大直徑泥水盾構(gòu)排漿管壓力損失規(guī)律研究

【摘 要】結(jié)合杭州某實(shí)際工程中使用的過(guò)江隧道用泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)，分三部分建立了排漿管管道模型，研究管道直徑、漿液密度、輸送速度三個(gè)參數(shù)對(duì)環(huán)流系統(tǒng)排漿管道壓力損失的影響規(guī)律，得到管徑的增大可以降低管道的壓力損失，但隨管徑的增大逐漸減弱；壓力損失隨泥漿密度的增大近乎成正比；壓力損失隨入口速度增大而增大，且增長(zhǎng)趨勢(shì)隨速度增大而增大的結(jié)論。并根據(jù)仿真模型得到的實(shí)際施工參數(shù)下的壓力損失大小和分布情況，計(jì)算了排漿泵的安裝位置。計(jì)算得到的壓力損失規(guī)律和排漿泵布置方案與實(shí)際工程具有一致性。

【關(guān)鍵詞】環(huán)流系統(tǒng)； 數(shù)值計(jì)算； 壓力損失； 泥水盾構(gòu)

【中圖分類號(hào)】U455.43【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-02-20

［基金項(xiàng)目］中國(guó)鐵建股份有限公司科技研發(fā)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：16-C14）

［作者簡(jiǎn)介］莊緒良（1982—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事隧道及地下工程相關(guān)工作。

0 引言

泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)主要用于輸送泥水盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)挖出的碴土、砂石等固體雜質(zhì)，同時(shí)可以在開(kāi)挖面形成泥膜，維持開(kāi)挖面穩(wěn)定，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)的刀具起到潤(rùn)滑降溫的效果［1］。泥水環(huán)流系統(tǒng)主要分為進(jìn)漿管段和排漿管段兩部分，進(jìn)漿管段為環(huán)流系統(tǒng)補(bǔ)充新鮮泥漿，排漿管段將盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)挖出的固體物質(zhì)運(yùn)輸?shù)降孛嫔稀０凑展δ芎臀恢每梢詫⑴艥{管路劃分為盾構(gòu)管路段、延伸管路段、地面管路段。

針對(duì)泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)的壓力損失問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究。馬曉磊等［2］以長(zhǎng)沙某地鐵工程為例進(jìn)行了研究，認(rèn)為在圓礫卵石地層下，掘進(jìn)速度過(guò)快會(huì)引起較大的地層損失；汪海等［3］基于土顆粒的質(zhì)量守恒定律，研究篩分效果對(duì)泥漿密度指標(biāo)的影響；李新月［4］采用泥漿臨界沉淀流速計(jì)算方法分析不同地層對(duì)泥漿送排量的影響，得出在軟硬不均地層，通過(guò)增大泥漿送排量，可以減少顆粒的滑移和管路的磨損；郭小龍等［5］以3種典型地層為例對(duì)杜蘭德公式和費(fèi)祥俊公式的適用性進(jìn)行對(duì)比分析；孔玉清［6］針對(duì)不同地層進(jìn)行排漿管的攜碴能力的計(jì)算和分析；馬鳳偉［7］對(duì)泥漿管道進(jìn)行了選擇并對(duì)接力泵的位置進(jìn)行了計(jì)算；秦邦江等［8］建立理論模型對(duì)泥水盾構(gòu)輸送系統(tǒng)的揚(yáng)程損失進(jìn)行了計(jì)算和工程驗(yàn)證；戴洪偉、陳文遠(yuǎn)、王小軍等［9-11］對(duì)泥水盾構(gòu)的環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和改造建議。

先前學(xué)者的研究大多是針對(duì)直管模型，實(shí)際的環(huán)流系統(tǒng)管路中還存在大傾斜管、彎管等，本文針對(duì)杭州某大直徑泥水盾構(gòu)工程建立了管道模型，進(jìn)行了仿真分析并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程簡(jiǎn)介

杭州望江路過(guò)江隧道工程起自上城區(qū)望江東路，下穿越錢(qián)塘江，至濱江區(qū)江暉路，其位置如圖1所示。根據(jù)地勘報(bào)告揭示，隧道所處地層主要為砂質(zhì)粉土及砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其粘度較大，幾乎無(wú)大顆粒石碴，含水量高。隧道采用兩臺(tái)開(kāi)挖直徑11.71 m泥水盾構(gòu)機(jī)左、右線同時(shí)開(kāi)挖，泥漿循環(huán)系統(tǒng)配置的P2.1泵為1 100 kW、300SHG型沃曼泵，泥漿管直徑為450 mm。

2 仿真模型建立

2.1 模型建立

為建立環(huán)流系統(tǒng)管道的物理模型，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)流系統(tǒng)管道布置進(jìn)行了測(cè)量。盾構(gòu)機(jī)上的排漿管主要由傾斜管、直角彎管、球閥、閘閥等組成。實(shí)際建模時(shí)忽略管路上安裝的閘閥，經(jīng)測(cè)量盾構(gòu)段管路直線長(zhǎng)度約為115 m，建立模型如圖2所示。

環(huán)流系統(tǒng)延伸管道段從臺(tái)車(chē)末端至始發(fā)洞門(mén)處，管道結(jié)構(gòu)單一，主要由直管組成，其直線長(zhǎng)度由隧道開(kāi)挖長(zhǎng)度決定。本次選取長(zhǎng)度100 m的直管段，建立物理模型如圖3所示。

地面管路段從始發(fā)洞門(mén)處延伸連接到地面泥水處理廠，主要由豎直管段、連接彎管和地面水平管段組成，其中豎直高度為42 m，水平管道延伸長(zhǎng)度約為187 m，建立物理模型如圖4所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)流變?cè)囼?yàn)可知泥漿為非牛頓流體，因此將P2.1泵排漿管出口設(shè)為速度入口，地面泥水處理廠排漿管道出口設(shè)為自由流壓力出口，三部分管路段均采用無(wú)滑移固壁邊界條件，考慮重力加速度，工況為正常大氣壓下，分別對(duì)三部分管道構(gòu)建了六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，管道截面網(wǎng)格劃分尺寸為50 mm，沿管道軸向網(wǎng)格劃分尺寸為1 000 mm。盾構(gòu)機(jī)管路段網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為317 794個(gè)；長(zhǎng)度為100 m的延伸管路段網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為82 436個(gè)；地面管路段網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為341 621個(gè)。經(jīng)計(jì)算，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量均為0.6以上，滿足仿真計(jì)算要求。

3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 管徑對(duì)輸送阻力的影響

當(dāng)排漿管輸送流量為2 030 m3/h，泥漿漿液密度為1.4 t/m3時(shí)，管徑由400 mm增加到450 mm時(shí)，三部分管道出口面相對(duì)入口面的壓力損失分別降低了28 091 Pa、23 871 Pa、95 109 Pa；當(dāng)管徑由450 mm增加到500 mm時(shí)，三部分管路段壓力損失僅降低了12 626 Pa、6 877 Pa、36 021 Pa。三部分管路段的壓力損失大小隨管徑增大的變化趨勢(shì)基本一致，排漿管管徑與管道壓力損失變化情況如圖5所示。由此可知，僅增大管徑能使環(huán)流系統(tǒng)管道壓力損失迅速下降，但降低的效果隨管徑的增大會(huì)越來(lái)越小。

3.2 泥漿密度對(duì)輸送阻力的影響

當(dāng)僅改變環(huán)流系統(tǒng)排漿管漿液的密度時(shí)，泥漿的密度每增加0.1 t/m3，三部分管道的壓力損失分別增加了4 947 Pa、1 700 Pa、29 019 Pa，三部分管路段的壓力損失隨著泥漿密度的增大近乎線性增加，其壓力損失變化規(guī)律如圖6所示。因此在實(shí)際工程中應(yīng)控制排漿密度不宜太大，當(dāng)排漿管的泥漿密度大于1.5 t/m3時(shí)，必須重新進(jìn)行調(diào)制漿降低泥漿密度來(lái)減小排漿管路壓力損失，避免管路堵塞。

3.3 泥漿輸送速度對(duì)輸送阻力的影響

當(dāng)僅改變泥漿輸送速度，三部分管路段的壓力損失隨泥漿流速的增大而增大。泥漿入口速度由3.0 m/s增加到3.5 m/s時(shí)，壓力損失增加的最大，分別增加了9 807 Pa、6 597 Pa、35 006 Pa，其壓力損失變化規(guī)律如圖7所示。在這3個(gè)參數(shù)中泥漿的流速大小對(duì)管道壓力損失的影響較大，因此在實(shí)際應(yīng)用中，泥漿流速不宜超過(guò)5 m/s。

3.4 管路長(zhǎng)度對(duì)輸送阻力的影響

延伸管路段的大部分管道為直管，隧道掘進(jìn)角度微小，在分析中將該段管路視為水平直管。對(duì)100" m、200" m、300 m長(zhǎng)度的水平直管進(jìn)行仿真分析，得到其壓力損失如圖8所示，壓力損失的增大與管道的長(zhǎng)度成正比，3種長(zhǎng)度直管的單位長(zhǎng)度壓力損失分別為304 Pa、304 Pa 、306 Pa，可以看出隨著管道長(zhǎng)度的增加，水平直管單位長(zhǎng)度的壓力損失增長(zhǎng)幅度不足1%，可忽略不計(jì)。因此在延伸管路段壓力損失計(jì)算中，直管的壓力損失可以采用線性疊加。

4 排漿泵安裝位置計(jì)算

一般單臺(tái)排漿泵工作壓力不能滿足泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)的輸送要求，需要多臺(tái)排漿泵接力使用［12］，現(xiàn)根據(jù)仿真計(jì)算得到的壓力損失結(jié)果對(duì)隧道內(nèi)的排漿泵的安裝位置進(jìn)行計(jì)算。

4.1 管道壓力損失計(jì)算

將環(huán)流系統(tǒng)三部分管路的壓力損失分別用ΔP1， ΔP2和ΔP3表示，盾構(gòu)管路段壓力損失ΔP1和地面管路段的壓力損失ΔP3可以視為定常壓損失，延伸管路段的壓力損失ΔP2計(jì)算公式為式（1）。

ΔP2=n×L×ΔPm（1）

式中：L為單環(huán)管片長(zhǎng)度；n為管片環(huán)數(shù)；ΔPm為管道單位長(zhǎng)度壓力損失。

4.2 排漿泵布置方案

一般情況下排漿泵工作能力的臨界點(diǎn)選為其最大工作壓力的80%，排漿泵壓力計(jì)算公式為式（2）。

K×P=ΔP1+ΔP2+ΔP3（2）

式中：K為安全系數(shù)，取0.80；P為排漿泵的最大工作壓力。

根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果，盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)排漿流量Q為2 030 m3/h，排漿密度S為1.4 t/m3，入口速度為V為3.56 m/s，管徑為450 mm時(shí)，盾構(gòu)機(jī)管路段對(duì)應(yīng)的壓力損失ΔP1為0.78 bar，地面管路段對(duì)應(yīng)的壓力損失ΔP3為4.27 bar，延伸管路段單位長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的壓力損失ΔPm為306 pa/m。

根據(jù)管道直徑、輸送速度及壓力損失等參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采用P2.1泵為沃曼300SHG型排漿泵，該泵的最大出口壓力為8 bar，根據(jù)式（1）、式（2）計(jì)算，要保證環(huán)流系統(tǒng)排漿管道漿液輸送能力，需在294環(huán)左右增加第二臺(tái)接力排漿泵。

5 工程驗(yàn)證

杭州望江路左線盾構(gòu)隧道長(zhǎng)1 837 m，共掘進(jìn)拼裝919環(huán)管片。按照工程施工要求，第一臺(tái)排漿泵P2.1在盾構(gòu)始發(fā)前安裝在盾構(gòu)機(jī)上，第二臺(tái)排漿泵P2.2安裝在250環(huán)處，仿真結(jié)果與實(shí)際誤差相差不大。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到507環(huán)時(shí)，測(cè)量P2.1的出口壓力為5.9 bar，P2.2的入口壓力為4.9 bar，相差1 bar，按照仿真分析的計(jì)算結(jié)果，兩泵之間壓力損失為1.15 bar，與實(shí)際測(cè)量值誤差在15%左右。

6 結(jié)論

（1）環(huán)流系統(tǒng)排漿管路的壓力損失隨排漿管徑的增大而減小，但當(dāng)管徑越大時(shí)，管路壓力損失降低的變化量會(huì)越來(lái)越小。

（2）環(huán)流系統(tǒng)壓力損失大小與漿液密度成正比，隨入口速度增大而增大。因此在實(shí)際工程中當(dāng)泥漿密度達(dá)到1.5 t/m3以上時(shí)，應(yīng)考慮重新制漿，在掘進(jìn)過(guò)程中，泥漿輸送速度應(yīng)該控制在5 m/s以內(nèi)。

（3）水平直管的壓力損失與管道長(zhǎng)度成正比，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)仿真得到管道壓力損失，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用的排漿泵工作參數(shù)，可計(jì)算出該隧道掘進(jìn)過(guò)程中排漿泵安裝的位置。

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