樣試驗(yàn)檢測得知，土體顆粒比重為1.90;泥漿比重為1.07;土體顆粒直徑為0.075 mm;考慮到土質(zhì)中有砂層和微風(fēng)化地層，土體顆粒直徑大于2 mm，[F1]取值為1.34。

3.1.2 泥漿管內(nèi)流量。泥漿管流量的計(jì)算公式如下：

[Q=μ×14πD2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Q]為泥漿管流量;[D]為泥漿管直徑。

3.2 反沖洗泥漿泵選型

反沖洗管路一共有四路，分別為V61、V62、V52、V53球閥所在管路，管內(nèi)流量分別為Q61、Q62、Q52、Q53。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)沖洗管路參數(shù)，四路沖洗管路選擇的直徑為DN150 mm，根據(jù)式（1）和地質(zhì)取樣試驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算出臨界流速[μ臨]=2.02 m/s，總流量[Q]=513.77 m3/h<600 m3/h，因此反沖洗泵（P0.3）和電機(jī)選用和中心沖洗泵（P0.2）相同的型號8/6-AH，電機(jī)功率為132 kW。

3.3 泥漿環(huán)流系統(tǒng)更改后的泥漿環(huán)流驗(yàn)算

泥漿環(huán)流更改后，為保證進(jìn)漿系統(tǒng)滿足使用要求，人們需要進(jìn)行驗(yàn)算。本文對計(jì)算過程加以簡化，進(jìn)行簡單驗(yàn)算。泥漿環(huán)流進(jìn)漿系統(tǒng)整體分成三大部分。

一是頂部刀盤沖洗V11、V12、V57、V58所在管路，直徑均為DN150 mm，頂部氣墊倉沖洗V63所在管路，直徑為100 mm。經(jīng)式（1）計(jì)算可得，[μ11]=2.02 m/s，[μ63]=1.65 m/s。經(jīng)式（2）計(jì)算可得，頂部沖洗流量[Q頂=4Q11+Q63]=560.40 m3/h。

二是中心沖洗V01球閥所在管路，更改設(shè)計(jì)管路為DN250 mm，經(jīng)式（1）計(jì)算可得，[μ]=2.61 m/s，經(jīng)式（2）計(jì)算可得，中心沖洗流量[Q中心]=356.78 m3/h。

三是底部刀盤沖洗V59、V60、V17、V18所在管路，直徑均為DN150 mm，底部氣墊倉沖洗V06、V07所在管路，直徑為DN150 mm，底部碎石機(jī)沖洗V03、V04所在管路，直徑為DN150 mm，底部格柵沖洗V05所在管路，直徑為DN150 mm。經(jīng)式（1）計(jì)算可得，[μ59]=2.02 m/s，[μ06]=2.02 m/s，[μ03]=2.02 m/s，[μ05]=2.02 m/s，底部沖洗總流量[Q底=4Q59+2Q06+2Q03+Q05]=1 155.98 m3/h。

盾構(gòu)機(jī)最大負(fù)荷情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的總沖洗流量[Q=Q頂+Q中心+Q底]=2 073.16 m3/h<2 200 m3/h，小于P1.1進(jìn)漿泵的流量，滿足使用要求。通過計(jì)算對盾構(gòu)機(jī)更改前后的流量進(jìn)行對比，如表2所示。

4 泥漿環(huán)流系統(tǒng)改進(jìn)效果

鑒于盾構(gòu)機(jī)DG451左線始發(fā)后，在推進(jìn)過程出現(xiàn)部分問題，盾構(gòu)機(jī)DG452在車間及始發(fā)井及時(shí)做出整改。值得注意的是，刀盤中心沖洗管路需要更改中心回轉(zhuǎn)體鋼結(jié)構(gòu)及刀盤中心塊鋼結(jié)構(gòu)，耗時(shí)及費(fèi)用較高，因此未做更改。

現(xiàn)場施工右線施工工期相較于左線縮短兩個(gè)月，左線盾構(gòu)機(jī)DG451開倉四次，共更換刀具102把，平均每延米需要0.039 2把，右線盾構(gòu)機(jī)DG452開倉兩次，共更換刀具45把，平均每延米需要0.017 3把，大大縮短開倉時(shí)間，降低開倉成本，減小了刀具損耗，泥水站右線相比左線節(jié)省膨潤土800 t，改進(jìn)效果非常明顯。

5 結(jié)語

結(jié)合廣州地鐵十八號線地層掘進(jìn)情況，在以后的類似地層施工中，建議增大刀盤沖刷量，增強(qiáng)反沖洗效果，增強(qiáng)對碎石機(jī)、限徑格柵的沖洗效果以及刀盤底部的攪拌效果，充分利用泥漿的攜帶能力，減少對刀具的磨損。

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