穿江泥水盾構環流系統及泥漿攜渣計算研究

郭小龍 耿大新 廖煜祺 蔣亞龍 陳 強

（1.中鐵隧道集團二處有限公司 江西南昌 330209；2.華東交通大學 江西南昌 330209）

1 引言

在城市地鐵隧道規劃中，泥水平衡盾構有施工影響較小、對地質條件適應性強、安全快速等優點，故而成為修建過江隧道優先考慮的施工機械。

泥漿環流系統是泥水盾構工作的重要組成部分，目前對泥水盾構環流系統及攜渣能力的研究不多。王小軍等［1］以廣州地鐵三號線瀝大區間為工程背景，論述環流系統原理和管理方法；陳健等［2］通過多個隧道工程實際，總結了超大直徑泥水盾構隧道在全斷面黏土地層高效環流及出渣技術；戴洪偉［3］針對在全斷面膨脹性黏土地層盾構掘進，提出環流系統的改造建議并研究了高效環流及出渣技術；魏向明［4］根據揚州瘦西湖工程地質特性，對沖刷、環流系統進行改進，并對盾構穿越泥水地層進行計算；汪海、孔玉清等［5－6］根據質量守恒原理，計算研究了環流系統的篩分效果對泥漿密度的影響。

本文依托南昌地鐵4號線安豐站－東新站區間隧道為工程背景，以物質守恒原理為基礎，對盾構掘進環流系統進行綜合計算與分析，同時運用杜蘭德公式和費祥俊公式分別對三種典型地層的管道不淤流速進行理論分析，以確定排泥管道攜渣能力。

2 工程概況

南昌地鐵4號線安豐站－東新站區間為穿江盾構隧道，全長3.73 km，隧道全長采用泥水盾構法施工，長距離穿越贛江，掘進地層復雜，自西岸起下穿淤泥質黏土、粉質黏土、砂礫及強風化、中風化泥質粉砂巖，過江段為中風化泥質粉砂巖，東岸下穿中砂、粗砂、砂礫、中風化泥質粉砂巖。其中過贛江單線掘進3 054 m，超過地鐵1號線泥水盾構掘進長度1 889 m和地鐵2號線泥水盾構掘進長度2 357 m，為目前南昌地鐵盾構機獨頭掘進最長距離，對盾構掘進技術有著更高的要求。

3 環流系統計算與分析

隧道盾構開挖外徑為6.3 m，管片環寬度為1.5 m，掘進橫截面面積為31.2 m2。盾構掘進過程中進漿流量為858 m3／h，排漿流量為970 m3／h。在同一地層掘進時，盾構掘進速度變化幅度不大，開挖體積基本一致。泥漿環流系統以物質守恒原理為基礎，根據盾構掘進一環所產生的物質量來計算分析，由此可得：

式中：w為掘進一環的土體掘削量，m3；w1為掘進一環的進漿量，m3；w2為掘進一環的排漿量，m3；w3為篩分出的渣土量，m3；w4為篩分后泥漿量，m3；ρ為土體密度，g／cm3；ρ1為進漿密度，g／cm3；ρ2為排漿密度，g／cm3；ρ3為渣土密度，g／cm3；ρ4為篩后泥漿密度，g／cm3。

由于盾構掘進地層復雜，本文選取三種典型地層進行環流系統計算分析，分別為砂礫層、中風化泥質粉砂巖地層、上軟下硬地層。

3.1 砂礫層泥漿循環系統計算

在砂礫地層中，粒徑0.25～20 mm的顆粒占整個地層的80%左右，而小于0.075 mm顆粒僅占整個地層的2%，滲透系數為2.47×10－1cm／s，該地層粘粒顆粒含量很少，基本為大顆粒，泥水較易分離。該地層盾構掘進平均速度為32 mm／min，向前掘進一環的時間大約為47 min，進漿量約為672 m3，進漿泥漿比重為1.14 g／cm3，出漿泥漿比重為 1.13 g／cm3，篩后泥漿比重為1.09 g／cm3，經泥水分離后排出的渣土體積為45.7 m3。

泥漿篩分分離過程滿足物質守恒原理，出漿量＝篩分渣土量＋篩后泥漿量，聯立上述式（3）、式（4）則有：

解得篩分后泥漿量w4＝674 m3，掘進一環的排漿量 w2＝720.8 m3，單位時間排漿量為：720.8／0.78 ＝924 m3／h，則設計排漿量滿足工程實際要求。由式（1）又可知，理論排漿量為：672＋45.7＝717.7 m3，則實際排漿量與理論排漿量基本一致。由此可知，當盾構掘進至砂礫層，在排漿過程中泥漿有較好的攜渣能力，且泥漿分離系統能夠有效地將泥水混合物中的大粒徑顆粒分離出來。然而砂礫層含有的大粒徑顆粒較多，排漿過程中易在輸送管道內出現沉淀，需要實時監測掘進每一環所篩分出的渣土量，避免排漿管內出現砂沉淀堵管現象。

3.2 泥質粉砂巖地層泥漿循環系統計算

當盾構掘進至過江段，地層為全斷面中風化泥質粉砂巖，巖體較完整，屬軟巖，巖體基本等級為Ⅳ級，巖層強度一般在10～20 MPa。泥質粉砂巖地層黏性土顆粒含量大，自造漿能力較強，泥漿比重增長較快，且刀盤容易出現結泥餅現象。在該地層盾構掘進平均速度控制為30 mm／min，向前掘進一環的時間大約為50 min，進漿量約為715 m3，進漿泥漿比重為1.07 g／cm3，出漿泥漿比重為 1.23 g／cm3，篩后泥漿比重為1.18 g／cm3，經泥水分離后排出的渣土體積為43.9 m3，則：

解得篩分后泥漿量w4＝711 m3，掘進一環的排漿量 w2＝754.9 m3，單位時間排漿量為：754.9／0.83 ＝910 m3／h，則設計排漿量滿足工程實際要求。由式（1）又可知理論排漿量為：715＋45.7＝760.7 m3，則實際排漿量與理論排漿量基本一致。

綜上，當盾構掘進至泥質粉砂巖層，排漿過程較順暢，經過泥水分離系統泥漿比重得到有效降低，而篩后泥漿比重仍偏大，需在沉淀池中進行調整處理，才可重新使用。相較于其他泥水篩分系統中的二級篩分只能篩除0.045 mm以上的顆粒，本套泥水篩分系統中的二級篩分能篩除0.02 mm以上的顆粒，同時采用旋流篩分＋離心機的處理方式，提高泥水快速分離的綜合能力，一定程度上解決了泥漿比重增長過快問題，為長距離穿越贛江提供了技術支撐。

3.3 復合地層泥漿循環系統計算

當盾構掘進至復合地層，即上軟下硬地層（上部為砂礫層，下部為中風化泥質粉砂巖），由于復合地層巖性上下不一，軟硬不均，掘進參數不易控制，稍有不慎，極易出現塌方冒頂、漿液漏失等現象［7］。在該地層盾構掘進平均速度為27 mm／min，向前掘進一環的時間大約為56 min，進漿量約為800.8 m3，進漿泥漿比重為1.08 g／cm3，出漿泥漿比重為1.14 g／cm3，篩后泥漿比重為1.1 g／cm3，經泥水分離后排出的渣土體積為43.1 m3，則：

解得篩分后泥漿量w4＝797.4 m3，掘進一環的排漿量w2＝840.5 m3，單位時間排漿量為：840.5／0.93＝904 m3／h，則設計排漿量滿足工程實際要求。由式（1）可知理論排漿量為：800.8＋45.7＝846.5 m3，則實際排漿量小于理論排漿量。上軟下硬地層斷面上、下強度不均，盾構開挖過程很可能會產生較大塊體，泥漿管內輸送顆粒相對較大［10］，導致泥漿的攜渣能力降低。

4 排泥管道攜渣能力計算與分析

盾構掘進過程中，為了避免運送過程中渣土在排漿管道內產生沉淀淤積或過度沖刷，應將管內設計流速控制在合理范圍之內，即在最小流速（不淤流速）和最大設計流速之間［8－10］。其中，管道輸送最重要的是不淤流速，根據臨界沉淀流速計算方法得到。而對于上限流速，通常金屬管道的最大設計流速為10 m／s，非金屬管道的最大設計流速為5 m／s［11－12］。

目前針對臨界沉淀流速計算方法還沒有統一的計算公式。其中Durand（杜蘭德）通過開展管道水力輸送試驗，基于大量試驗結果數據，提出了臨界流速的計算公式，由于環流系統泥漿排送基本符合杜蘭德公式適用條件，因而被廣泛使用。而費祥俊教授在杜蘭德公式的基礎上，考慮漿體顆粒組成及流變特性對不淤流速的影響，進一步推導出臨界流速的計算公式。

4.1 Durand 計算公式

杜蘭德（Durand）計算公式：

式中：UL為不淤流速，m／s；FL為淤積開始時的福氏修正系數；g為重力加速度，m／s2；D為管道直徑，m；ρs為土顆粒固體密度，t／m3；ρ為漿液密度，t／m3。

由于泥質粉砂巖渣土顆粒粒徑較小，可按均勻顆粒進行計算，基本符合杜蘭德公式適用條件，則：

通過現場實際排漿流量可得實際泥水輸送速度為3.6 m／s，大于不淤流速，說明實際泥水輸送速度滿足最小設計流速，泥質粉砂巖中掘進開挖的渣土能夠有效地排出。

砂礫層中，同理可得不淤流速UL＝2.58 m／s，根據現場實際排漿流量可得泥水輸送速度為3.63 m／s，大于不淤流速，也滿足最小設計流速。

復合地層中，不淤流速UL＝3.2 m／s，根據現場實際排漿流量可得泥水輸送速度為3.56 m／s，兩者相差不大。但根據現場實際情況，在排漿過程中發現管道內有渣土沉積，與理論計算不符。

4.2 費祥俊計算公式

費祥俊教授通過引入阻力系數f推導出了新的計算公式：

式中：f為阻力系數；g為重力加速度，m／s2；D為管道直徑，m；ρs為土顆粒固體密度，t／m3；ρ為漿液密度，t／m3；d90為累計顆粒度分布數達到90%時所對應的粒徑，m；Sv為漿液固體顆粒體積分數。

在中風化泥質粉砂巖層，d90按20 mm計算，Sv為0.05，則有：

可見，其計算結果與杜蘭德公式計算結果相近，實際泥水輸送速度滿足要求。

在砂礫層，d90按10 mm計算，Sv為0.05，則有：

計算結果比杜蘭德公式計算結果要大，與實際泥水輸送速度相近。

在上軟下硬地層中，d90可按20 mm計算，Sv為0.07，則有：

計算結果比杜蘭德公式計算結果與實際泥水輸送速度要大，說明實際泥水輸送速度不滿足最小設計流速，應合理加大排漿流速，以避免出現渣土沉積。

綜上所述，針對臨界沉淀流速的計算，在中風化泥質粉砂巖層中，杜蘭德公式和費俊祥公式計算結果基本一致；在砂礫層與復合地層中，費祥俊公式計算結果要大于杜蘭德公式結果，但更符合工程實際要求。這表明：杜蘭德公式適用于富含粉粘顆粒的泥漿，即在盾構掘進至淤泥層、粉質黏土層及泥質粉砂巖層，可采用杜蘭德公式確定漿液臨界沉淀流速；費俊祥公式適用范圍較廣，尤其是在上軟下硬地層和粗砂礫層，計算得到的漿液臨界沉淀流速準確性和安全性更高。

5 結束語

（1）通過對安豐站－東新站區間穿江盾構隧道三種典型地層的泥漿環流系統進行計算與分析，結果表明，相比于單一地層，在上軟下硬地層盾構掘進過程，泥漿的攜渣能力較弱，排漿管道更易發生渣土沉淀。

（2）泥水分離系統中篩分設備的優化，增加了粉粘性顆粒篩除量，在一定程度上可以解決泥水盾構在泥質粉砂巖地層盾構掘進中泥漿比重增長過快問題。

（3）運用杜蘭德公式和費祥俊公式分別對三種典型地層的管道不淤流速進行理論計算，并與盾構掘進實際情況對比分析，進一步論證了在復合地層掘進施工時，應合理加大排漿流速，提高泥漿攜渣能力。

（4）在管道不淤流速的設計計算中，杜蘭德公式適用于富含粉粘顆粒的泥漿；費祥俊公式適用范圍較廣，尤其是適用于含有大粒徑顆粒的泥漿。