泵吸反循環鉆機泥漿輸送系統優化設計

王永強 周賢軍 樊萬文

中鐵科工集團裝備工程有限公司 湖北 武漢 430223

沖擊鉆機廣泛應用于地下連續墻、灌注樁等深基坑成孔施工。在較硬的地層，為了及時排出鉆渣，通常選擇泵吸反循環泥漿輸送方式。因為反循環的管道橫截面積比孔壁之間的環空面積要小得多，泥漿流動的速度可以達到2～3 m/s，是正循環時速度的40倍，從而提高排渣的能力。反循環鉆機鉆進能力更強，深度可以超過60m，且能更好地清潔底部的巖屑，大大提高了施工效率。

沖擊反循環鉆機的泥漿輸送系統通常采用直管形式，即采用標準節長的直管通過卡箍連接起來。這些直管需要隨鉆進深度增加而不斷加長，同時完鉆之后，需要逐節拆除，費事費力，降低施工效率。當卡箍密封損壞后，容易出現漏漿，導致施工環境惡化，不利于文明施工。因此，需要對泥漿輸送系統進行優化設計，避免漏漿，提高功效[1]。

本文依托廈門市地鐵石美站地連墻項目施工進行介紹和探討。

1 泵吸反循環的工作原理

泵吸反循環是靠離心泵葉輪旋轉產生動能，抽吸管內的泥漿，使管內產生負壓，而管外依然保持大氣壓力。在大氣壓力作用下，處在管道與孔壁之間的鉆渣混合形成泥漿的混合液，混合液經鉆頭水口被吸入管道內腔，經吸引管～砂石泵～出渣管排入地面泥漿循環系統。鉆渣經泥漿池沉淀后，泥漿再補充回流到孔內，形成泵吸式反循環鉆進 (見圖1)。泵吸反循環具有排渣效果好、鉆進效率高、清孔速度快、孔底沉渣少等優點[2]。

圖1 泵吸反循環工作示意圖

在泵吸反循環鉆進工作過程，根據伯努利方程，可以得出離心泵吸入端的揚程Ha、流速V與鉆進深度H1之間的定量關系：

式中：Ha--離心泵最大吸程，mH2O；

h—離心泵安裝高度，m；

H1—井的實際深度，m；

g—重力加速度，9.8m/s2；

V—泥漿流速，m/s；

hx—局部及沿程損失水頭，mH2O。

2 彎曲管道的流動特性分析

為了便于分析，將泥漿簡化為一種固液兩相流，在不同形態的管道內流動時，表現出不同的流動特性。在彎曲管道內流動的泥漿具有分層和滯留現象，會導致管道阻塞。因此有必要構建理論模型進行分析，確定流動的邊界條件，以便判斷彎曲管道的適用性[3]。

2.1 固體顆粒在流體中的受力分析

在彎曲管道內，如果管徑和曲率不發生突變，可以對液相（介質）以緩彎曲的形式考慮，因此簡化為連續流體；對固相（沙石顆粒）視為離散物體，這樣比較符合排渣的隨機性特點。排渣的過程相當于離散的物體在連續的液相（介質）中所受到的各種力綜合作用的動力學響應。

根據力學基本原理，建立固體顆粒在彎曲管道流體中的動力學模型（見圖2）。

圖2 顆粒在彎曲管道中的動力學模型

假設固相顆粒截面積為A，密度為ρ2，固液兩相流體在半徑R1和R2所圍成的環形管道內流動，其中任一點（r,θ）的固相顆粒在環形管道中運動時，會產生離心力

此時，需要液相在該點處有一個壓強梯度所產生的反力N來平衡固體顆粒的離心力F，其中

ρ1為液體的密度。

通常固體顆粒密度ρ2>ρ1 ,存在F>N，因此，固體顆粒在彎曲管道內不穩定。在重力和浮力的疊加作用下，在A點，固體顆粒向管道內側方向流動；在C點和D點，固體顆粒向管道外側方向流動；在B點，固體顆粒加速向管道外側方向流動，流動的徑向加速度，使顆粒和彎曲管道外側壁發生碰撞。在一般情況下，流速越快，彎道曲率越大，碰撞越激烈。因此顆粒在轉彎處B會有分層和滯留現象，需要確定該點流動的邊界條件。

2.2 固體顆粒在彎曲管道中流動的邊界條件

根據水力學原理，固體顆粒靜止在流體中，它受到流體對其產生向前的拖曳力FD和向上的升力FL，其大小如下：

式中: Cd為阻力系數，CL為升力系數，ρ1為流體密度，V為流體速度，A為固體顆粒截面積。通常CL/Cd=0.25。

同時固體顆粒還受到重力與浮力的合力W的作用（見圖3）。

圖3 固體顆粒在流體中的受力圖

結合圖2中的動力學模型，在B點處的相鄰區域，可以看作是水平的流體。直徑為d的固體顆粒由靜止進入運動的條件必須滿足水力學條件：

式中: a0為固體顆粒間的內摩擦角。對于無粘性固體顆粒，其內摩擦角a0小于45°。

上述（4）式為固體顆粒在緩彎曲管道中流動的邊界條件。固體顆粒滿足這一條件，則可以在管道中流動。否則，固體顆粒將會堵塞管道。

3 優化設計參數的選擇

3.1 主要工程參數

以廈門地鐵石美站地連墻施工項目為例，泵吸反循環沖擊鉆機泥漿輸送系統的主要工程參數如表1所示。

表1 主要工程參數

3.2 計算鉆進深度H1

鉆進深度H1是泥漿輸送系統的主要參數之一，對式（1）進行變形，得到如下（5）式：

其中：Ha=9.5mH2O，h=0(泵安裝在地面)；

管道截面積A=πD2/4=0.0176m2；

管道流速V=Q/A=2.83m/s ；

雷諾數Re=VD/υ=2.7*105；

?/d=0.3/150=0.002，查手冊得λ=0.025；

hx=λLV2/(2Dg)=4.1mH2O。

從（5）式可以看出，鉆孔深度H1與泥漿的比重成反比。改變比重，即可改變鉆孔深度。

（1）按照每小時排渣3m3，則泥漿比重

ρ2=(180+3×2.7)/180=1.045，鉆進深度H=5.4/(1.045-1)=120m。

（2）如果按照每小時排渣6m3，則鉆進深度H1=60m。

盡管還有一些局部損失沒有考慮，或者排渣實際并不均勻，而且顆粒大小也不相同，總體上6BS泵的真空吸程和管徑150mm可以滿足鉆孔深度≤60m的要求。

3.3 計算彎曲管道流動的邊界條件

如圖2所示的模型中，圓環中心半徑

r=(R1+R2)/2=1.5m,

ω2×r =V2/r=2.832/1.5=5.4m/s2<重力加速度g，因此固體顆粒在彎曲管道內運動時，始終有下落的徑向速度V r。在B 點，徑向加速度最大，其值為Vr=5.4+9.8×(1.7/2.7)=11.6m/s2。

有效重力W=πd3(ρ2-ρ1 )g/6，

水力拖曳力FD=(πd2/4) ×Cd×(u2/2)×ρ1,其中阻力系數Cd取0.44。

升力FL=(πd2/4) ×CL×(u2/2)×ρ1，

其中升力系數CL取0.25Cd=0.11。

u為顆粒與液體相對速度，取u=2m/s。

ρ2/ρ1=2.7，將各分量帶入式（4）,并整理得

現對(6)式進行邊界條件計算：

（1）當5.55×d-0.11≤0時，d≤0.02m；

（2）當a0≤45°（顆粒堆積內摩擦角或休止角）時，d≤0.1m。

3.4 邊界條件討論

（1）上述（6）式計算的邊界條件表明，對粒徑d≤0.02m的球形顆粒，只要流體速度u≥2m/s，可以在緩彎曲管道內流動。對粒徑較大的顆粒，能否在彎曲管道內流動，與顆粒之間的內摩擦角或者休止角大小有關。

（2）當內摩擦角或休止角a0取最大值45°時，固體顆粒直徑d=0.1m>鉆渣實際粒徑0.05m。這表明鉆渣粒徑在0.05m以內時，彎曲管道內不會發生阻塞。

（3）實際的顆粒會有多種狀態，比如長形、三角形等，會發生楔入現象，比上述模型計算的邊界條件閾值小。但本文所探討的固體顆粒主要為沙石，相互之間沒有粘性和親水性，而且泥漿具有潤滑作用，其最大內摩擦角不會超過45°，發生堵塞的風險比較小。因此，彎曲管道的泥漿輸送系統能滿足工程實際需要。

4 效果驗證

在廈門地鐵石美站地連墻施工項目中，采用YCJF -25型全液壓沖擊鉆機，并配置優化設計的盤管式泵吸反循環泥漿輸送系統（見圖4）。相比直管式泥漿輸送系統（見圖5），有以下優點：（1）不用停止鉆機工作，可以連續放管；（2）減少管道節段間的連接卡箍，避免泥漿泄露；（3）實現排渣與鉆進進尺保持同步。鉆機功效提高12%，同時提升現場綠色文明施工水平。

圖5 直管式泥漿輸送系統

5 結論與建議

(1)對泵吸反循環施工設備及工藝進行優化并應用在地連墻項目中，取得了良好的施工效果，驗證了盤管式泥漿輸送系統的適用性。

(2)實踐證明，固液兩相流的水力學理論在分析緩彎曲管道的流動特性具有較高的近似度，為設計復雜的泥漿輸送系統提供了理論參考。