大直徑泥水盾構(gòu)復(fù)雜地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)過(guò)程中的泥漿管路磨損研究

黃　波， 李曉龍， 陳長(zhǎng)江

(1. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津　300133； 2. 上海東華地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司， 上海　200071)

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大直徑泥水盾構(gòu)復(fù)雜地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)過(guò)程中的泥漿管路磨損研究

黃波1， 李曉龍2， 陳長(zhǎng)江1

(1. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津300133； 2. 上海東華地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司， 上海200071)

摘要：泥漿循環(huán)系統(tǒng)管路磨損會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)非正常停機(jī)，進(jìn)而影響施工進(jìn)度并帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，是泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中必須重視的一個(gè)問(wèn)題。結(jié)合南京地鐵10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，針對(duì)不同材質(zhì)、流速、泥漿密度及泥漿中固體顆粒大小等因素對(duì)泥漿輸送管道的磨損影響進(jìn)行了研究，通過(guò)與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，針對(duì)性地提出了減小管路磨損的技術(shù)措施，為泥漿循環(huán)系統(tǒng)合理化設(shè)計(jì)、提高施工效率和保證施工安全提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：南京地鐵； 泥水盾構(gòu)； 泥漿管路磨損； 實(shí)測(cè)分析

0引言

泥漿循環(huán)系統(tǒng)是泥水平衡盾構(gòu)施工的重要組成部分[1]，直接關(guān)系到開(kāi)挖面的穩(wěn)定與渣土的及時(shí)排放，以及泥水盾構(gòu)施工的工效及成本控制。不同地區(qū)、不同項(xiàng)目的地質(zhì)水文情況存在較大的差異，特別是在上軟下硬地層及砂卵石地層中，泥漿管路的磨損會(huì)對(duì)盾構(gòu)泥漿循環(huán)系統(tǒng)造成較大的影響[2-4]。泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)切削下的渣土與送進(jìn)開(kāi)挖艙的泥漿形成混和漿液，通過(guò)排泥管排出至地面泥水分離工廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)固液分離。由于泥漿中攜帶有卵石、礫石甚至是大漂石等不同成分的固體顆粒[5]，泥漿在管道的輸送過(guò)程中必然會(huì)造成管路的磨損，進(jìn)而可能引發(fā)管路破損噴漏漿液、爆管，以至造成盾構(gòu)掘進(jìn)非正常停機(jī)，最終造成施工效率降低和成本增加。因此，必須足夠重視泥水盾構(gòu)在復(fù)雜地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)過(guò)程中的泥漿管路磨損[6-8]。如國(guó)內(nèi)獅子洋隧道，因?yàn)槟酀{循環(huán)系統(tǒng)的故障問(wèn)題，停機(jī)時(shí)間占總停機(jī)時(shí)間的36.5%，見(jiàn)表1。

降低管路磨損、提高管路的耐用性直接關(guān)系到項(xiàng)目的完成效率、成本，并能有效提高施工安全的可靠性。以上調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)對(duì)泥水盾構(gòu)在復(fù)雜地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)過(guò)程中的泥漿管路磨損問(wèn)題所做的研究，多是通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、從管路的單一性質(zhì)(如管道材料、強(qiáng)度等)或者從整個(gè)泥水盾構(gòu)設(shè)備配套的角度進(jìn)行分析，均未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泥漿管道的實(shí)際磨損情況進(jìn)行深入分析。因此，本文從泥漿管路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合南京地鐵10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，對(duì)泥漿管路的磨損進(jìn)行研究，提出減小泥水盾構(gòu)管路磨損的技術(shù)措施，為泥漿循環(huán)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)提供參考。

表12009年下半年獅子洋隧道環(huán)流停機(jī)統(tǒng)計(jì)表(掘進(jìn)4 000 m以后)

Table 1Statistics of shield stop of Shiziyang Tunnel induced by pipe abrasion of slurry circulation system from July to December in 2009 (after boring for 4 000 m)

月份環(huán)流問(wèn)題停機(jī)時(shí)間/h占停機(jī)時(shí)間百分比占總施工時(shí)間百分比7月188.546.625.38月166.046.422.39月175.542.224.410月107.026.614.411月101.031.114.012月103.036.113.8

1工程概況

1.1穿越地層地質(zhì)情況

南京地鐵10號(hào)線(xiàn)中間風(fēng)井—江心洲站區(qū)間隧道全長(zhǎng)3 600.074 m，為單洞雙線(xiàn)斷面。線(xiàn)路平面線(xiàn)型為直線(xiàn)，豎曲線(xiàn)半徑為5 000 m，最大縱坡坡度為28‰，隧道頂部覆土厚度為11.4～40.5 m。圖1為越江隧道區(qū)間縱斷面圖。

區(qū)間隧道采用泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，盾構(gòu)開(kāi)挖直徑11.64 m，管片外徑11.2 m，內(nèi)徑10.2 m。盾構(gòu)隧道穿越的地層主要以粉細(xì)砂、卵石、圓礫地層為主，其中盾構(gòu)掘進(jìn)困難的卵石、圓礫地層長(zhǎng)達(dá)1 780 m，占隧道總長(zhǎng)的近50%，屬于長(zhǎng)距離穿越卵石、圓礫地層。

圖1　南京地鐵10號(hào)線(xiàn)越江隧道區(qū)間縱斷面圖

1.2泥漿循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)置

泥漿輸送系統(tǒng)是泥水平衡盾構(gòu)區(qū)別于土壓平衡盾構(gòu)的特征，泥漿輸送系統(tǒng)具有2個(gè)基本功能，一是穩(wěn)定掌子面，二是排出渣土。泥漿循環(huán)系統(tǒng)由送排泥泵、送排泥管、延伸管線(xiàn)和輔助設(shè)備等組成。送泥泵將調(diào)制好的泥漿通過(guò)送泥管輸送到泥水艙，而排泥泵則將攜帶渣土的泥漿排出，并通過(guò)排泥管輸送到地面的泥水處理設(shè)備中進(jìn)行分離。

1.2.1泥漿回路設(shè)置

本工程中擬選擇排泥泵的流量不低于2 000m3/h；送排泥管選用直徑為450 mm的輸送管，管道采用Q345B材質(zhì)螺旋焊管，管壁厚度10 mm，每根管道長(zhǎng)度10 m。送排泥泵和送排泥管都具有較強(qiáng)的抗磨損能力，泥漿回路如圖2所示。

泥漿輸送方案為： 過(guò)江隧道掘進(jìn)時(shí)，從北岸始發(fā)，豎井深25 m，隧道內(nèi)水平輸送長(zhǎng)度為3 600 m，泥漿輸送采用1臺(tái)送泥泵、 3臺(tái)排泥泵。其中，送泥泵站P1.1位于地面上，位置固定；主排泥泵站P2.1位于盾構(gòu)后配套拖車(chē)上，隨盾構(gòu)推進(jìn)而前進(jìn)；中繼排泥泵站P2.2在盾構(gòu)推進(jìn)到隧道中部時(shí)安裝；接力泵站P2.3安裝在隧道掘進(jìn)1/3處。

1.2.2泥漿輸送系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

泥漿輸送系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)泥漿輸送效率、盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度、泥漿管道選材、管路布置設(shè)計(jì)和管道磨損等有著重要的影響。因此，在泥漿系統(tǒng)和管路設(shè)計(jì)之前應(yīng)對(duì)泥漿輸送要滿(mǎn)足的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。表2為泥漿系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算條件。

根據(jù)表2的計(jì)算條件，計(jì)算得出滿(mǎn)足施工要求的泥漿輸送參數(shù)見(jiàn)表3。

管內(nèi)沉淀臨界流速

(1)式中：vL為臨界沉淀流速，m/s；D為管路直徑，m；γs為地層固體密度，t/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；FL為常數(shù)，送泥側(cè)取0.7，排泥側(cè)取1.35；γ為泥漿密度，盾構(gòu)送進(jìn)泥漿密度為1.1 t/m3，排出泥漿密度為1.3 t/m3。

圖2　開(kāi)挖模式的泥漿循環(huán)回路

名稱(chēng)參數(shù)刀盤(pán)外徑D/mm11640管片外徑/mm11200管片寬度/mm2000一次掘進(jìn)最大距離l/mm3600豎井深度H/m25從豎井到泥漿池的距離l1/m110從豎井到分離站的距離l2/m105分離站高度h/m5推進(jìn)速度vs/(cm/min)4隧道最大坡度/‰28送泥管直徑/mm450排泥管直徑/mm450開(kāi)挖面水壓控制范圍p/kPa200～600送泥密度/(t/m3)1.08～1.15排泥密度/(t/m3)1.25～1.35土質(zhì)條件 1)1840m:粉細(xì)砂層;2)780m:上部粉細(xì)砂層,下部1～3m的卵石圓礫地層;3)800m:上半部粉細(xì)砂層,下半部卵石圓礫地層;4)180m:全斷面的卵石圓礫地層

表3　泥漿輸送系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)式(1)計(jì)算得出，送泥管與排泥管內(nèi)沉淀臨界流速分別為1.98 m/s和3.14 m/s。

2泥漿管道磨損機(jī)制

2.1泥漿管道磨損力學(xué)模型

2.1.1漿體中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)形式

在送泥管道中，流動(dòng)的是調(diào)配的膨潤(rùn)土泥漿，而在排泥管道中，除了泥漿外還有含碎石的渣土，屬于非均質(zhì)漿體。根據(jù)固體顆粒與管壁的接觸情況，在非均質(zhì)漿體中，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)可分為懸移質(zhì)、跳躍質(zhì)和推移質(zhì)3種[9-10]。其運(yùn)動(dòng)形式如圖3所示。

圖3　漿體中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)形式

在3種運(yùn)動(dòng)形式中，懸移質(zhì)與泥漿管道不接觸，其對(duì)管壁的磨損程度最小; 跳躍質(zhì)與泥漿管道會(huì)有短暫接觸，對(duì)管壁的磨損程度稍大; 推移質(zhì)與管壁的作用時(shí)間最長(zhǎng)，因而對(duì)管壁的磨損程度也最大。固體顆粒在泥漿中的3種運(yùn)動(dòng)方式取決于顆粒在管道中的軸向運(yùn)動(dòng)速度和徑向運(yùn)動(dòng)速度。軸向運(yùn)動(dòng)速度主要由運(yùn)動(dòng)漿體對(duì)固體顆粒的推動(dòng)力決定，徑向運(yùn)動(dòng)速度取決于固體顆粒沉積速度和漿體脈動(dòng)速度之差，主要和固體顆粒粒徑、形狀、密度、漿體黏度和質(zhì)量濃度有關(guān)。

2.1.2固體顆粒與管壁的碰撞模型

固體顆粒與管壁發(fā)生碰撞的模型如圖4所示。法向碰撞力p使壁面材料產(chǎn)生局部變形、破碎和剝離，切向摩擦力N則引起表面刮痕沖刷。壁面磨損是p和N共同作用的結(jié)果，磨損量與顆粒質(zhì)量、碰撞接觸時(shí)間、入射角、固體顆粒運(yùn)動(dòng)速度和壁面摩擦因數(shù)等有關(guān)[11]。

圖4　碰撞模型

就單個(gè)固體顆粒來(lái)說(shuō)，管道的磨損量δi可以表示成顆粒質(zhì)量mi、顆粒運(yùn)動(dòng)速度v、入射角正弦sinα、摩擦因數(shù)μ和顆粒表面幾何形狀φ的函數(shù)。

δi=f(mi,v,sinα,μ,φ)。

(2)

管道磨損實(shí)質(zhì)上是固體顆粒群碰撞的結(jié)果，是每個(gè)固體顆粒對(duì)壁面磨損的積累。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)管道中固體顆粒質(zhì)量總量為M，單位時(shí)間內(nèi)管道磨損量δ可通過(guò)對(duì)式(2)進(jìn)行求和來(lái)表示。

δ=∑δi=f(∑mi,v,sinα,μ,φ)=f(M,v,sinα,μ,φ)。

(3)

其中質(zhì)量M可以通過(guò)泥漿流速v′、管道截面積S和固體顆粒質(zhì)量濃度C三者之間的乘積來(lái)表示，即

M=v′·S·C。

(4)

由于顆粒的運(yùn)動(dòng)速度由管道的流速?zèng)Q定，即總磨損量δ可表示成

δ=f(C,S,v,sinα,μ,φ)。

(5)

2.2管道磨損影響因素分析

從式(5)得知，總磨損量與泥漿流速、管道截面積、固體顆粒質(zhì)量濃度、碰撞接觸時(shí)間、入射角、泥漿中固體顆粒運(yùn)動(dòng)速度和壁面摩擦因數(shù)等有關(guān)。本文針對(duì)其中幾個(gè)可控的影響因素進(jìn)行分析。

1)摩擦因數(shù)。摩擦因數(shù)與固體顆粒的硬度、管道壁面材料的硬度、顆粒的表面幾何形狀、管道粗糙度等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)固體顆粒的硬度不大于管道材料的硬度時(shí)，管道的磨損程度不明顯；隨著固體顆粒的硬度增加，管道的磨損程度也在增加。此外，固體顆粒的表面形狀對(duì)管道的磨損影響也比較大，一般認(rèn)為圓球形、棱形、尖角形塊石對(duì)管道的磨損量依次增大，棱形和尖角形塊石對(duì)管道壁的磨損最嚴(yán)重。圖5為泥漿中攜帶的棱形塊石。

2)漿體的流速。試驗(yàn)研究表明，考慮到管道內(nèi)的水頭損失，加大漿體輸送速度，其所需動(dòng)力及管道磨損量均會(huì)明顯增大。所以，管道輸送中要嚴(yán)格控制輸送速度，但流速不能無(wú)限制降低，至少需要保證漿體正常流動(dòng)和固體顆粒不出現(xiàn)沉積，也就是大于臨界流速。

3)漿體中固體顆粒形態(tài)及粒徑。泥漿中攜帶的不同形狀、不同大小的卵石、圓礫等如圖6所示，其形態(tài)多呈多棱形、多面體，顆粒大且硬度大，阻力較大。在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)，泥漿攜帶的渣土中含有大量的砂礫石等，會(huì)對(duì)泥漿管管壁造成沖擊，加大管壁的磨損量。

圖5　泥漿中攜帶的棱形塊石

(a)(b)

(c)(d)

圖6泥漿中攜帶的卵石、圓礫

Fig. 6Cobbles and gravels in slurry

4)漿體的質(zhì)量濃度。阻力損失隨質(zhì)量濃度的增大而增大，固體物料的水力輸送是借助于運(yùn)載體(水流)對(duì)輸送介質(zhì)(固體顆粒)復(fù)雜的力學(xué)作用的結(jié)果，即隨著漿體質(zhì)量濃度增大，漿體中固體顆粒含量隨之增大，管道磨損量也相應(yīng)增大。

5)管道材料。泥漿管的選擇應(yīng)綜合考慮上述各因素，選擇能滿(mǎn)足施工要求、耐磨性能好的管材以減小泥漿輸送過(guò)程中塊石對(duì)泥漿管壁的磨損量，延長(zhǎng)其使用壽命。

鋼管用于流體運(yùn)輸，必須進(jìn)行流體壓力試驗(yàn)。其靜水壓力

p=2Sσs/D。

(6)

式中： p為試驗(yàn)壓力，MPa； S為公稱(chēng)壁厚，mm； σs為規(guī)定屈服點(diǎn)的60%,N/mm2； D為公稱(chēng)外徑，mm。

由不同材料鋼管的力學(xué)性能(見(jiàn)表4)和靜水壓力計(jì)算公式可知，螺旋鋼管足以滿(mǎn)足環(huán)流系統(tǒng)對(duì)壓力的要求。

表5為不同材料鋼管化學(xué)成分表。在化學(xué)成分中，C含量主要影響材料的硬度，Si含量和Mn含量影響材料的耐磨性，S含量和P含量影響材料的韌性。參考表5，45#無(wú)縫鋼管的耐磨性能最好，同時(shí)其他鋼管的耐磨性能也均能滿(mǎn)足要求，而無(wú)縫鋼管的價(jià)格明顯高于螺旋鋼管。綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和材料性能，本工程選用Q345B螺旋鋼管作為泥漿管。

表4　不同材料鋼管的力學(xué)性能

表5　不同材料鋼管化學(xué)成分表

6)漿體的腐蝕性。不同類(lèi)型的漿體產(chǎn)生的磨蝕速度不同，在磨蝕過(guò)程中，管道的磨蝕與磨損作用是密切相關(guān)的。地下水及泥漿中往往含有一定的有腐蝕性的物質(zhì)，因此，在配置泥漿時(shí)應(yīng)對(duì)泥漿的pH值進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)對(duì)排出的泥漿進(jìn)行pH值測(cè)定，判斷其對(duì)泥漿管管壁的腐蝕性。

3管壁厚度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)泥漿輸送管道壁厚進(jìn)行定期檢測(cè)，以掌握管道磨損情況，對(duì)磨損嚴(yán)重的地方進(jìn)行合理設(shè)計(jì)或者加固處理，避免泥漿管磨破引起泥漿泄漏，影響施工進(jìn)度。在本工程中，采用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行泥漿管管壁測(cè)厚，精度0.1 mm。超聲波測(cè)厚儀及測(cè)點(diǎn)布置如圖7和圖8所示。圖8中僅圖示凹面測(cè)點(diǎn)布置，凸面測(cè)點(diǎn)布置在背面，從上至下依次為凸3、凸2、凸1。

圖7　超聲波測(cè)厚儀測(cè)管壁厚度

圖8　測(cè)點(diǎn)布置

圖9為地面泥漿管管壁在2012年12月—2013年1月的厚度變化曲線(xiàn)。由圖9可以看出，管壁厚度實(shí)測(cè)值較管壁厚度稍大，這可能是由于泥漿到達(dá)地面的時(shí)候泥漿流速較小，泥漿管內(nèi)有一定的沉積物殘留?？傮w來(lái)說(shuō)，地面泥漿管管壁厚度的變化量較小，在25 d的監(jiān)測(cè)時(shí)間里，管壁厚度減小最大值為1.2 mm。因此，可以說(shuō)明地面泥漿管管道磨損量小，管道的使用壽命長(zhǎng)。

圖9　2012年12月—2013年1月地面泥漿管管壁厚度變化

Fig. 9Variations of slurry pipe wall thickness on the ground from December，2012 to January，2013

圖10為盾體排泥管管壁在2012年10—12月的厚度變化曲線(xiàn)。由圖10可以看出，整體上來(lái)看，管道壁厚沒(méi)有明顯變化。盾體排泥管凹面厚度在12月1日突然增大，比初始管道壁厚值大，這可能是由于泥漿在此處沉積造成；而凸面管道壁厚整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，但壁厚減小很少，管道磨損量為0.5 mm。排泥管管壁磨損量小的原因是泥漿到達(dá)排泥管的流速較小，顆粒物對(duì)管壁的沖擊小。

圖10　2012年10—12月盾體排泥管管壁厚度變化

Fig. 10Variations of slurry pipe wall thickness in shield from October to December，2012

圖11為P2.3泵出口管管壁在2012年10—12月的厚度變化曲線(xiàn)。由圖11可以看出，管道壁厚在11月22日前基本沒(méi)有變化，在11月22日之后管道壁厚有明顯的減小。其中，管道的凸面壁厚減小量明顯大于凹面，這是由于泥漿流速在凸面對(duì)管壁的沖擊較大，因此磨損量也大。截至2012年12月7日，管道壁厚減小量最大值為1.5 mm。

在該時(shí)期內(nèi)，盾構(gòu)掘進(jìn)施工正處在江底砂卵石地層中，泥漿中含有大量的砂卵(礫)石，但是由于P2.3泵處在距盾構(gòu)豎井較近的位置，距盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖面較遠(yuǎn)，泥漿到達(dá)此處的壓力較小，對(duì)泥漿管道管壁的沖擊較小，管壁磨損量也較小。

圖11　2012年10—12月P2.3泵出口管管壁厚度變化

Fig. 11Variations of slurry pipe wall thickness of Pump P2.3 from October to December，2012

圖12為P2.1泵出口彎頭管管壁在2012年10—12月的厚度變化曲線(xiàn)。由圖12可以看出： 在11月22日之前管道壁厚沒(méi)有明顯變化，在11月22日之后管道壁厚明顯減小，且管道凸面壁厚減小速率明顯大于凹面；到12月1日管道凸面壁厚減小至2.5 mm，即磨損量為7.5 mm，磨損速率為0.68 mm/d；凹面管道壁厚減小至7.5 mm，即磨損量為2.5 mm，磨損速率為0.23 mm/d，即凸面的磨損速率是凹面的2.96倍。

該期間盾構(gòu)正在江底砂卵石地層中掘進(jìn)，且P2.1排泥泵位于盾構(gòu)尾部配套臺(tái)車(chē)附近，泥漿流經(jīng)此處的速度較大，泥漿中含有大量的砂卵(礫)石，對(duì)泥漿管壁造成了嚴(yán)重的沖擊，使得泥漿管管壁磨損嚴(yán)重。

圖12　2012年10—12月P2.1泵出口彎頭管管壁厚度變化

Fig. 12Variations of slurry pipe wall thickness of Pump P2.1 from October to December，2012

4泥漿管路磨損保護(hù)措施

根據(jù)泥漿管路磨損的機(jī)制、影響管道磨損的因素、現(xiàn)場(chǎng)管道壁厚實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和工程案例可以看出，泥漿管道磨損主要與泥漿流速、泥漿中所攜帶的固體顆粒、泥漿管的布置和管道的形狀等因素有關(guān)。彎管磨損量比直管磨損量大，管道的凸面磨損量比凹面大，距泥漿泵近的管道磨損量比距泥漿泵遠(yuǎn)的管道磨損量大，管道底部磨損量比管道上部和側(cè)面的大。因此，在泥漿管路的設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)磨損量較大的薄弱部位進(jìn)行特殊處理，以提高其使用壽命。

1)對(duì)于各泵站出口，由于此處泥漿壓力大，又多為彎頭，磨損速度非?？?，因此，在出口彎頭薄弱處提前加焊鋼板(如圖13所示)，延長(zhǎng)它的使用壽命。

(a)(b)

圖13泥漿管彎頭加焊鋼板

Fig. 13Welded steel plate at slurry pipe elbow

2)本工程項(xiàng)目隧道全長(zhǎng)3 600 m，其中卵石、圓礫地層長(zhǎng)1 780 m。因此，泥漿管管路比較長(zhǎng)，泥漿中攜帶的渣土含有大量的卵石和圓礫石等，會(huì)對(duì)泥漿管管壁造成嚴(yán)重沖擊，致使管壁磨損量大。為此，應(yīng)對(duì)泥漿管路的薄弱部位進(jìn)行加焊、補(bǔ)焊或者進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以保證泥漿管道的正常使用，減小因泥漿管路維修以及更換對(duì)施工進(jìn)度產(chǎn)生的影響。例如，對(duì)于單個(gè)泥漿管，對(duì)管道兩端法蘭盤(pán)根部磨損較快處進(jìn)行補(bǔ)焊，以延長(zhǎng)單個(gè)泥漿管的壽命。

3)在盾構(gòu)掘進(jìn)至砂卵石地層時(shí)，應(yīng)對(duì)前面使用的泥漿管進(jìn)行仔細(xì)檢測(cè)，特別是對(duì)薄弱部位進(jìn)行檢測(cè)。若存在磨損量較大的管道應(yīng)對(duì)其進(jìn)行維修或者更換，避免在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)卵石、礫石對(duì)管壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，而引發(fā)管壁滲漏等現(xiàn)象。

4)對(duì)于水平直管，泥漿管磨損量為底部最大，兩側(cè)次之，頂部最小，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，為了延長(zhǎng)水平管道的使用壽命，過(guò)一段時(shí)間將管道底部與頂部倒轉(zhuǎn)方向使用，可以提高泥漿管1倍的使用壽命。圖14為水平泥漿管。

圖14　水平泥漿管

5)對(duì)于上下兩側(cè)都磨損的泥漿管，可以充分利用送泥管。由于送泥管不攜帶渣土通過(guò)，環(huán)流使用時(shí)磨損量較排泥管小很多，因此，在排泥管磨損較嚴(yán)重的時(shí)候，將送排泥漿管進(jìn)行倒換，這樣可以提高泥漿管的使用壽命。圖15為送排泥漿管。

圖15　送排泥漿管

6)泥漿流速對(duì)泥漿管道的磨損有著重要的影響，在大于臨界流速的情況下，泥漿流速越大，對(duì)泥漿管壁的磨損越大，因此，泥漿流速以保證管路不發(fā)生沉淀的最低流速為佳。掘進(jìn)時(shí)先嘗試以較低的泥漿流速循環(huán)，若在管路循環(huán)時(shí)出現(xiàn)掘進(jìn)流量逐漸降低的情形，則說(shuō)明管路有淤塞現(xiàn)象，出現(xiàn)了沉積物，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高泥漿流速。

5結(jié)論及建議

本文從泥漿管道的磨損機(jī)制、影響泥漿管道磨損的因素、現(xiàn)場(chǎng)泥漿管道磨損監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及工程實(shí)例等方面對(duì)泥漿循環(huán)系統(tǒng)管路的磨損規(guī)律進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上結(jié)合本工程項(xiàng)目提出了一些減小管道磨損的保護(hù)措施。主要結(jié)論如下。

1)地面排泥管和盾體排泥管的磨損量最小，整個(gè)施工過(guò)程中不需要修補(bǔ)或更換，使用壽命滿(mǎn)足要求。

2)彎管的磨損量較直管的磨損量明顯增大，且彎管的凸面磨損量大于凹面磨損量。泥漿泵出口彎管凸面的磨損速率約是凹面的3倍。

3)盾構(gòu)在砂卵(礫)石地層中掘進(jìn)時(shí)，距盾構(gòu)掘進(jìn)面較近的P2.1泵兩側(cè)的泥漿管管壁磨損量較大，距掘進(jìn)面越遠(yuǎn)磨損量越小。因此，對(duì)P2.1泵兩側(cè)的泥漿管應(yīng)進(jìn)行特殊處理，并加強(qiáng)管壁厚度檢測(cè)。

4)根據(jù)泥漿管道磨損規(guī)律，結(jié)合工程實(shí)際，應(yīng)對(duì)管道磨損嚴(yán)重的部位進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，施工過(guò)程中對(duì)管道壁厚進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，以掌握管道的磨損情況，及時(shí)采取保護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]張學(xué)軍. 城市大直徑泥水盾構(gòu)施工輔助設(shè)備配備[J]. 隧道建設(shè), 2008, 28(3): 378-381. (ZHANG Xuejun. Matching of ancillary construction equipment for large-diameter slurry shields used in urban areas [J].Tunnel Construction, 2008, 28(3): 378-381.(in Chinese))

[2]李有兵. 大直徑泥水平衡盾構(gòu)穿越上軟下硬地層的施工技術(shù)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2014. (LI Youbing. A study on construction technology of large diameter slurry balance shied tunneling in upper-soft lower-hard ground [D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2014. (in Chinese))

[3]楊?lèi)?ài)軍，張寧川，王杜娟，等.砂卵石地層氣墊式泥水盾構(gòu)的優(yōu)化[J].隧道建設(shè)，2013,33(4)： 331-335.(YANG Aijun, ZHANG Ningchuan, WANG Dujuan, et al. Optimization of air-cushion-type slurry shield to cope with sandy cobble strata [J]. Tunnel Construction, 2013, 33(4): 331-335. (in Chinese))

[4]曾垂剛. 泥水盾構(gòu)泥漿循環(huán)技術(shù)的探討[J]. 隧道建設(shè), 2009, 29(2): 162-165. (ZENG Chuigang. Discussion on slurry circulation technology of slurry shield machine [J].Tunnel Construction, 2009, 29(2): 162-165. (in Chinese))

[5]張穎. 盾構(gòu)法施工大漂石處理技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2011, 31(4): 500-503. (ZHANG Ying. Boulder treatment technology in shield tunneling [J].Tunnel Construction, 2011, 31(4): 500-503. (in Chinese))

[6]洪開(kāi)榮. 廣深港大斷面特長(zhǎng)水下盾構(gòu)隧道的技術(shù)難點(diǎn)分析[J]. 隧道建設(shè), 2007, 27(6): 1-3. (HONG Kairong. Analysis of technical difficulties of supper-long underwater shield-bored tunnels with large cross-sections: Case study on Shiziyang Tunnel on Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong passenger-dedicated railway [J].Tunnel Construction, 2007, 27(6): 1-3. (in Chinese))

[7]劉東. 繁華城區(qū)富水砂卵石地層大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2011, 31(1): 76-81.(LIU Dong. Key construction technology for larger diameter slurry shield tunneling in water-rich sandy gravel strata in busy urban area [J].Tunnel Construction, 2011, 31(1): 76-81. (in Chinese))

[8]鄒偉生，吳桂鳳，黃家禎. 長(zhǎng)距離漿體管道輸送管壁磨蝕研究[J]. 礦業(yè)工程, 2004, 24(2): 1-3. (ZOU Weisheng, WU Guifeng, HUANG Jiazhen. The study on pipe wall abrasion in long distance slurry pipeline transportation [J].Mining and Metallurgical Engineering, 2004, 24(2): 1-3. (in Chinese))

[9]錢(qián)桂華，曹晰. 漿體管道輸送設(shè)備使用選型手冊(cè)[M]. 北京： 冶金工業(yè)出版社,1995.(QIAN Guihua, CAO Xi. Selection manual for transportation equipment of slurry pipe [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1995. (in Chinese))

[10]費(fèi)祥俊. 漿體與粒狀物料輸送水力學(xué)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 1994. (FEI Xiangjun. Hydraulics of slurry and granular materials transportation [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1994. (in Chinese))

[11]張欽禮，鄭晶晶，王新民，等. 充填管道磨損形式及機(jī)理分析研究[J]. 金屬礦山, 2009 (5): 115-118. (ZHANG Qinli, ZHENG Jingjing, WANG Xinmin, et al. A study of the abrasion form and mechanism of backfilling pipelines[J]. Metal Mine, 2009(5): 115-118. (in Chinese))

Study of Abrasion of Slurry Pipe of Large-diameter Slurry Shield Boring in Complex Strata

HUANG Bo1, LI Xiaolong2, CHEN Changjiang1

(1.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China;2.ShanghaiDonghuaLocalRailwayDevelopmentCo.,Ltd.,Shanghai200071,China)

Abstract:The pipe abrasion of slurry circulation system will lead to an abnormal stop of shield tunneling and construction risk. Therefore, the influencing factors, including slurry material, slurry transportation speed, slurry density and solid particle size, of slurry pipe abrasion of slurry shield used in Line No. 10 of Nanjing Metro are studied. And then some effective countermeasures for reducing the pipe abrasion of slurry circulation system are proposed by means of comparison between actual testing results and study results,so as to provide reference for rational design of slurry circulation system by improving the construction efficiency and safety.

Keywords:Nanjing Metro; slurry shield; slurry pipe abrasion; test analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)04-0490-07

DOI:10.3973.j/issn.1672-741X.2016.04.019

第一作者簡(jiǎn)介：黃波(1981—)，男，湖南隆回人，2010年畢業(yè)于中南大學(xué)，隧道與地下工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事地鐵、隧道及基坑設(shè)計(jì)工作。E-mail： 122281528@qq.com。

收稿日期：2015-10-08； 修回日期： 2016-03-15

項(xiàng)目名稱(chēng)： 南京地鐵集團(tuán)有限公司南京地鐵大斷面盾構(gòu)隧道穿越長(zhǎng)江關(guān)鍵技術(shù)研究(D3-XY01-001-1206)