馬鳳偉

中鐵十六局集團(tuán)有限公司（450000）

0 概述

南水北調(diào)穿黃隧洞總設(shè)計(jì)長度4250m，分過河段和邙山段兩部分，其中過河段3450m，邙山段800m。隧洞最深覆土35m，采用豎井始發(fā)技術(shù)，施工豎井深40m。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，本工程選用了德國海瑞克生產(chǎn)的泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。由于黃河地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，因此泥水環(huán)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選擇非常重要。本文僅針對(duì)泥水環(huán)流系統(tǒng)的兩個(gè)重要方面進(jìn)行了詳細(xì)的解析和闡述。圖1為泥水環(huán)流系統(tǒng)控制界面。

圖1 泥水環(huán)流系統(tǒng)控制界面

1 泥漿管的選擇與設(shè)計(jì)

1.1 基本原始參數(shù)

泥漿管總長:3450m；管道內(nèi)徑:350mm；泥漿泵理論揚(yáng)程:76～78m。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

1.2.1 管道壁厚計(jì)算

1）計(jì)算公式:

其中:δ—管道壁厚；dg—管道內(nèi)徑；p—泵的出口壓力；σ—材料許用應(yīng)力；a—附加厚度，一般鑄鐵管取7～9mm，鋼管取 1～2mm。

2）計(jì)算過程:

①泥漿泵出口壓力。泥漿泵的出口壓力一般可使用泵的揚(yáng)程進(jìn)行近似計(jì)算，而在泥水環(huán)流系統(tǒng)中，泥漿泵有進(jìn)泥泵和排泥泵兩種，一般情況下排泥泵的負(fù)荷要大于進(jìn)泥泵，因此可使用排泥泵的揚(yáng)程計(jì)算:

P=ρgh=1.3×103×10×73=0.95MPa

其中，ρ—排泥密度；h—排泥泵揚(yáng)程。

δm=1.0×3.5=3.5mm

綜上所述:δ=δ0+δm=2.8+3.5=6.3mm，由于泥漿管在實(shí)際使用過程中不可避免的要承受沖擊壓力，因此取壁厚安全系數(shù) n=1.5，則:

δ=1.5×6.3=9.45mm

實(shí)際管道在加工過程中存在誤差，考慮管道的制造誤差，取 δ=10mm。

1.2.2 管道選擇

1）規(guī)格型號(hào)選擇:經(jīng)計(jì)算泥漿管的壁厚為10mm，則管道外徑為370mm。查管材規(guī)格型號(hào)表可選擇外徑為377 mm，壁厚為10mm的鋼管。

2）材料選則:市場(chǎng)上現(xiàn)有無縫鋼管，螺旋焊接鋼管，直縫焊接鋼管等多種鋼管?，F(xiàn)做如下分析:

①壓力要求。根據(jù)GB8163-87的規(guī)定，普通鋼管用作流體運(yùn)輸，必須進(jìn)行流體壓力試驗(yàn)。其靜水試驗(yàn)壓力計(jì)算公式為:

其中，p—試驗(yàn)壓力，MPa；S—公稱壁厚，mm；σs—規(guī)定屈服點(diǎn)的 60%，N/mm2；D—公稱外徑，mm。

由表1可見,螺旋鋼管足以滿足環(huán)流系統(tǒng)對(duì)壓力的要求。

②磨損要求。泥漿管道的磨損，現(xiàn)在還沒有統(tǒng)一的計(jì)算公式，相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)也很少,但泥漿管道的抗磨損系數(shù)一般與材料的化學(xué)成分有關(guān)（見表2）。

表1 不同材料鋼管的力學(xué)性能比較

圖2 螺旋管抗壓試驗(yàn)

表2 不同材料化學(xué)成分表

在化學(xué)成分中，C含量主要影響材料的硬度，Si含量和Mn含量影響材料的耐磨性，S含量和P含量則影響材料的韌性。從表中可以看出,材料Q235B的抗磨性能是比較好的，但較之20#，45#鋼其S、P含量過高，一定程度上影響了它的硬度和耐磨性能。上述四種材料45#鋼的耐磨性最好，但Q235B的耐磨性能已足以滿足施工需要。

3）市場(chǎng)價(jià)格分析。市場(chǎng)上現(xiàn)有較多規(guī)格的管材供應(yīng),經(jīng)調(diào)查繪制如下表3。

表3 管材市場(chǎng)價(jià)格分析

綜上可知針對(duì)穿黃工程的施工需要,材料為Q235B的螺旋焊接管性價(jià)比最高,因此管道選擇以螺旋焊接鋼管為主。

2 中繼泵加裝位置計(jì)算

2.1 原始計(jì)算參數(shù)

施工豎井深度:40m；進(jìn)泥泵揚(yáng)程:76m；排泥泵揚(yáng)程:78 m；進(jìn)泥流量:1100m3/h；排泥流量:1200m3/h；管道內(nèi)徑:350 mm；隧道長度:3450m；地面段管路:200m；閘閥:100m/個(gè)；出口壓力:400～500kPa。

2.2 計(jì)算過程

2.1.1 進(jìn)泥接力泵安裝位置

1）沿程損失:

又由L=1+n×11=1+31.5計(jì)算得:

其中:L—當(dāng)量長度；1—理論安裝位置；n—彎頭個(gè)數(shù)，此處取 n=6；11—查表得直徑 350mm，45°彎頭的當(dāng)量長度為5.25m。

2）入口水頭損失:

V—入口流速，可使用（1）中計(jì)算流速；ξE—入口損失系數(shù)，一般管式入口ξE=1，法蘭入口ξE=0.5，圓滑喇叭入口ξE=0.05，喇叭入口 ξE=0.1～0.2。此處選用管式入口，取 ξE=1，代入公式得HE≈0.522m。

3）閘閥水頭損失:

本循環(huán)系統(tǒng)中選用350mm的刀式閘閥,查表得350mm閘閥的損失系數(shù)ξT=0.11，故單個(gè)閘閥的水頭損失為:HT≈0.66m。

4）出口水頭損失:

泥漿泵揚(yáng)程計(jì)算公式如下:

圖3 中繼泵安裝示意圖

考慮到穿黃隧洞有一段深40m的豎井,40m水柱壓力約為400KPa，做如下補(bǔ)充計(jì)算:計(jì)算可得1≈199m，即豎井段垂直管路可抵消4bar出口壓力下約199m長度的管損，故地面進(jìn)泥泵可維持更長距離，也即1=1330m+199m=1529m。

綜上接力泵的安裝距離應(yīng)為11=1529-200m=1329m，12=1329+1330m=2659m。2.1.2排泥接力泵安裝位置

1）沿程損失:

0.01379≈0 .014，又有 L=1+n×11=1+31.5 計(jì)算得:

2）入口水頭損失:

3）閘閥水頭損失:

4）出口水頭損失:

代入揚(yáng)程公式，則:

計(jì)算得排泥泵可維持的理論長度l=1425m,考慮計(jì)算過程中的誤差，取儲(chǔ)備系數(shù)1.25，所以排泥接力泵的理論加裝位置應(yīng)為l/1.25=1140m。由于豎井深度為40m，加大了泵的負(fù)荷程度，作如下補(bǔ)充計(jì)算:

計(jì)算可得在3bar的出口壓力下，排泥泵的剩余揚(yáng)程可抵消479m管路損耗，因此整條隧道（3450m）至少要使用4臺(tái)排泥泵。也即除去盾構(gòu)機(jī)上的排泥泵，還需3臺(tái)接力泵，且分別在推進(jìn)1140～1425m范圍內(nèi)安裝最合適,取中間值1282m。則接力泵的安裝距離應(yīng)為11=479m，12=479+1282 m=1761m，13=1761+1282m=3043m。

圖4 中繼泵安裝

3 結(jié)論

通過本文的計(jì)算和分析,解決了穿黃工程泥水環(huán)流系統(tǒng)管道和泥漿泵的選用和設(shè)計(jì)問題,同時(shí)也為穿黃工程泥水環(huán)流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工提供了理論支持和技術(shù)指導(dǎo),減少了不必要的設(shè)備采購，節(jié)約了施工成本。

[1]白銘聲,等.流體力學(xué)與流體機(jī)械[M].煤炭工業(yè)出版社,1980.

[2]全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站機(jī)泵技術(shù)委員會(huì)組織編寫.工業(yè)泵選型手冊(cè)[M].化工出版社,1998.

[3]吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1999.

[4]長江水利委員會(huì)、黃河水利委員會(huì).穿黃工程地質(zhì)專題報(bào)告[M].2005.