黃　波， 李曉龍， 陳長江

(1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津　300133； 2. 上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司， 上海　200071)

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大直徑泥水盾構復雜地層長距離掘進過程中的泥漿管路磨損研究

黃波1， 李曉龍2， 陳長江1

(1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津300133； 2. 上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司， 上海200071)

摘要：泥漿循環(huán)系統(tǒng)管路磨損會導致盾構非正常停機，進而影響施工進度并帶來安全風險，是泥水盾構施工過程中必須重視的一個問題。結合南京地鐵10號線盾構隧道工程實例，針對不同材質、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的磨損影響進行了研究，通過與實際檢測數據對比分析，針對性地提出了減小管路磨損的技術措施，為泥漿循環(huán)系統(tǒng)合理化設計、提高施工效率和保證施工安全提供了參考和借鑒。

關鍵詞：南京地鐵； 泥水盾構； 泥漿管路磨損； 實測分析

0引言

泥漿循環(huán)系統(tǒng)是泥水平衡盾構施工的重要組成部分[1]，直接關系到開挖面的穩(wěn)定與渣土的及時排放，以及泥水盾構施工的工效及成本控制。不同地區(qū)、不同項目的地質水文情況存在較大的差異，特別是在上軟下硬地層及砂卵石地層中，泥漿管路的磨損會對盾構泥漿循環(huán)系統(tǒng)造成較大的影響[2-4]。泥水盾構掘進過程中，刀盤切削下的渣土與送進開挖艙的泥漿形成混和漿液，通過排泥管排出至地面泥水分離工廠實現固液分離。由于泥漿中攜帶有卵石、礫石甚至是大漂石等不同成分的固體顆粒[5]，泥漿在管道的輸送過程中必然會造成管路的磨損，進而可能引發(fā)管路破損噴漏漿液、爆管，以至造成盾構掘進非正常停機，最終造成施工效率降低和成本增加。因此，必須足夠重視泥水盾構在復雜地層長距離掘進過程中的泥漿管路磨損[6-8]。如國內獅子洋隧道，因為泥漿循環(huán)系統(tǒng)的故障問題，停機時間占總停機時間的36.5%，見表1。

降低管路磨損、提高管路的耐用性直接關系到項目的完成效率、成本，并能有效提高施工安全的可靠性。以上調查表明，國內對泥水盾構在復雜地層長距離掘進過程中的泥漿管路磨損問題所做的研究，多是通過室內試驗、從管路的單一性質(如管道材料、強度等)或者從整個泥水盾構設備配套的角度進行分析，均未對現場泥漿管道的實際磨損情況進行深入分析。因此，本文從泥漿管路現場監(jiān)測數據出發(fā)，結合南京地鐵10號線盾構隧道工程實例，對泥漿管路的磨損進行研究，提出減小泥水盾構管路磨損的技術措施，為泥漿循環(huán)系統(tǒng)的合理設計提供參考。

表12009年下半年獅子洋隧道環(huán)流停機統(tǒng)計表(掘進4 000 m以后)

Table 1Statistics of shield stop of Shiziyang Tunnel induced by pipe abrasion of slurry circulation system from July to December in 2009 (after boring for 4 000 m)

月份環(huán)流問題停機時間/h占停機時間百分比占總施工時間百分比7月188.546.625.38月166.046.422.39月175.542.224.410月107.026.614.411月101.031.114.012月103.036.113.8

1工程概況

1.1穿越地層地質情況

南京地鐵10號線中間風井—江心洲站區(qū)間隧道全長3 600.074 m，為單洞雙線斷面。線路平面線型為直線，豎曲線半徑為5 000 m，最大縱坡坡度為28‰，隧道頂部覆土厚度為11.4～40.5 m。圖1為越江隧道區(qū)間縱斷面圖。

區(qū)間隧道采用泥水平衡盾構進行施工，盾構開挖直徑11.64 m，管片外徑11.2 m，內徑10.2 m。盾構隧道穿越的地層主要以粉細砂、卵石、圓礫地層為主，其中盾構掘進困難的卵石、圓礫地層長達1 780 m，占隧道總長的近50%，屬于長距離穿越卵石、圓礫地層。

圖1　南京地鐵10號線越江隧道區(qū)間縱斷面圖

1.2泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設置

泥漿輸送系統(tǒng)是泥水平衡盾構區(qū)別于土壓平衡盾構的特征，泥漿輸送系統(tǒng)具有2個基本功能，一是穩(wěn)定掌子面，二是排出渣土。泥漿循環(huán)系統(tǒng)由送排泥泵、送排泥管、延伸管線和輔助設備等組成。送泥泵將調制好的泥漿通過送泥管輸送到泥水艙，而排泥泵則將攜帶渣土的泥漿排出，并通過排泥管輸送到地面的泥水處理設備中進行分離。

1.2.1泥漿回路設置

本工程中擬選擇排泥泵的流量不低于2 000m3/h；送排泥管選用直徑為450 mm的輸送管，管道采用Q345B材質螺旋焊管，管壁厚度10 mm，每根管道長度10 m。送排泥泵和送排泥管都具有較強的抗磨損能力，泥漿回路如圖2所示。

泥漿輸送方案為： 過江隧道掘進時，從北岸始發(fā)，豎井深25 m，隧道內水平輸送長度為3 600 m，泥漿輸送采用1臺送泥泵、 3臺排泥泵。其中，送泥泵站P1.1位于地面上，位置固定；主排泥泵站P2.1位于盾構后配套拖車上，隨盾構推進而前進；中繼排泥泵站P2.2在盾構推進到隧道中部時安裝；接力泵站P2.3安裝在隧道掘進1/3處。

1.2.2泥漿輸送系統(tǒng)參數計算

泥漿輸送系統(tǒng)參數的設計對泥漿輸送效率、盾構掘進進度、泥漿管道選材、管路布置設計和管道磨損等有著重要的影響。因此，在泥漿系統(tǒng)和管路設計之前應對泥漿輸送要滿足的參數進行計算。表2為泥漿系統(tǒng)參數計算條件。

根據表2的計算條件，計算得出滿足施工要求的泥漿輸送參數見表3。

管內沉淀臨界流速

(1)式中：vL為臨界沉淀流速，m/s；D為管路直徑，m；γs為地層固體密度，t/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；FL為常數，送泥側取0.7，排泥側取1.35；γ為泥漿密度，盾構送進泥漿密度為1.1 t/m3，排出泥漿密度為1.3 t/m3。

圖2　開挖模式的泥漿循環(huán)回路

名稱參數刀盤外徑D/mm11640管片外徑/mm11200管片寬度/mm2000一次掘進最大距離l/mm3600豎井深度H/m25從豎井到泥漿池的距離l1/m110從豎井到分離站的距離l2/m105分離站高度h/m5推進速度vs/(cm/min)4隧道最大坡度/‰28送泥管直徑/mm450排泥管直徑/mm450開挖面水壓控制范圍p/kPa200～600送泥密度/(t/m3)1.08～1.15排泥密度/(t/m3)1.25～1.35土質條件 1)1840m:粉細砂層;2)780m:上部粉細砂層,下部1～3m的卵石圓礫地層;3)800m:上半部粉細砂層,下半部卵石圓礫地層;4)180m:全斷面的卵石圓礫地層

表3　泥漿輸送系統(tǒng)參數

根據式(1)計算得出，送泥管與排泥管內沉淀臨界流速分別為1.98 m/s和3.14 m/s。

2泥漿管道磨損機制

2.1泥漿管道磨損力學模型

2.1.1漿體中固體顆粒的運動形式

在送泥管道中，流動的是調配的膨潤土泥漿，而在排泥管道中，除了泥漿外還有含碎石的渣土，屬于非均質漿體。根據固體顆粒與管壁的接觸情況，在非均質漿體中，固體顆粒的運動可分為懸移質、跳躍質和推移質3種[9-10]。其運動形式如圖3所示。

圖3　漿體中固體顆粒的運動形式

在3種運動形式中，懸移質與泥漿管道不接觸，其對管壁的磨損程度最小; 跳躍質與泥漿管道會有短暫接觸，對管壁的磨損程度稍大; 推移質與管壁的作用時間最長，因而對管壁的磨損程度也最大。固體顆粒在泥漿中的3種運動方式取決于顆粒在管道中的軸向運動速度和徑向運動速度。軸向運動速度主要由運動漿體對固體顆粒的推動力決定，徑向運動速度取決于固體顆粒沉積速度和漿體脈動速度之差，主要和固體顆粒粒徑、形狀、密度、漿體黏度和質量濃度有關。

2.1.2固體顆粒與管壁的碰撞模型

固體顆粒與管壁發(fā)生碰撞的模型如圖4所示。法向碰撞力p使壁面材料產生局部變形、破碎和剝離，切向摩擦力N則引起表面刮痕沖刷。壁面磨損是p和N共同作用的結果，磨損量與顆粒質量、碰撞接觸時間、入射角、固體顆粒運動速度和壁面摩擦因數等有關[11]。

圖4　碰撞模型

就單個固體顆粒來說，管道的磨損量δi可以表示成顆粒質量mi、顆粒運動速度v、入射角正弦sinα、摩擦因數μ和顆粒表面幾何形狀φ的函數。

δi=f(mi,v,sinα,μ,φ)。

(2)

管道磨損實質上是固體顆粒群碰撞的結果，是每個固體顆粒對壁面磨損的積累。設單位時間內管道中固體顆粒質量總量為M，單位時間內管道磨損量δ可通過對式(2)進行求和來表示。

δ=∑δi=f(∑mi,v,sinα,μ,φ)=f(M,v,sinα,μ,φ)。

(3)

其中質量M可以通過泥漿流速v′、管道截面積S和固體顆粒質量濃度C三者之間的乘積來表示，即

M=v′·S·C。

(4)

由于顆粒的運動速度由管道的流速決定，即總磨損量δ可表示成

δ=f(C,S,v,sinα,μ,φ)。

(5)

2.2管道磨損影響因素分析

從式(5)得知，總磨損量與泥漿流速、管道截面積、固體顆粒質量濃度、碰撞接觸時間、入射角、泥漿中固體顆粒運動速度和壁面摩擦因數等有關。本文針對其中幾個可控的影響因素進行分析。

1)摩擦因數。摩擦因數與固體顆粒的硬度、管道壁面材料的硬度、顆粒的表面幾何形狀、管道粗糙度等因素有關。實驗表明，當固體顆粒的硬度不大于管道材料的硬度時，管道的磨損程度不明顯；隨著固體顆粒的硬度增加，管道的磨損程度也在增加。此外，固體顆粒的表面形狀對管道的磨損影響也比較大，一般認為圓球形、棱形、尖角形塊石對管道的磨損量依次增大，棱形和尖角形塊石對管道壁的磨損最嚴重。圖5為泥漿中攜帶的棱形塊石。

2)漿體的流速。試驗研究表明，考慮到管道內的水頭損失，加大漿體輸送速度，其所需動力及管道磨損量均會明顯增大。所以，管道輸送中要嚴格控制輸送速度，但流速不能無限制降低，至少需要保證漿體正常流動和固體顆粒不出現沉積，也就是大于臨界流速。

3)漿體中固體顆粒形態(tài)及粒徑。泥漿中攜帶的不同形狀、不同大小的卵石、圓礫等如圖6所示，其形態(tài)多呈多棱形、多面體，顆粒大且硬度大，阻力較大。在硬巖地段掘進時，泥漿攜帶的渣土中含有大量的砂礫石等，會對泥漿管管壁造成沖擊，加大管壁的磨損量。

圖5　泥漿中攜帶的棱形塊石

(a)(b)

(c)(d)

圖6泥漿中攜帶的卵石、圓礫

Fig. 6Cobbles and gravels in slurry

4)漿體的質量濃度。阻力損失隨質量濃度的增大而增大，固體物料的水力輸送是借助于運載體(水流)對輸送介質(固體顆粒)復雜的力學作用的結果，即隨著漿體質量濃度增大，漿體中固體顆粒含量隨之增大，管道磨損量也相應增大。

5)管道材料。泥漿管的選擇應綜合考慮上述各因素，選擇能滿足施工要求、耐磨性能好的管材以減小泥漿輸送過程中塊石對泥漿管壁的磨損量，延長其使用壽命。

鋼管用于流體運輸，必須進行流體壓力試驗。其靜水壓力

p=2Sσs/D。

(6)

式中： p為試驗壓力，MPa； S為公稱壁厚，mm； σs為規(guī)定屈服點的60%,N/mm2； D為公稱外徑，mm。

由不同材料鋼管的力學性能(見表4)和靜水壓力計算公式可知，螺旋鋼管足以滿足環(huán)流系統(tǒng)對壓力的要求。

表5為不同材料鋼管化學成分表。在化學成分中，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含量影響材料的韌性。參考表5，45#無縫鋼管的耐磨性能最好，同時其他鋼管的耐磨性能也均能滿足要求，而無縫鋼管的價格明顯高于螺旋鋼管。綜合考慮經濟成本和材料性能，本工程選用Q345B螺旋鋼管作為泥漿管。

表4　不同材料鋼管的力學性能

表5　不同材料鋼管化學成分表

6)漿體的腐蝕性。不同類型的漿體產生的磨蝕速度不同，在磨蝕過程中，管道的磨蝕與磨損作用是密切相關的。地下水及泥漿中往往含有一定的有腐蝕性的物質，因此，在配置泥漿時應對泥漿的pH值進行測定，同時對排出的泥漿進行pH值測定，判斷其對泥漿管管壁的腐蝕性。

3管壁厚度現場實測數據分析

盾構施工過程中對泥漿輸送管道壁厚進行定期檢測，以掌握管道磨損情況，對磨損嚴重的地方進行合理設計或者加固處理，避免泥漿管磨破引起泥漿泄漏，影響施工進度。在本工程中，采用超聲波測厚儀進行泥漿管管壁測厚，精度0.1 mm。超聲波測厚儀及測點布置如圖7和圖8所示。圖8中僅圖示凹面測點布置，凸面測點布置在背面，從上至下依次為凸3、凸2、凸1。

圖7　超聲波測厚儀測管壁厚度

圖8　測點布置

圖9為地面泥漿管管壁在2012年12月—2013年1月的厚度變化曲線。由圖9可以看出，管壁厚度實測值較管壁厚度稍大，這可能是由于泥漿到達地面的時候泥漿流速較小，泥漿管內有一定的沉積物殘留?？傮w來說，地面泥漿管管壁厚度的變化量較小，在25 d的監(jiān)測時間里，管壁厚度減小最大值為1.2 mm。因此，可以說明地面泥漿管管道磨損量小，管道的使用壽命長。

圖9　2012年12月—2013年1月地面泥漿管管壁厚度變化

Fig. 9Variations of slurry pipe wall thickness on the ground from December，2012 to January，2013

圖10為盾體排泥管管壁在2012年10—12月的厚度變化曲線。由圖10可以看出，整體上來看，管道壁厚沒有明顯變化。盾體排泥管凹面厚度在12月1日突然增大，比初始管道壁厚值大，這可能是由于泥漿在此處沉積造成；而凸面管道壁厚整體呈現減小趨勢，但壁厚減小很少，管道磨損量為0.5 mm。排泥管管壁磨損量小的原因是泥漿到達排泥管的流速較小，顆粒物對管壁的沖擊小。

圖10　2012年10—12月盾體排泥管管壁厚度變化

Fig. 10Variations of slurry pipe wall thickness in shield from October to December，2012

圖11為P2.3泵出口管管壁在2012年10—12月的厚度變化曲線。由圖11可以看出，管道壁厚在11月22日前基本沒有變化，在11月22日之后管道壁厚有明顯的減小。其中，管道的凸面壁厚減小量明顯大于凹面，這是由于泥漿流速在凸面對管壁的沖擊較大，因此磨損量也大。截至2012年12月7日，管道壁厚減小量最大值為1.5 mm。

在該時期內，盾構掘進施工正處在江底砂卵石地層中，泥漿中含有大量的砂卵(礫)石，但是由于P2.3泵處在距盾構豎井較近的位置，距盾構掘進開挖面較遠，泥漿到達此處的壓力較小，對泥漿管道管壁的沖擊較小，管壁磨損量也較小。

圖11　2012年10—12月P2.3泵出口管管壁厚度變化

Fig. 11Variations of slurry pipe wall thickness of Pump P2.3 from October to December，2012

圖12為P2.1泵出口彎頭管管壁在2012年10—12月的厚度變化曲線。由圖12可以看出： 在11月22日之前管道壁厚沒有明顯變化，在11月22日之后管道壁厚明顯減小，且管道凸面壁厚減小速率明顯大于凹面；到12月1日管道凸面壁厚減小至2.5 mm，即磨損量為7.5 mm，磨損速率為0.68 mm/d；凹面管道壁厚減小至7.5 mm，即磨損量為2.5 mm，磨損速率為0.23 mm/d，即凸面的磨損速率是凹面的2.96倍。

該期間盾構正在江底砂卵石地層中掘進，且P2.1排泥泵位于盾構尾部配套臺車附近，泥漿流經此處的速度較大，泥漿中含有大量的砂卵(礫)石，對泥漿管壁造成了嚴重的沖擊，使得泥漿管管壁磨損嚴重。

圖12　2012年10—12月P2.1泵出口彎頭管管壁厚度變化

Fig. 12Variations of slurry pipe wall thickness of Pump P2.1 from October to December，2012

4泥漿管路磨損保護措施

根據泥漿管路磨損的機制、影響管道磨損的因素、現場管道壁厚實測數據和工程案例可以看出，泥漿管道磨損主要與泥漿流速、泥漿中所攜帶的固體顆粒、泥漿管的布置和管道的形狀等因素有關。彎管磨損量比直管磨損量大，管道的凸面磨損量比凹面大，距泥漿泵近的管道磨損量比距泥漿泵遠的管道磨損量大，管道底部磨損量比管道上部和側面的大。因此，在泥漿管路的設計中應對磨損量較大的薄弱部位進行特殊處理，以提高其使用壽命。

1)對于各泵站出口，由于此處泥漿壓力大，又多為彎頭，磨損速度非?？欤虼?，在出口彎頭薄弱處提前加焊鋼板(如圖13所示)，延長它的使用壽命。

(a)(b)

圖13泥漿管彎頭加焊鋼板

Fig. 13Welded steel plate at slurry pipe elbow

2)本工程項目隧道全長3 600 m，其中卵石、圓礫地層長1 780 m。因此，泥漿管管路比較長，泥漿中攜帶的渣土含有大量的卵石和圓礫石等，會對泥漿管管壁造成嚴重沖擊，致使管壁磨損量大。為此，應對泥漿管路的薄弱部位進行加焊、補焊或者進行特殊設計，以保證泥漿管道的正常使用，減小因泥漿管路維修以及更換對施工進度產生的影響。例如，對于單個泥漿管，對管道兩端法蘭盤根部磨損較快處進行補焊，以延長單個泥漿管的壽命。

3)在盾構掘進至砂卵石地層時，應對前面使用的泥漿管進行仔細檢測，特別是對薄弱部位進行檢測。若存在磨損量較大的管道應對其進行維修或者更換，避免在砂卵石地層掘進時卵石、礫石對管壁產生強烈的沖擊，而引發(fā)管壁滲漏等現象。

4)對于水平直管，泥漿管磨損量為底部最大，兩側次之，頂部最小，因此，在實際應用中，為了延長水平管道的使用壽命，過一段時間將管道底部與頂部倒轉方向使用，可以提高泥漿管1倍的使用壽命。圖14為水平泥漿管。

圖14　水平泥漿管

5)對于上下兩側都磨損的泥漿管，可以充分利用送泥管。由于送泥管不攜帶渣土通過，環(huán)流使用時磨損量較排泥管小很多，因此，在排泥管磨損較嚴重的時候，將送排泥漿管進行倒換，這樣可以提高泥漿管的使用壽命。圖15為送排泥漿管。

圖15　送排泥漿管

6)泥漿流速對泥漿管道的磨損有著重要的影響，在大于臨界流速的情況下，泥漿流速越大，對泥漿管壁的磨損越大，因此，泥漿流速以保證管路不發(fā)生沉淀的最低流速為佳。掘進時先嘗試以較低的泥漿流速循環(huán)，若在管路循環(huán)時出現掘進流量逐漸降低的情形，則說明管路有淤塞現象，出現了沉積物，此時應適當提高泥漿流速。

5結論及建議

本文從泥漿管道的磨損機制、影響泥漿管道磨損的因素、現場泥漿管道磨損監(jiān)測數據以及工程實例等方面對泥漿循環(huán)系統(tǒng)管路的磨損規(guī)律進行了分析，在此基礎上結合本工程項目提出了一些減小管道磨損的保護措施。主要結論如下。

1)地面排泥管和盾體排泥管的磨損量最小，整個施工過程中不需要修補或更換，使用壽命滿足要求。

2)彎管的磨損量較直管的磨損量明顯增大，且彎管的凸面磨損量大于凹面磨損量。泥漿泵出口彎管凸面的磨損速率約是凹面的3倍。

3)盾構在砂卵(礫)石地層中掘進時，距盾構掘進面較近的P2.1泵兩側的泥漿管管壁磨損量較大，距掘進面越遠磨損量越小。因此，對P2.1泵兩側的泥漿管應進行特殊處理，并加強管壁厚度檢測。

4)根據泥漿管道磨損規(guī)律，結合工程實際，應對管道磨損嚴重的部位進行特殊設計，施工過程中對管道壁厚進行定期監(jiān)測，以掌握管道的磨損情況，及時采取保護措施。

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Study of Abrasion of Slurry Pipe of Large-diameter Slurry Shield Boring in Complex Strata

HUANG Bo1, LI Xiaolong2, CHEN Changjiang1

(1.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China;2.ShanghaiDonghuaLocalRailwayDevelopmentCo.,Ltd.,Shanghai200071,China)

Abstract:The pipe abrasion of slurry circulation system will lead to an abnormal stop of shield tunneling and construction risk. Therefore, the influencing factors, including slurry material, slurry transportation speed, slurry density and solid particle size, of slurry pipe abrasion of slurry shield used in Line No. 10 of Nanjing Metro are studied. And then some effective countermeasures for reducing the pipe abrasion of slurry circulation system are proposed by means of comparison between actual testing results and study results,so as to provide reference for rational design of slurry circulation system by improving the construction efficiency and safety.

Keywords:Nanjing Metro; slurry shield; slurry pipe abrasion; test analysis

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)04-0490-07

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.019

第一作者簡介：黃波(1981—)，男，湖南隆回人，2010年畢業(yè)于中南大學，隧道與地下工程專業(yè)，碩士，工程師，現從事地鐵、隧道及基坑設計工作。E-mail： 122281528@qq.com。

收稿日期：2015-10-08； 修回日期： 2016-03-15

項目名稱： 南京地鐵集團有限公司南京地鐵大斷面盾構隧道穿越長江關鍵技術研究(D3-XY01-001-1206)