提高泥水盾構進排漿管軟連接使用壽命的研究

張 華

(中鐵隧道集團二處有限公司，北京 100000)

·機械與設備·

提高泥水盾構進排漿管軟連接使用壽命的研究

張 華

(中鐵隧道集團二處有限公司，北京 100000)

對大直徑泥水盾構泥水系統在施工方面存在的問題進行了仔細分析，結合軟連接爆管漏漿的主要原因，總結了泥水盾構進排漿管軟連接使用和改造的技術措施，以提高盾構施工效率。

泥水盾構，軟連接，使用壽命

1 工程概況

連接北京站到北京西站的直徑線是一條雙線地下鐵路聯絡線，全長9.15 km，其中隧道長約7.3 km，最大埋深39 m，是國內第一條在城市繁華區域內采用大直徑泥水盾構法施工的工程，連續掘進的距離長達5.175 km，工程批復總投資31億元。盾構區間采用鋼筋混凝土管片襯砌，外徑11.6 m，內徑10.5 m，環寬1.8 m，管片采用六塊標準塊，兩塊鄰接塊，K塊組成。盾構穿越的地層95.21%為砂卵石地層，盾構區間地質勘探表明地層細沙粒含量極少，0.074 mm以下的約占2.4%，10 mm以上的含量大于60%，最大砂卵石粒徑達到280 mm左右，且不排除有大直徑孤石的可能。盾構區間覆土厚度為11 m～29 m。含水層主要為砂卵石層、圓礫層及砂層，最大滲透系數為1.74×10-3m/s，最大水土壓力為0.3 MPa，砂卵石地層對盾構刀具磨損嚴重，施工難度大。

2 泥水盾構

泥水盾構也稱泥水加壓平衡盾構(Slurry Pressure Balance Shield)，簡稱SPB盾構。泥水盾構是在機械式盾構的前部設置隔板，裝備刀盤及輸送泥漿的送排泥漿管路和推進盾構的推進油缸的大型機械設備。在地面上還配有泥水處理設備。北京地下鐵路直徑線就是采用的大直徑泥水平衡盾構機，其基本工作原理就是通過調節氣墊倉空氣壓力使開挖倉泥漿得到相應壓力在開挖面形成泥膜，支撐開挖面土體，由前面的刀盤旋轉切削土體表面，渣土與泥漿混合后形成高密度泥漿由排漿泵通過泥水循環系統排到出渣場地進行泥水分離，同時推力油缸將盾構機向前推進。泥水循環系統是盾構施工重要組成部分，在盾構掘進，刀盤沖洗，置換泥漿，常壓維修氣墊倉破碎機等盾構重大施工工序中有著重要的作用。

3 泥漿循環系統及軟連接

泥水循環系統包括：掘進模式，旁通模式，反循環模式，豎井旁通模式。主要由進漿管，進漿泵站，軟連接(見圖1，圖2)，延伸小車，板閥，球閥，排漿管，排漿泵站，地面泥水處理等組成。

泥水循環系統的好壞對盾構施工進度至關重要，軟連接直接關系到泥水循環系統能否正常使用。

4 突出問題

泥水盾構泥水循環管路上軟管軟連接數量較多，軟連接質量的好壞直接關系到設備安全和施工進度。開挖的卵石與泥漿混合后經排漿管路排出隧道過程中，管路上軟連接磨損嚴重，造成軟連接破損漏漿或爆管，影響施工進度，隧道內文明施工難度大。

5 施工要求

1)安全要求。降低或避免軟連接爆裂事件的發生可以有效的降低此事件存在的安全隱患。2)施工進度要求。軟連接爆裂會造成盾構非工序性停工，降低或避免此事件的發生可以提高生產進度。3)文明施工要求。軟連接爆裂后洞內底部會流滿泥漿，對軌道的養護和文明施工造成極大的難度。

6 目標確認

提高軟連接的抗壓和耐磨性，杜絕軟連接爆裂事件才能滿足施工過程安全、進度、文明施工要求。

7 軟連接爆管漏漿的主要原因

1)盾構司機操作失誤。 盾構司機的操作技術在整個盾構施工中都起著至關重要的作用，如盾構司機在操作中錯誤地關閉或打開泥漿管路上的閥門，將會引起管路上軟連接爆裂。2)安裝過程不達標。安裝軟連接時，選用的軟連接必須與管路上預留的尺寸一致，否則尺寸過小將增加安裝難度，尺寸過大，軟連接橡膠受到拉伸，影響軟連接使用效果。3)泵站和泥漿管路的抖動。泵站安裝未達到要求，將會引起泵站震動劇烈，增加軟連接的減震負荷。泵站葉輪堵塞也會引起泵站和泥漿管路的抖動增大，減少軟連接使用壽命。質檢員應加強對泵站的震動檢測。4)軟連接生產工藝的耐磨性。5)軟連接的抗壓性。6)泥漿的比重、粘度。泥漿比重大有利于減小渣土對管路的磨損，但會增加泥水處理篩分的難度。7)地質情況變化和泥漿流量。砂石層掘進管路磨損比泥土層管路嚴重，應根據不同地質情況選用合理的軟連接或對管路進行耐磨處理。通過控制各進排漿泵的功率可以提高進排漿管泥漿流量，加大出渣量，但管路中間的壓力也會升高，管路磨損加快，存在管路爆裂漏漿的風險。

8 制定對策

1)統計分析掘進參數。

確定掘進參數與軟連接耐磨性能相關性。分析泥漿密度與軟連接磨損速度相關性；分析噪聲、地層條件、泥漿密度相關性。管路磨損統計圖見圖3。泥漿密度增加時，泵進出口壓力增大，軟連接磨損加快。卵石含量過多時，泥漿比重過低不利于攜渣，施工中應根據卵石含量將泥漿比重控制在1.1 kg/cm3～1.25 kg/cm3。

2)軟連接及倒流桶選型。

確定軟連接及倒流桶類型，分析不同材料能，優選軟連接，分析不同材料，優選倒流桶(見圖4)。管路出現故障時，壓力最高可以達到16 bar。普通軟連接不滿足要求，容易引起爆管。鋼絲軟連接抗壓性好，能夠滿足管路對壓力的要求。耐磨倒流桶更換頻率較低，根據統計磨損量在停機時進行更換。

3)耐磨焊條選型，加工硬連接。

確定耐磨焊條類型，確定硬連接尺寸。分析不同材料，優選耐磨焊條。確定硬連接尺寸材料。普通軟連接見圖5。部分位置軟連接用硬連接代替，硬連接做耐磨處理(見圖6)。

根據管路內流體流速、流量及流體力學知識，由下式求得：

其中，di為管道內徑，mm；qv為液體流量，m3/h；u為管內液體平均速度，m/s。根據《機械結構設計規范》選用內層管路內徑為350mm。

硬連接管路壁厚設計：管路所受液體圍壓及流體力學知識，根據薄壁圓筒公式確定管路壁厚：

根據內層管路耐磨性能要求，為有效減小整體管路自重選用9 mm厚耐磨鋼材制作內層耐磨管路。硬連接安裝位置設計：夾層以及設備梁軟管需要很大的伸縮性，不能安裝硬連接。考慮泵站的減震要求，只在泵站出口安裝硬連接。

4)記錄軟連接使用情況。

確定軟連接翻面或更換的里程，記錄軟連接使用距離和時間(見表1)。

5)軟連接修復。

a.統計軟連接使用起始里程、時間。b.根據軟連接使用情況統計表，停機情況對軟連接進行檢查。c.根據檢查的具體情況，對軟連接進行翻面或更換。d.修復更換的軟連接鋼圈，補焊耐磨焊。做好軟連接鋼圈使用距離的統計，及時對鋼圈進行修復和更換，可以減少軟連接的損失。

表1 泥漿管軟連接磨損漏漿事件調查統計表

9 效果檢驗

1)未發生軟連接爆管損壞設備的情況，未更換硬連接。2)倒流桶未加焊耐磨焊的軟連接平均使用壽命在380 M左右。3)倒流桶加焊耐磨焊的軟連接平均使用壽命在600 M左右。4)未出現爆管影響施工的情況。

10 結語

1)加強軟連接質量監管。選擇耐磨性能良好，易于修復和更換的軟連接。選擇優質易于堆焊的耐磨焊條提前對軟連接倒流桶進行堆焊，提高軟連接使用壽命。2)施工中加強對軟連接使用狀態的記錄和檢查工作，抓好工序銜接，及時對磨損的軟連接倒流桶進行翻面或修復處理。加強軟連接質量監管。加強過程檢查，確保現場操作規范。加強安保措施，確保設備和人員的安全。確保施工進度。

[1] Φ11.97m膨潤土—氣墊式泥水平衡盾構機技術操作規程[S].

[2] 張鳳祥，傅德明，楊國祥，等.盾構隧道施工手冊[M].北京：人民交通出版社，2009.

Research on improvement of service life of slurry shield into discharging pipe soft connection

ZHANG Hua

(SecondDepartmentLimitedCompany,ChinaRailwayTunnelGroup,Beijing100000,China)

This paper researched the existed problems of large diameter slurry shield slurry system in construction aspect, combining with the main causes of soft connection pipe burst slurry leakage, summarized the use and transformation technical measures of cement slurry discharging pipe soft connection, in order to improve the construction efficiency of shield.

slurry shield, soft connection, service life

1009-6825(2014)07-0243-03

2013-12-24

張 華(1986- )，男，助理工程師

U455.43

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