孫 恒,黃新淼,2,馬 超,陳少林,2,羅利平,2,張紅偉,2
(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.中交二航局成都城市建設(shè)工程有限公司,四川 成都 610218)
我國泥水盾構(gòu)的開端始于1993 年底開建的廣州地鐵1 號(hào)線,歷經(jīng)了近30 年的發(fā)展,泥水盾構(gòu)隧道技術(shù)已成為我國地下工程建設(shè)領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。單就設(shè)備而言,泥水盾構(gòu)與土壓盾構(gòu)最大區(qū)別在于,土壓盾構(gòu)是通過土倉內(nèi)的渣土來穩(wěn)定開挖面,出渣是通過螺旋輸送機(jī)和皮帶機(jī)排至渣土斗,再通過電瓶車和門式起重機(jī)運(yùn)送至地面渣土場(chǎng);泥水盾構(gòu)則是通過環(huán)流系統(tǒng)來穩(wěn)定開挖面,同時(shí)通過排泥泵直接將渣土泵送至地面泥水站。泥漿泵作為環(huán)流系統(tǒng)中的重要輸送設(shè)備,其選型和設(shè)計(jì)是否合理,直接影響到盾構(gòu)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[2],同時(shí)選型成功與否也會(huì)對(duì)工期、成本和安全造成一定的影響。因此在泥水盾構(gòu)選型階段,對(duì)于泥漿泵的關(guān)鍵參數(shù)選型至關(guān)重要。
目前研究學(xué)者對(duì)泥漿泵選型大致從以下幾個(gè)方面開展研究:(1)通過對(duì)本工程選型計(jì)算所需的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行收集,再通過理論公式計(jì)算得到進(jìn)排泥所需的總揚(yáng)程量。然后確定進(jìn)排泥泵的型號(hào)及數(shù)量,最后再計(jì)算得到功率匹配性良好的電機(jī)。這也是目前大部分研究學(xué)者的選型思路[2-13]。(2)針對(duì)于泥漿泵的某一特性進(jìn)行針對(duì)性研究。如董柏讓[14]、崔建等[15]對(duì)泥漿管路的磨損特性進(jìn)行了研究分析,提出了相應(yīng)的管路減磨措施;孔玉清[16]、陳健等[10]結(jié)合具體工程,對(duì)排泥管攜渣能力進(jìn)行了分析,研究結(jié)論對(duì)于泥漿管路合理選用具有指導(dǎo)意義。(3)研究泥漿泵相關(guān)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系。如秦邦江等[17]通過管路壓力損失分析,計(jì)算得到泥漿環(huán)流的泵揚(yáng)程參數(shù);孫桐林[18]研究泥漿管中的顆粒粒徑、密度對(duì)管道壓力損失的影響;孫寧川[19]研究流量與盾構(gòu)掘進(jìn)速度之間的關(guān)系,提出了按照3~4 cm/min 的推進(jìn)速度來選擇泥漿流量較為合理且經(jīng)濟(jì);李新月[20]通過獅子洋隧道工程,分析不同地層特性對(duì)進(jìn)排泥量的影響;趙運(yùn)臣等[21]結(jié)合武漢長(zhǎng)江隧道工程,研究了進(jìn)排泥泵配置及進(jìn)漿密度對(duì)最大掘進(jìn)速度的影響。
上述研究成果對(duì)于國內(nèi)泥水盾構(gòu)的發(fā)展有一定的推動(dòng)作用,但也存在部分問題:(1)目前對(duì)于泥漿泵選型采用到的計(jì)算公式部分未能統(tǒng)一,存在一定的差異性;(2)即使部分計(jì)算公式能夠統(tǒng)一,但對(duì)于公式中的系數(shù)取值也不盡相同,未對(duì)系數(shù)取值進(jìn)行進(jìn)一步說明,對(duì)計(jì)算公式的研究局限于表面;(3)目前我國大規(guī)模使用泥水盾構(gòu)法修建隧道已有一定的基礎(chǔ),不同工程對(duì)于泥漿泵的選取存在一定的差異性和規(guī)律性,卻未有系統(tǒng)性研究。
鑒于此,筆者從統(tǒng)計(jì)的實(shí)際工程案例入手,分析泥水盾構(gòu)泥漿泵選型關(guān)鍵參數(shù)的規(guī)律性,并對(duì)相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行優(yōu)化,旨在為后續(xù)工程提供參考。
泥漿泵的選型與設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)隧道的進(jìn)展與成敗,現(xiàn)將15 個(gè)隨機(jī)統(tǒng)計(jì)到的已建成的泥水盾構(gòu)隧道,在施工階段所選用的進(jìn)排泥泵關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行列表分析,具體詳見表1。主要從開挖直徑、隧道長(zhǎng)度和穿越主要地層與進(jìn)排泥的管徑、密度和流量等方面進(jìn)行相關(guān)差異性和規(guī)律性分析。數(shù)據(jù)主要來源于已發(fā)表的書籍文獻(xiàn)和本單位已建工程的相關(guān)資料。
進(jìn)排泥管內(nèi)徑是泥漿泵選型的關(guān)鍵因素之一。大部分工程所采用進(jìn)排泥管的管徑相同,目的是便于統(tǒng)一采購和使用。在統(tǒng)計(jì)到的15 個(gè)工程案例中,僅有3 個(gè)案例所使用的管徑不同。一般來說,管徑過大,會(huì)造成管道內(nèi)的流速過慢,不利于攜渣和排渣;管徑過小,不利于大顆粒的排出,同時(shí)也會(huì)加劇管路的磨損。將統(tǒng)計(jì)到的15 個(gè)工程案例中的開挖直徑與進(jìn)排泥管徑進(jìn)行對(duì)比分析,繪制成的散點(diǎn)圖如圖1 和圖2 所示。
圖1 開挖直徑與進(jìn)泥管徑的關(guān)系Fig.1 Relationship between excavation diameter and inlet mud pipe diameter
圖2 開挖直徑與排泥管徑的關(guān)系Fig.2 Relationship between excavation diameter and discharge mud pipe diameter
通過對(duì)圖1 和圖2 進(jìn)行分析,可以看出:當(dāng)開挖直徑越大,所配套使用的管徑一般就會(huì)越大,基本呈線性關(guān)系,通過擬合線性曲線,得到的進(jìn)泥管徑與開挖直徑一元線性方程為:y=0.025x+(138.687±16.609),相關(guān)性系數(shù)R2≈0.96;排泥管徑與開挖直徑一元線性方程為:y=0.027x+(116.005±21.521)。散點(diǎn)圖中某些數(shù)據(jù)波動(dòng)較大(圖1、圖2 中標(biāo)紅點(diǎn)),可能的原因是存在同一個(gè)施工單位在不同工程重復(fù)使用同一批泥漿管路的緣故,目的是節(jié)約施工成本,但絕大部分工程基本都在擬合曲線的正常范圍內(nèi);按照?qǐng)D1 和圖2 所擬合的公式,可以在選型初期基本確定所采用的管徑處于哪個(gè)范圍較為合理。
考參獻(xiàn)[2][3]-[4][5][6][7][8][9]文[10]--[11][12][13]泥排臺(tái)數(shù)333324456233623泵泥進(jìn)臺(tái)數(shù)222213222-221-1泵電4 5泥功/kW-排機(jī)率350 400 435 335+200-800 400 500+315×132+90×5-900 1100 250+160×1100電泥功/kW進(jìn)機(jī)率235 315 315-200-630 315 250+90-800 1100 250--泥揚(yáng)排泵/m-7069.5程75.5 73/35787066/3530/25-56.8-43.7/2870-泥揚(yáng)進(jìn)泵/m-70程68.2-50766358 46.5/15-60.32-46--泵AN AN 10/8GH AN號(hào)AN AN 12/10GH AN 10/8GH泥排10/8GH WARM 10/8GH型12/10GH WARM WARM WARM AN WARM --WARM WARM 10/8S-G 300SHGAN WARM WARMAN 300SHG WARM 300SHG NS-KH AN 10/8AH 250--泵AN AN AN 10/8GH 10/8GH AN泥AN 12/10AH WARM WARM AN WARM AN AN AN 10/8AH型號(hào)-進(jìn)WARM NS-KH WARM 250--WARM WARM覽12/10GH 12/10G-G WARM 14/12G-G WARM 14/12G-G一/(m3·流904數(shù)泥720 h-1)900 816 970 880 720排參量1200 1810 1420 1830 2500 3180 2800 1903關(guān)鍵泥860流/(m3·h-1)型786 600-700 702 1100 1530 1190 530-2100 2710-1588選進(jìn)量泥/(g·泵漿1.30排度cm-3)密1.30 1.35 1.30 1.30 1.35 1.35 1.30 1.35 1.30 1.35 1.45 1.42 1.20 1.35泥程泥/(g·進(jìn)工密同度cm-3)1.15 1.15 1.15-1.15 1.20 1.25 1.10 1.22-1.15 1.15 1.22 1.10 1.10不泥1 /--排255 Table 1 List of the key parameters for mud pump selection for different projects管mm300徑300 300 355 350 400 387 205 450 450 500 305 450 450表泥/進(jìn)管mm300徑300 305 300 355 350 400 387 310 450 450 500 255 450 450道/隧度長(zhǎng)m2359 1731 2670 3100 2400 3450 3660 4500 1200 1837 2450 4000 1563 3185 3600泥土泥、、、巖砂砂石礫粘粘化質(zhì)、強(qiáng)層風(fēng)砂、細(xì)泥、粉、砂、淤土、卵泥巖地質(zhì)礫粗土砂、強(qiáng)、粉碎土砂巖土層粘礫土砂要破中粘粘粗砂粘砂質(zhì)巖、淤粉粉巖、圓主砂化石礫質(zhì)、中質(zhì)粉質(zhì)土、圓砂層質(zhì)質(zhì)礫石越巖風(fēng)層土粉粘質(zhì)、粉、粉、卵、粉化砂、含土化、泥、粉穿砂、強(qiáng)粘、中砂質(zhì)、中土砂風(fēng)、砂、卵砂粉砂砂石質(zhì)砂細(xì)砂質(zhì)、泥粉粉粘砂等層土砂中細(xì)質(zhì)巖細(xì)粉礫泥粉細(xì)巖細(xì)質(zhì)質(zhì))細(xì)中質(zhì)土細(xì)細(xì)粘泥粗粉砂粉淤粉粉粉(粉)細(xì)粉(中)風(fēng)粘粉粉挖/開徑直mm6300 6470 6520 6520-9000 10880 11182 11220 11640 12160 14890(11580 12100 11640臺(tái)庭隧普玉12 標(biāo)道間過琴積京厚站洞標(biāo)納通中站稱線線站站線路線隧望道道卡江構(gòu)線洲名洲漢6 號(hào)黃線路SDⅢ隧隧港道過盾心目道勝2 號(hào)園2 號(hào)江2 號(hào)穿專道路路大隧路道水10 號(hào)江項(xiàng)隧鐵武鐵桔鐵—鐵調(diào)運(yùn)隧連江吉底三隧泥鐵-鐵地—地—地站地北段客洋大望拉河緯路某地井地漢站州站漢橋漢水河沈道子段海州加里京翔漢京風(fēng)某武福武武南京獅上杭孟南殷武南序號(hào)123456789101112131415
進(jìn)排泥流量也是泥漿泵選型的關(guān)鍵因素之一。正常施工期間的進(jìn)排泥流量不是固定值,而是與掘進(jìn)速度有關(guān):掘進(jìn)速度越快,切削下來的渣土就越多,為了保證開挖面的穩(wěn)定,需要及時(shí)將渣土排出,勢(shì)必就會(huì)造成排泥流量的增加,與此同時(shí)也增加了開挖面所需的進(jìn)泥量。目前大部分選型計(jì)算中,都會(huì)要求使用最大挖掘速度進(jìn)行選型設(shè)計(jì)(一般考慮為60 mm/min),這是較為科學(xué)且合理的。將開挖直徑與進(jìn)排泥流量進(jìn)行分析(圖3、圖4),可以看出:開挖直徑越大,所需要的進(jìn)排泥量一般就會(huì)越大,基本呈線性關(guān)系;散點(diǎn)圖中某些數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,可能的原因是存在同一個(gè)施工單位多次使用同一規(guī)格的泥漿泵的緣故,目的是節(jié)約施工成本,由于泵的揚(yáng)程限制,進(jìn)排泥流量可能會(huì)與開挖直徑不匹配,但絕大部分工程基本都在擬合曲線的正常范圍內(nèi);按照?qǐng)D3和4 所擬合的公式,可以在選型初期基本確定進(jìn)排泥量處于哪個(gè)范圍較為合理。
圖3 開挖直徑與進(jìn)泥流量的關(guān)系Fig.3 Relationship between excavation diameterand inlet mud flow
圖4 開挖直徑與排泥流量的關(guān)系Fig.4 Relationship between excavation diameter and discharge mud flow
通過上面確定的管徑和流量可以初步判斷流速是否處于正常范圍。
當(dāng)選用的管徑和流速確定之后,按照正常選型思路,就可以計(jì)算得到本工程所需的總揚(yáng)程量,最后得到每臺(tái)泵所配套的電機(jī)功率。帶動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)功率是選型的關(guān)鍵因素之一,將隧道長(zhǎng)度和開挖直徑與總電機(jī)功率通過散點(diǎn)圖繪制出,如圖5 和圖6 所示,從圖中可以看出:開挖直徑越大、隧道長(zhǎng)度越長(zhǎng),所需要總電機(jī)功率就越大;電機(jī)功率在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)均會(huì)考慮20%~40%的富余量,且不同工程考慮的富余量不同。因此即使相同掘進(jìn)距離且相同開挖直徑的工程,其總電機(jī)功率也會(huì)有一定的偏差;由于收集到的文獻(xiàn)資料中對(duì)于電機(jī)功率描述較少,導(dǎo)致樣本數(shù)據(jù)偏少,對(duì)于線性擬合較為困難,但可以在后期數(shù)據(jù)逐漸累積中逐漸進(jìn)行線性擬合。
圖5 開挖直徑、隧道長(zhǎng)度與進(jìn)泥泵電機(jī)總功率關(guān)系Fig.5 Relationship between excavation diameter,tunnel length and total power of the inlet mud pump motor
圖6 開挖直徑、隧道長(zhǎng)度與排泥電機(jī)總功率關(guān)系Fig.6 Relationship between excavation diameter,tunnel length and total power of the discharge mud pump motor
泥水盾構(gòu)常用于穿江、湖、海等大型水下隧道中,掘進(jìn)距離大都超過1 km,最長(zhǎng)可達(dá)4~5 km。單個(gè)進(jìn)排泥泵難以滿足整個(gè)隧道貫通,因此需要隔一段距離設(shè)置中繼泵用于接力。通過若干臺(tái)中繼泵的配合,使每臺(tái)泵的性能都在允許范圍內(nèi),既能確保泵送泥漿的穩(wěn)定,同時(shí)也能保證泥漿泵的功效發(fā)揮和使用壽命。
不同工程的中繼泵安裝數(shù)量并不固定,主要受制于隧道長(zhǎng)度,同時(shí)受隧道坡度、埋深、泥水站到始發(fā)井口的長(zhǎng)度和電機(jī)功率等多因素的影響。用隨機(jī)統(tǒng)計(jì)到的15 個(gè)工程中的隧道長(zhǎng)度,除以進(jìn)排泥泵的數(shù)量,并繪制如圖7 所示的柱狀圖。
圖7 單個(gè)泵維持的平均距離Fig.7 Average excavation length per pump
從圖7 可以看出:?jiǎn)蝹€(gè)進(jìn)泥泵的平均維持距離>單個(gè)排泥泵的平均維持距離,其中一個(gè)原因是排泥泵需要克服井口到地面以及地面到泥水處理站高度這段揚(yáng)程損耗,而對(duì)于進(jìn)泥泵來講,這兩段高差剛好是進(jìn)泥的揚(yáng)程增益,另一個(gè)原因是由于排泥泥漿密度大于進(jìn)泥泥漿密度;進(jìn)泥泵的平均維持距離大部分在(1500±250)m 之間,排泥泵的平均維持距離大部分處于(1000±100)m 之間,按照這一思路,可以在選型初期基本確定所采用的進(jìn)排泥泵的臺(tái)數(shù)。
進(jìn)泥密度與不同地層所需建立的泥膜有關(guān),排泥密度則與地層特性、攜渣能力等因素有關(guān)。整個(gè)隧道的泥漿密度并不固定,而是呈正態(tài)分布[14]。選型階段計(jì)算所采用的泥漿密度應(yīng)該是隧道正常掘進(jìn)期間所出現(xiàn)的頻率最高的密度。但由于選型階段還未實(shí)施,因此大部分工程在進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)所使用的進(jìn)排泥密度存在經(jīng)驗(yàn)性。
將統(tǒng)計(jì)到的15 個(gè)工程中,不同進(jìn)排泥密度出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行分析,繪制成如圖8 和圖9 所示的柱狀圖。從圖中可以看出:進(jìn)泥密度大部分選用1.15 g/cm3,排泥密度大部分選用1.3 g/cm3和1.35 g/cm3。對(duì)出現(xiàn)進(jìn)排泥密度為1.15∶1.3 和1.15∶1.35 的工程所屬地層進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于這兩個(gè)組合所對(duì)應(yīng)的地層情況基本攬括了國內(nèi)典型的軟土地層和復(fù)合地層,因此大部分工程在選型計(jì)算時(shí)可以采用這兩類組合進(jìn)行計(jì)算。
圖8 進(jìn)泥密度出現(xiàn)的頻數(shù)Fig.8 Occurrence frequency of various inlet mud densities
圖9 排泥密度出現(xiàn)的頻數(shù)Fig.9 Occurrence frequency of various discharge mud densities
在隨機(jī)統(tǒng)計(jì)到的15 個(gè)工程中,絕大數(shù)都增設(shè)了2~3 臺(tái)進(jìn)排泥所需的中繼泵,一方面說明單個(gè)進(jìn)排泥泵的揚(yáng)程難以滿足整個(gè)隧道的貫通,另一方面也說明了中繼泵是泥水盾構(gòu)系統(tǒng)中極為重要的附屬設(shè)備之一。由于需要在盾構(gòu)主控室內(nèi)進(jìn)行集中控制,因此對(duì)中繼泵的安全性和系統(tǒng)性要求較高。在隨機(jī)統(tǒng)計(jì)到的15 個(gè)已建工程中,絕大部分都是采用澳大利亞進(jìn)口的WARMAN 渣漿泵(圖10),WARMAN渣漿泵用途廣泛,結(jié)構(gòu)先進(jìn),通用化程度高,且運(yùn)轉(zhuǎn)可靠,使用壽命長(zhǎng),裝配維修方便,在國內(nèi)泥水盾構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域中享有盛名。一方面說明了目前大多數(shù)工程更偏向于選擇使用進(jìn)口的成套設(shè)備,另一方面也體現(xiàn)了在泥水盾構(gòu)施工中一直面臨成本高和技術(shù)上受制于外企的尷尬境地。隨著“十四五”期間國內(nèi)對(duì)于軌道交通行業(yè)的大力發(fā)展,希望后續(xù)國產(chǎn)泵在盾構(gòu)中能夠逐漸嶄露頭角。
圖10 福州地鐵4 號(hào)線某區(qū)間使用的WARMAN 渣漿泵Fig.10 WARMAN slurry pump used in a section of Fuzhou Metro Line 4
福州至長(zhǎng)樂機(jī)場(chǎng)城際鐵路工程濱海新城站—機(jī)場(chǎng)站中間風(fēng)井區(qū)間采用2 臺(tái)開挖直徑8630 mm 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行雙線施工。區(qū)間盾構(gòu)穿越地層主要為〈2-4-5〉含泥粉細(xì)砂和〈3-1-1〉粉質(zhì)粘土。隧道頂部埋深范圍8.68~29.59 m,左線長(zhǎng)度為4065.757 m,右線長(zhǎng)度4072.879 m。線路縱斷面呈V 型坡,最大縱坡+8.096‰,最小縱坡+2‰。泥水站安裝在中間風(fēng)井場(chǎng)地,距離始發(fā)井口200 m。簡(jiǎn)化的地質(zhì)示意圖如圖11 所示。
圖11 工程示意圖Fig.11 Project sketch
按照上述泥漿泵初步選型思路,可以大致得到本工程應(yīng)用較為合理的泥漿泵設(shè)計(jì)參數(shù):
(1)本工程采用的泥水盾構(gòu)開挖直徑8630 mm,按照?qǐng)D1 和圖2 中所示的計(jì)算公式,進(jìn)泥管徑為329 mm,排泥管徑為333 mm,考慮統(tǒng)一采購和使用更換的目的,管徑取350 mm 為宜。
(2)按照?qǐng)D3 和圖4 中所示的計(jì)算公式,選型設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)進(jìn)泥流量取值范圍為1010.349±210.681 m3/h,為了便于計(jì)算,取1000 m3/h;排泥流量取值范圍為1236.969±153.245 m3/h,為了便于計(jì)算,取1200 m3/h。
(3)通過上述初步設(shè)計(jì)的流量和管徑,可以得到泥漿在管道內(nèi)的流速為:進(jìn)泥2.89 m/s、排泥3.46 m/s,處于正常流速2~5 m/s 之間,比較符合實(shí)際工程需要。
(4)按照進(jìn)泥泵的平均維持距離大部分在1500±250 m 之間,排泥泵的平均維持距離大部分處于1000±100 m 之間這一思路,本工程單洞長(zhǎng)度為4000 m,考慮每條隧道采用“三進(jìn)四排”模式,即3臺(tái)進(jìn)泥泵、4 臺(tái)排泥泵較為理想。
(5)本工程屬于軟土地層,按照?qǐng)D8 和圖9 的思路,選型計(jì)算時(shí)的進(jìn)排泥流量組合取1.15∶1.35 較為合理。
本工程在泥漿泵選型設(shè)計(jì)時(shí),通過上述計(jì)算初步設(shè)計(jì)泥漿泵參數(shù),并采用理論計(jì)算驗(yàn)證,再通過多次聯(lián)系廠商,并召開專家咨詢會(huì),最終確定的泥漿泵型號(hào)及參數(shù)如表2 所示。
表2 本工程采用的泥漿泵參數(shù)Table 2 Parameters of the mud pump used for the project
濱海新城站—機(jī)場(chǎng)站中間風(fēng)井區(qū)間左線于2021 年9 月25 日已順利始發(fā),并按照該進(jìn)排泥泵配置進(jìn)行了裝機(jī)、調(diào)試,目前運(yùn)行正常,未出現(xiàn)滯排、堵管以及超負(fù)荷運(yùn)作等情況產(chǎn)生。表明選型階段設(shè)計(jì)較為合理,后續(xù)筆者將繼續(xù)跟進(jìn)本區(qū)間的泥水環(huán)流情況,并完善相關(guān)研究?jī)?nèi)容。
針對(duì)現(xiàn)有研究中,對(duì)于泥漿泵選型的差異性和規(guī)律性研究不足,通過統(tǒng)計(jì)分析15 個(gè)泥水盾構(gòu)中泥漿泵選型關(guān)鍵參數(shù),得到了參數(shù)之間的選型規(guī)律。同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)泥漿泵選型設(shè)計(jì)計(jì)算公式中存在的誤區(qū)進(jìn)行了分析。并通過實(shí)際案例進(jìn)行了分析和應(yīng)用,為今后泥水盾構(gòu)泥漿泵選型設(shè)計(jì)提供了新的思路。
由于統(tǒng)計(jì)到的資料數(shù)據(jù)有限,在選型階段進(jìn)行泥漿泵設(shè)計(jì)時(shí)可能會(huì)與理論計(jì)算存在一定的偏差。但隨著后續(xù)施工數(shù)據(jù)的累積,相關(guān)規(guī)律性則會(huì)更加突出,所得到的結(jié)論也會(huì)更加具備普遍性和適用性。