泥水平衡盾構泥水環流系統設計計算研究

陳文遠

（中鐵一局集團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、引水等工程建設不斷加快及對施工安全、質量、工期、成本等要求的不斷提高，泥水平衡盾構施工工法被越來越多的應用于過江、過海及大直徑隧道的工程建設中。泥水環流系統作為泥水盾構施工的重要組成部分，其設計計算的準確性及設備的選型的正確性，對施工的安全、質量、工期、成本有著重要的影響。

1 工程概況

武漢地鐵6號線一期10標包含鐘家村豎井—琴臺站區間（簡稱鐘琴區間）和琴臺站—武勝路站區間（簡稱琴武區間）。鐘琴區間隧道左線長度為389.3m，右線長度為425.2m，采用土壓平衡盾構法施工。琴武區間隧道左線長度為1732.1m，右線長度為1691.4m，采用泥水平衡盾構機施工。琴武區間最大埋深約為43.0m，最小埋深約為14.93m，隧道穿越約350m寬的漢江，區間最小平曲線半徑350m，最大坡度25.634‰。

琴武區間隧道穿越主要地層為3-5粉質黏土夾粉砂（約20%）、4-1a粉質黏土（約12%）、4-2粉細砂（約40%）、20a-1強風化泥巖（約5%）、20a-2中等風化泥巖（約10%）、其余為細沙、礫石等（約13%）。在350m寬穿越漢江地段，地層范圍內主要為4-2b黏土、4-3中砂、20a-1強風化泥巖、20b-1強風化破碎泥巖。

琴武區間泥水平衡盾構機從琴臺站始發，穿越漢江后到達武勝路站，泥水處理系統布置在鐘家村豎井圍擋內。該區間從管片外徑6200mm，內徑5500mm，環寬1500mm，分度22.5°，開挖直徑6470mm。

泥水加壓盾構工法的基本原理是：經過合理調整比重、壓力和流量的泥漿被送入盾構機的開挖倉，與切削后的泥土混合后被排出，經流體輸送設備輸送至泥水處理站分離出泥土，并調整泥漿比重后再次循環使用。該標段進、排漿管路的直徑設計為DN300mm，設計的進漿最大流量為900m3/h，排漿最大流量為950m3/h。

2 泥水環流系統工作模式

泥水環流系統工作模式主要分為旁通模式、掘進模式、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，進漿閥V31和排漿閥V51關閉，旁通閥V41開啟。地面泥漿池的膨潤土漿液經進漿泵送入盾構機后并不進入開挖艙，而是通過旁通閥V41后直接進入排漿管，從而返回地面泥漿池。掘進模式、逆沖洗模式、保壓模式和管路延伸模式相互切換時都必須通過旁通模式。

圖1 旁通模式

2.2 掘進模式

掘進模式如圖2所示，進漿閥V31和排漿閥V51開啟，旁通閥V41關閉。在正常掘進時，新鮮的膨潤土漿液由地面不斷地輸送進來，以確保與開挖倉中的切削下來的渣土混合。排漿泵將開挖下來的渣土與膨潤土漿液一起泵送到地面的泥水分離設備。

2.3 保壓模式

保壓模式如圖3。在長時間停機的情況下，泥水倉內可能發生泥漿的損失，為了保持掌子面的壓力需要對泥水倉內的泥漿液位進行控制，必要時應進行液位補充，膨潤土罐中的膨潤土由壓縮空氣調節系統提供的壓力來補償開挖倉內的壓力損失，相當于替代型氣墊倉功能。

圖2 掘進模式

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，為了能在掘進過程中對管路進行延伸，需通過延伸裝置周期性對進排漿管路進行加長。管路延伸模式下換管處的閥V33和V53以及離換管處最近的閘閥關閉，進排漿管路中剩余的漿液流入收集槽內，通過渣漿泵將漿液排入氣墊倉內。管路延伸方式通常有活塞式和軟管卷盤式兩種。

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關閉，V41和V51開啟，該模式在開挖倉底部沉渣較多或排漿管路堵塞的情況下使用。前方進漿噴嘴全部關閉，新鮮的膨潤土漿液直接通過旁通閥進入排漿管，對排漿管或者開挖倉底部進行沖刷。隨著工作倉內膨潤土漿液的增加，為維持壓力平衡，需將此部分漿液排出，即通過反向沖洗管路由P2.1 泵排出。

圖5 逆沖洗模式

3 泥水環流系統容量計算

3.1 基本參數

武漢地鐵6號線一期10標標段工程數據如表1所示。

表1 武漢地鐵6號線一期10標標段工程數據

出渣量：

排漿流量：

進漿流量：

3.2 環流系統臨界流速

設計流速是指設計充滿管道內的水流平均速度。為了防止管道中產生淤積或過度沖刷，設計流速應處于最大和最小設計流速范圍之內。最小設計流速是保證管道內不致發生淤積的控制流速，含有大顆粒的管道，最小設計流速宜適當加大，其值根據試驗或經驗值決定，此流速由臨界流速計算可得；最大設計流速與管材相關，是保證管道不因長期劇烈沖刷而縮短運行壽命的控制流速。通常，金屬管道的最大設計流速為10m/s，非金屬管道的最大設計流速為5m/s。

通常設計流速取值范圍為2～5m/s。設計流速不宜過大，因為管道中的阻力將隨速度的平方而增大，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用。

根據流體的流量和流速的大小，管路的直徑可按式（1）計算：

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 ，經過計算得d≥282mm，因此取d-300mm。

為了保證管道內無沉淀，必須保證管道內具有一定的流速。進排泥漿管路內的臨界流速可按Durand公式（2）計算：

3.3 進漿系統設計計算

3.3.1 進漿流速與流量的計算

根據式（2），取FL-0.8，g-9.8m/s2，d-=0.3m，計算可得進漿管的臨界流速為：

進漿管的最低流量可按式（3）計算：

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

3.3.2 進漿揚程的計算

進漿揚程可按式（4）計算：

式中：H進為進漿揚程，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程，m；的損失揚程，m。

3.3.3 進漿泵功率及數量的計算與選型

進漿的功率按式（5）計算：

式中：P進為進漿功率，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 為泵的揚程，m；η為泵的效率。

故進漿泵的功率選定為315kW或者400kW均滿足要求。

3.4 排漿系統設計計算

3.4.1 排漿流速與流量的計算

排漿管的最低流量可按式（6）計算：

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 排漿揚程的計算

排漿揚程可按（7）式計算：

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

在標段中，隧道的最大埋深為43m，因此取Ha=43m。排漿管路的總長度同進漿系統，為2600m。根據經驗公式，排漿管路中每100m損失6m揚程，泥水艙壓力損失揚程為Hw=-30m。泥水分離站到進口的高度，計算可得：

3.4.3 排漿泵功率及數量的計算與選型

排漿的功率按（8）式計算：

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。

本設計計算中進排漿泵的功率和揚程為理論計算值，并且沒有考慮90°彎頭、45°彎頭、各種閥門等對管路沿程損失的影響，同時，在實際施工中由于泥水分離效果無法達到設計值導致泥漿密度增大、泵的實際工作效率達不到設計值等，都將導致實際的泵功率比理論計算值大。因此，為了滿足實際施工需求，泥水環流系統配置的泵功率都應該預留安全系數，以應對施工中各種工況。

4 結語

本論文通過對泥水平衡盾構施工泥水環流系統的介紹和設計計算，為泥水盾構環流系統的設備選型、采購、操作、維保等提供了依據，同時也為后續工程系統的設計計算提出了參考。該標段工程施工已經順利結束，證明設計計算完全滿足實際施工的要求。但同時應看到施工中的實際工況與理論工況存在較大差別，必須結合地質、環境、水文等因素對泵功率和揚程保留足夠的安全系數，并結合工程施工經驗，才能保證泥水環流系統在隧道掘進的過程中高效穩定的運行。

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