陳文遠(yuǎn)

（中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，陜西 西安 710054）

隨著城市地鐵、公路、鐵路、引水等工程建設(shè)不斷加快及對(duì)施工安全、質(zhì)量、工期、成本等要求的不斷提高，泥水平衡盾構(gòu)施工工法被越來(lái)越多的應(yīng)用于過(guò)江、過(guò)海及大直徑隧道的工程建設(shè)中。泥水環(huán)流系統(tǒng)作為泥水盾構(gòu)施工的重要組成部分，其設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性及設(shè)備的選型的正確性，對(duì)施工的安全、質(zhì)量、工期、成本有著重要的影響。

1 工程概況

武漢地鐵6號(hào)線一期10標(biāo)包含鐘家村豎井—琴臺(tái)站區(qū)間（簡(jiǎn)稱鐘琴區(qū)間）和琴臺(tái)站—武勝路站區(qū)間（簡(jiǎn)稱琴武區(qū)間）。鐘琴區(qū)間隧道左線長(zhǎng)度為389.3m，右線長(zhǎng)度為425.2m，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。琴武區(qū)間隧道左線長(zhǎng)度為1732.1m，右線長(zhǎng)度為1691.4m，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。琴武區(qū)間最大埋深約為43.0m，最小埋深約為14.93m，隧道穿越約350m寬的漢江，區(qū)間最小平曲線半徑350m，最大坡度25.634‰。

琴武區(qū)間隧道穿越主要地層為3-5粉質(zhì)黏土夾粉砂（約20%）、4-1a粉質(zhì)黏土（約12%）、4-2粉細(xì)砂（約40%）、20a-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖（約5%）、20a-2中等風(fēng)化泥巖（約10%）、其余為細(xì)沙、礫石等（約13%）。在350m寬穿越漢江地段，地層范圍內(nèi)主要為4-2b黏土、4-3中砂、20a-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖、20b-1強(qiáng)風(fēng)化破碎泥巖。

琴武區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)機(jī)從琴臺(tái)站始發(fā)，穿越漢江后到達(dá)武勝路站，泥水處理系統(tǒng)布置在鐘家村豎井圍擋內(nèi)。該區(qū)間從管片外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，環(huán)寬1500mm，分度22.5°，開(kāi)挖直徑6470mm。

泥水加壓盾構(gòu)工法的基本原理是：經(jīng)過(guò)合理調(diào)整比重、壓力和流量的泥漿被送入盾構(gòu)機(jī)的開(kāi)挖倉(cāng)，與切削后的泥土混合后被排出，經(jīng)流體輸送設(shè)備輸送至泥水處理站分離出泥土，并調(diào)整泥漿比重后再次循環(huán)使用。該標(biāo)段進(jìn)、排漿管路的直徑設(shè)計(jì)為DN300mm，設(shè)計(jì)的進(jìn)漿最大流量為900m3/h，排漿最大流量為950m3/h。

2 泥水環(huán)流系統(tǒng)工作模式

泥水環(huán)流系統(tǒng)工作模式主要分為旁通模式、掘進(jìn)模式、保壓模式、管路延伸模式和逆沖洗模式。

2.1 旁通模式

旁通模式如圖1所示，進(jìn)漿閥V31和排漿閥V51關(guān)閉，旁通閥V41開(kāi)啟。地面泥漿池的膨潤(rùn)土漿液經(jīng)進(jìn)漿泵送入盾構(gòu)機(jī)后并不進(jìn)入開(kāi)挖艙，而是通過(guò)旁通閥V41后直接進(jìn)入排漿管，從而返回地面泥漿池。掘進(jìn)模式、逆沖洗模式、保壓模式和管路延伸模式相互切換時(shí)都必須通過(guò)旁通模式。

圖1 旁通模式

2.2 掘進(jìn)模式

掘進(jìn)模式如圖2所示，進(jìn)漿閥V31和排漿閥V51開(kāi)啟，旁通閥V41關(guān)閉。在正常掘進(jìn)時(shí)，新鮮的膨潤(rùn)土漿液由地面不斷地輸送進(jìn)來(lái)，以確保與開(kāi)挖倉(cāng)中的切削下來(lái)的渣土混合。排漿泵將開(kāi)挖下來(lái)的渣土與膨潤(rùn)土漿液一起泵送到地面的泥水分離設(shè)備。

2.3 保壓模式

保壓模式如圖3。在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的情況下，泥水倉(cāng)內(nèi)可能發(fā)生泥漿的損失，為了保持掌子面的壓力需要對(duì)泥水倉(cāng)內(nèi)的泥漿液位進(jìn)行控制，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行液位補(bǔ)充，膨潤(rùn)土罐中的膨潤(rùn)土由壓縮空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供的壓力來(lái)補(bǔ)償開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)的壓力損失，相當(dāng)于替代型氣墊倉(cāng)功能。

圖2 掘進(jìn)模式

圖3 保壓模式

2.4 管路沿伸模式

管路延伸模式如圖4所示，為了能在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)管路進(jìn)行延伸，需通過(guò)延伸裝置周期性對(duì)進(jìn)排漿管路進(jìn)行加長(zhǎng)。管路延伸模式下?lián)Q管處的閥V33和V53以及離換管處最近的閘閥關(guān)閉，進(jìn)排漿管路中剩余的漿液流入收集槽內(nèi)，通過(guò)渣漿泵將漿液排入氣墊倉(cāng)內(nèi)。管路延伸方式通常有活塞式和軟管卷盤(pán)式兩種。

圖4 管路沿伸模式

2.5 逆沖洗模式

逆沖洗模式如圖5所示，閥V31和V48關(guān)閉，V41和V51開(kāi)啟，該模式在開(kāi)挖倉(cāng)底部沉渣較多或排漿管路堵塞的情況下使用。前方進(jìn)漿噴嘴全部關(guān)閉，新鮮的膨潤(rùn)土漿液直接通過(guò)旁通閥進(jìn)入排漿管，對(duì)排漿管或者開(kāi)挖倉(cāng)底部進(jìn)行沖刷。隨著工作倉(cāng)內(nèi)膨潤(rùn)土漿液的增加，為維持壓力平衡，需將此部分漿液排出，即通過(guò)反向沖洗管路由P2.1 泵排出。

圖5 逆沖洗模式

3 泥水環(huán)流系統(tǒng)容量計(jì)算

3.1 基本參數(shù)

武漢地鐵6號(hào)線一期10標(biāo)標(biāo)段工程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 武漢地鐵6號(hào)線一期10標(biāo)標(biāo)段工程數(shù)據(jù)

出渣量：

排漿流量：

進(jìn)漿流量：

3.2 環(huán)流系統(tǒng)臨界流速

設(shè)計(jì)流速是指設(shè)計(jì)充滿管道內(nèi)的水流平均速度。為了防止管道中產(chǎn)生淤積或過(guò)度沖刷，設(shè)計(jì)流速應(yīng)處于最大和最小設(shè)計(jì)流速范圍之內(nèi)。最小設(shè)計(jì)流速是保證管道內(nèi)不致發(fā)生淤積的控制流速，含有大顆粒的管道，最小設(shè)計(jì)流速宜適當(dāng)加大，其值根據(jù)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)值決定，此流速由臨界流速計(jì)算可得；最大設(shè)計(jì)流速與管材相關(guān)，是保證管道不因長(zhǎng)期劇烈沖刷而縮短運(yùn)行壽命的控制流速。通常，金屬管道的最大設(shè)計(jì)流速為10m/s，非金屬管道的最大設(shè)計(jì)流速為5m/s。

通常設(shè)計(jì)流速取值范圍為2～5m/s。設(shè)計(jì)流速不宜過(guò)大，因?yàn)楣艿乐械淖枇㈦S速度的平方而增大，管道的磨損也將隨速度的提高而顯著加劇，導(dǎo)致管路使用成本增高。管道阻力的增大，就要提高輸送泵的功率，從而增高能源消耗費(fèi)用。

根據(jù)流體的流量和流速的大小，管路的直徑可按式（1）計(jì)算：

式中：d為管路的直徑，mm； Q為管路的流量，L/min；V為管路的流速，。

取Q=900m3/h=15000 L/min，V=4m/s ，經(jīng)過(guò)計(jì)算得d≥282mm，因此取d-300mm。

為了保證管道內(nèi)無(wú)沉淀，必須保證管道內(nèi)具有一定的流速。進(jìn)排泥漿管路內(nèi)的臨界流速可按Durand公式（2）計(jì)算：

3.3 進(jìn)漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.3.1 進(jìn)漿流速與流量的計(jì)算

根據(jù)式（2），取FL-0.8，g-9.8m/s2，d-=0.3m，計(jì)算可得進(jìn)漿管的臨界流速為：

進(jìn)漿管的最低流量可按式（3）計(jì)算：

式中：Q進(jìn)min為進(jìn)漿管的最低流量，m3/h；d為管路的直徑，m；v為管路的臨界流速，m/s。

3.3.2 進(jìn)漿揚(yáng)程的計(jì)算

進(jìn)漿揚(yáng)程可按式（4）計(jì)算：

式中：H進(jìn)為進(jìn)漿揚(yáng)程，m；為隧道的最大埋深，m；為泥水艙壓力為管路阻力的損失揚(yáng)程，m；的損失揚(yáng)程，m。

3.3.3 進(jìn)漿泵功率及數(shù)量的計(jì)算與選型

進(jìn)漿的功率按式（5）計(jì)算：

式中：P進(jìn)為進(jìn)漿功率，kW；ρ為泥漿的密度，kg/ m3；g 為重力加速度，m/ s2；Q為泵的流量，m3/s；H 為泵的揚(yáng)程，m；η為泵的效率。

故進(jìn)漿泵的功率選定為315kW或者400kW均滿足要求。

3.4 排漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.4.1 排漿流速與流量的計(jì)算

排漿管的最低流量可按式（6）計(jì)算：

式中：Q排min為排漿管的最低流量，為管路的直徑，m；v 為管路的臨界流速，m s /。

3.4.2 排漿揚(yáng)程的計(jì)算

排漿揚(yáng)程可按（7）式計(jì)算：

式中：H排為排漿揚(yáng)程，m；Ha為隧道的最大埋深，m；Hv為管路阻力的損失揚(yáng)程，m；Hw為泥水艙壓力的損失揚(yáng)程，m；Hs為泥水分離站到井口的高度，m。

在標(biāo)段中，隧道的最大埋深為43m，因此取Ha=43m。排漿管路的總長(zhǎng)度同進(jìn)漿系統(tǒng)，為2600m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，排漿管路中每100m損失6m揚(yáng)程，泥水艙壓力損失揚(yáng)程為Hw=-30m。泥水分離站到進(jìn)口的高度，計(jì)算可得：

3.4.3 排漿泵功率及數(shù)量的計(jì)算與選型

排漿的功率按（8）式計(jì)算：

式中：P排為排漿功率，kW；ρ為泥漿的密度，為重力加速度，為泵的流量，m s；3/H 為泵的揚(yáng)程，m；η為泵的效率。

故排漿泵的功率選定為400kW，滿足要求。

本設(shè)計(jì)計(jì)算中進(jìn)排漿泵的功率和揚(yáng)程為理論計(jì)算值，并且沒(méi)有考慮90°彎頭、45°彎頭、各種閥門(mén)等對(duì)管路沿程損失的影響，同時(shí)，在實(shí)際施工中由于泥水分離效果無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值導(dǎo)致泥漿密度增大、泵的實(shí)際工作效率達(dá)不到設(shè)計(jì)值等，都將導(dǎo)致實(shí)際的泵功率比理論計(jì)算值大。因此，為了滿足實(shí)際施工需求，泥水環(huán)流系統(tǒng)配置的泵功率都應(yīng)該預(yù)留安全系數(shù)，以應(yīng)對(duì)施工中各種工況。

4 結(jié)語(yǔ)

本論文通過(guò)對(duì)泥水平衡盾構(gòu)施工泥水環(huán)流系統(tǒng)的介紹和設(shè)計(jì)計(jì)算，為泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)的設(shè)備選型、采購(gòu)、操作、維保等提供了依據(jù)，同時(shí)也為后續(xù)工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算提出了參考。該標(biāo)段工程施工已經(jīng)順利結(jié)束，證明設(shè)計(jì)計(jì)算完全滿足實(shí)際施工的要求。但同時(shí)應(yīng)看到施工中的實(shí)際工況與理論工況存在較大差別，必須結(jié)合地質(zhì)、環(huán)境、水文等因素對(duì)泵功率和揚(yáng)程保留足夠的安全系數(shù)，并結(jié)合工程施工經(jīng)驗(yàn)，才能保證泥水環(huán)流系統(tǒng)在隧道掘進(jìn)的過(guò)程中高效穩(wěn)定的運(yùn)行。

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