董伯讓

(中國鐵建蘭州軌道交通工程指揮部， 甘肅 蘭州 730030)

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泥水盾構(gòu)泥漿管路磨損與減振處理技術(shù)

董伯讓

(中國鐵建蘭州軌道交通工程指揮部， 甘肅 蘭州 730030)

為了解決泥水盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層中掘進(jìn)時，泥漿循環(huán)管路出現(xiàn)異常磨損和劇烈振動的問題，以蘭州地鐵某標(biāo)段泥水盾構(gòu)施工為工程背景，對泥漿管路磨損和振動原因進(jìn)行了分析，并通過對排漿管采用偏心加厚設(shè)計(jì)、結(jié)合面整體鑄造、沖刷面增加耐磨環(huán)、內(nèi)壁澆筑高鉻鉬抗磨合金鋼內(nèi)襯以及管道連接處增加減震喉等方式對泥漿管路進(jìn)行了改進(jìn)，有效提高了泥漿管路的耐磨性能，降低了振動。

泥水盾構(gòu)； 泥漿管路； 磨損； 減振

0 引言

泥水盾構(gòu)泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要由進(jìn)排漿泵、進(jìn)排漿管路、控制閥門、采石箱和管路延伸機(jī)構(gòu)等組成，是泥水盾構(gòu)總系統(tǒng)的核心系統(tǒng)之一，在開挖面維穩(wěn)、渣土運(yùn)輸和隧道排污等方面具有重要作用[1-2]。泥水盾構(gòu)在卵礫石地層中掘進(jìn)時，大量石塊在泥漿管路運(yùn)輸過程中對管壁內(nèi)壁造成嚴(yán)重磨損，尤其在彎管與接頭處； 同時對管路造成劇烈沖擊，引發(fā)強(qiáng)烈振動，大大降低了泥漿管路的使用壽命。

為解決管路系統(tǒng)異常磨損與振動問題，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究。王盟等[3]、譚麗等[4]對重介選煤廠管路的磨損因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為運(yùn)輸速度、攻角和磨粒粒度等是影響管路磨損的主要原因。張慧君等[5]以高壓油煤漿輸送管路為研究對象，提出一種耐磨性高的變徑彎管。田中文等[6]分析了高濃度泥砂在長距離非直型管道中的流動壓強(qiáng)、流速和磨損特性，確定了發(fā)生異常磨損的管路位置。崔巍升等[7]以某塑料廠出料管為研究對象，通過有限元分析與現(xiàn)場測試，確定了引發(fā)管道振動的原因。錢德進(jìn)等[8]通過在管道表面添加阻振質(zhì)量的方法大大降低了出海管路的振動情況。陳果等[9]設(shè)計(jì)了一種彈簧片式動力吸振器，能夠有效改善管路系統(tǒng)的振動情況。但已有研究很少有針對泥水盾構(gòu)泥漿循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析的。本文以蘭州市城市軌道交通1號線某標(biāo)段泥水盾構(gòu)施工為背景，對泥水盾構(gòu)泥漿管路磨損和減振處理技術(shù)進(jìn)行分析探討，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 工程概況

1.1 工程簡介

蘭州市城市軌道交通1號線某標(biāo)段區(qū)間左線長984.791 m，右線長982.250 m。區(qū)間采用1臺開挖直徑為6.48 m的泥水盾構(gòu)施工，盾構(gòu)始發(fā)后自西向東下穿黃河，下穿黃河段長度約為317 m。區(qū)間隧道最大縱坡坡度為27‰，線路埋深為12.8～35 m，最小平面曲線半徑為500 m。

該泥水盾構(gòu)進(jìn)、排漿管的直徑為300 mm，進(jìn)漿流量為900 m3/h，出漿流量為950 m3/h，所采用泥漿的體積質(zhì)量為1.16 g/cm3，黏度為20～35 s。

1.2 工程地質(zhì)水文條件

盾構(gòu)區(qū)間地層為全斷面卵石層，卵石層局部夾有薄層或透鏡狀砂層，粒徑大于20 cm的漂石和卵石的平均含量占64.53%，且分布隨機(jī)性較強(qiáng)，無明顯的成層規(guī)律。據(jù)鉆孔資料及附近大基坑開挖資料顯示，最大粒徑約50 cm，如圖1所示。卵石母巖成分為花崗巖、石英巖等，具有級配不良、磨圓度較好和分選性較差等特點(diǎn)，卵石石英含量普遍較高，經(jīng)室內(nèi)石英含量分析，石英含量平均值約86.92%。

該卵石層富含地下水，屬孔隙性潛水，滲透系數(shù)大(平均60 m/d)。水位標(biāo)高為1 522.17～1 534.01 m，水位埋深為10.9～12.7 m。地下水分布較為連續(xù)，水位由東北向西南緩慢降低，主要接受大氣降水、地表水入滲以及黃河水補(bǔ)給，以徑流與地下越流方式排泄。

圖1 地層分布卵石

2 泥漿管路磨損與振動情況

盾構(gòu)始發(fā)段地層中卵礫石含量約占80%，在泥水盾構(gòu)循環(huán)系統(tǒng)的整個管路中，以排漿管路的磨損最為嚴(yán)重，其主要表現(xiàn)為沖蝕磨損。當(dāng)泥水盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)至246 m時，6#臺車換管器直角彎管被磨穿，其管路磨損程度如圖2所示； 當(dāng)掘進(jìn)至321 m時，6#臺車上部S管被磨穿。

管路振動主要集中在循環(huán)系統(tǒng)的各彎頭、三岔管以及排漿泵處，嚴(yán)重威脅設(shè)備安全。自盾構(gòu)始發(fā)到完成300環(huán)掘進(jìn)施工的過程中，有2個排漿泵泵殼損壞，如圖3所示。

圖2 6#臺車直角彎管磨穿

圖3 排漿泵泵殼損壞

采用TT3000型超聲波測厚儀(測量范圍0.75～30 mm，分辨率0.01 mm)對泥漿循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位的管壁進(jìn)行測量。測量時對每個位置進(jìn)行4次測量，記錄其最小值。各部位管壁厚度與掘進(jìn)距離的關(guān)系如圖4所示。

圖4 泥漿循環(huán)管路壁厚與掘進(jìn)距離的關(guān)系

Fig. 4 Relationship between wall thicknesses of slurry circulation pipe and shield boring distances

從圖4可以看出，各部位的管壁磨損量和掘進(jìn)距離基本成正比關(guān)系。管壁磨損速度與管道形狀有關(guān)： 6#臺車直角彎管和排漿泵出口彎管的磨損速度較大，每掘進(jìn)100 m平均磨損量分別為3.5、2.4 mm；采石箱進(jìn)口直管和6#臺車S彎管磨損速度較小，每掘進(jìn)100 m平均磨損量分別為1.8、1.95 mm。

3 泥漿管路磨損與振動原因分析

泥水盾構(gòu)在卵礫石地層掘進(jìn)過程中，盤形滾刀對掌子面上的大粒徑卵礫石進(jìn)行初次破碎，然后通過刮刀將其刮入開挖艙內(nèi)。在泥漿流動和重力作用下，卵礫石在氣墊艙底部聚集，再經(jīng)過碎石機(jī)二次破碎，最終進(jìn)人泥漿循環(huán)系統(tǒng)。

對于泥漿管路循環(huán)系統(tǒng)，泥漿輸送速度、含砂量和輸送物料性質(zhì)等是影響管路磨損的主要因素。卵礫石地層具有較大的孔隙直徑，為了有效地在開挖面上形成泥膜，需要在泥漿中添加一定重量的細(xì)砂或重晶石，因此相對于其他地層，卵礫石地層泥水盾構(gòu)所用泥漿的含砂量較高。B. S. Mclaury等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，泥漿含砂量與管路磨損程度成正相關(guān)關(guān)系。因此，泥漿含砂量的增加是造成泥漿循環(huán)管路異常磨損的因素之一。除此之外，循環(huán)管路所運(yùn)輸?shù)奈锪蠟閯偲扑榈穆咽?，具有粒徑大、石英含量高和尖角多的特點(diǎn)。石塊的粒度越大，其動能越大，沖擊管壁時所造成的磨損越嚴(yán)重； 高石英含量使得石塊表面的強(qiáng)度很高，加之石塊外形尖角較多，對管壁的沖蝕多表現(xiàn)為切削磨損，遠(yuǎn)大于球形磨粒沖蝕所產(chǎn)生的塑性變形磨損[11]。

泥漿在流經(jīng)管道的過程中，一方面，由于管路的彎頭、管徑變化以及閥門的開啟與關(guān)閉等因素影響，不可避免地產(chǎn)生流速、壓頭的變化，加之泥漿泵在進(jìn)漿與排漿時存在一定的周期性，使得管流的壓力、速度和密度等參數(shù)既隨位置變化，又隨時間變化產(chǎn)生了管道振動問題；另一方面，管道內(nèi)的大量石塊在運(yùn)輸過程中，在管路彎頭和泥漿泵處發(fā)生劇烈碰撞，形成激振力，同樣引發(fā)管路系統(tǒng)的強(qiáng)烈振動。

4 管路磨損與減振改進(jìn)措施

4.1 磨損改進(jìn)措施

1)對所有排漿管路采用偏心加厚設(shè)計(jì)，如圖5所示，從物理性能上增強(qiáng)耐磨性。石塊在泥漿管路運(yùn)輸過程中的運(yùn)動軌跡較為固定，因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定將會出現(xiàn)劇烈磨損的管壁位置，對其進(jìn)行偏心加厚，如直管的底部、彎管的外側(cè)(沖刷面)等。

2)所有的結(jié)合面采用整體鑄造方式，有效地避免了焊縫長期受到局部撞擊而加速磨損。

3)在排漿管路所有的沖刷面加裝防磨環(huán)，如圖6所示。一方面對物料的沖刷起到防磨作用；另一方面改變物料的流向，減小物料與管壁之間的沖擊角，減小對沖刷點(diǎn)長期不間斷的撞擊沖刷磨損。

4)管路內(nèi)壁內(nèi)襯抗磨合金鋼。耐磨管路的外壁采用Q235普通耐磨鋼管，內(nèi)襯采用高鉻鉬抗磨合金鋼(KMTBCr20Mo2Cu1)，熱處理硬度HRC>58，既保證泥漿管道的焊接性能，又使得泥漿管道具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性能，大大增加了泥漿管道的使用壽命(是普通耐磨材料Q345、16Mn使用壽命的5～12倍)。普通耐磨管材和雙金屬耐磨管材材料的機(jī)械性能對比如表1所示。

圖5 管路沖刷面偏心加厚(單位： mm)

圖6 管路沖刷面加裝防磨環(huán)(單位： mm)

材料型號抗拉強(qiáng)度/Mpa沖擊韌度/(J/cm2)內(nèi)壁硬度/HRCKMTBCr20Mo2Cu1800～8605～855～60Q345/16Mn470～66012～14

該工程所使用泥水盾構(gòu)在6#臺車上部S管磨穿(掘進(jìn)321 m)后，對所有泥漿循環(huán)管路采取了上述更換或改進(jìn)措施，至隧道貫通(總長為984.791 m)未再出現(xiàn)管路磨穿問題。

4.2 減振改進(jìn)措施

管道的振動雖不可避免，但可以通過相關(guān)措施盡量減小。利用彈性管段將管道與振動源隔離，采用減振材料制造管壁和采用撓性管接頭連接管道等措施可有效減小振動在管壁內(nèi)的傳遞，降低管內(nèi)壓力脈動[12]。減振喉是一種用于金屬管道之間，起撓性連接作用的中空橡膠制品，可有效降低振動及噪音，目前已廣泛應(yīng)用于各種管道系統(tǒng)。根據(jù)泥漿管路結(jié)構(gòu)分析，對可能出現(xiàn)較大振動的排漿泵出口排漿管和排漿三叉管加裝減振喉，以減小振動損害，如圖7所示。在之后的掘進(jìn)過程中，排漿泵出口及連接橋三叉管振動較小，未出現(xiàn)部件損壞，減振效果明顯。此外，為了盡量降低水錘現(xiàn)象對管路沖擊的影響，應(yīng)適當(dāng)增加環(huán)流系統(tǒng)各閥門開啟與關(guān)閉的時間，泥漿泵在啟動與停泵時應(yīng)通過變頻調(diào)速緩慢增加和降低泵的轉(zhuǎn)速。

圖7 排漿泵出口處的減振喉

5 結(jié)論與討論

泥漿含砂量高、破碎卵石粒徑大、石英含量高和尖角多是泥水盾構(gòu)在卵礫石地層中掘進(jìn)時易出現(xiàn)管路異常磨損的主要原因。對排漿管采用偏心加厚設(shè)計(jì)、結(jié)合面整體鑄造、沖刷面增加耐磨環(huán)和排漿管路內(nèi)壁澆筑高鉻鉬抗磨合金鋼內(nèi)襯的方式能有效提升循環(huán)管路的耐磨性能。而通過在管道連接處增加減震喉的方式，能夠有效降低排漿泵出口和排漿三叉管的振動。

本文所提出的管道磨損改進(jìn)措施主要是針對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，下一步可以從泥漿參數(shù)、提高碎石機(jī)破碎效率等方面進(jìn)行改進(jìn)。減振喉雖能有效降低管路振動，但由于泥漿循環(huán)管路需輸送大量石塊，大大縮短了減振喉的使用壽命，其經(jīng)濟(jì)性有所欠缺。

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Countermeasures for Reducing Wear and Vibration of Slurry Pipe of Slurry Shield

DONG Borang

(Lanzhou Rail Traffic Construction Headquaters, China Railway Construction Corporation Limited, Lanzhou 730030, Gansu, China)

The wear and vibration of slurry pipe of slurry shield boring in large-diameter cobble stratum of a bid section of Lanzhou Metro are studied; and then the causes of wear and vibration of slurry pipe are analyzed. A series of improvements, i.e. eccentric thickening of slurry pipes, entirety casting of integrated surface, increasing wear rings in the scour surface, adding lining on pipe inner wall with high chromium molybdenum antiwear alloy steel and installing shock absorber on the connection of pipelines, are carried out. The wear resistance property of the slurry pipe has been obviously improved; and its vibration has been reduced.

slurry shield; slurry pipe; wear; vibration reduction

2016-01-25;

2016-04-09

董伯讓(1966—)，男，山東定陶人，1989年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，熱能動力與裝置專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事盾構(gòu)施工與技術(shù)管理工作。E-mail： dongborang@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.016

U 455

B

1672-741X(2016)11-1385-04