泥水盾構(gòu)分流采石系統(tǒng)在蘇埃通道工程應(yīng)用研究

汪 朋/WANG Peng

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

1 工程地質(zhì)

汕頭蘇埃通道工程為汕頭市重要的過海通道，該隧道采用15m超大直徑泥水盾構(gòu)施工，盾構(gòu)由南岸圍堰始發(fā)，穿越蘇埃海灣，區(qū)間長3047m，最小轉(zhuǎn)彎半徑1500m，最大坡度30‰。

如圖1所示，盾構(gòu)區(qū)間覆土厚度范圍為8～17.2m。盾構(gòu)始發(fā)覆土厚度8m左右，盾構(gòu)到達(dá)覆土厚度12m左右。本工程主要穿越淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混沙、砂層及中風(fēng)化花崗巖。三段中風(fēng)化花崗巖侵入洞身最大高度約6m，累計(jì)長度約182m，最大巖石強(qiáng)度約140MPa。盾構(gòu)區(qū)間大部分地層為軟弱混合地層，三段中風(fēng)化花崗巖凸起段是典型上軟下硬地層。這種地層采用泥水盾構(gòu)施工，對(duì)環(huán)流系統(tǒng)的順暢出渣具有很大的挑戰(zhàn)。

圖1 蘇埃通道海灣隧道地質(zhì)圖

2 分流采石系統(tǒng)針對(duì)性研究

氣墊式泥水平衡盾構(gòu)出渣方式是泥漿泵通過管道泵送渣漿，泥水環(huán)流系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)的出渣系統(tǒng)。該系統(tǒng)合理性和順暢性是影響施工進(jìn)度和掘進(jìn)效率的重要環(huán)節(jié)。

泥水環(huán)流系統(tǒng)和盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)復(fù)雜程度息息相關(guān)。針對(duì)蘇埃通道典型地質(zhì)，本文對(duì)泥水盾構(gòu)的環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，對(duì)泥水環(huán)流系統(tǒng)需要泵送的渣漿進(jìn)行了分流和采石處理，根據(jù)蘇埃通道不同區(qū)間段的地質(zhì)采用不同的裝置針對(duì)性處理。

2.1 分流器針對(duì)性設(shè)計(jì)

蘇埃通道盾構(gòu)區(qū)間大部分地層為極軟混合地層。該類地層水溶性差，掌子面開挖的渣土，主要為塊狀或者團(tuán)狀，很難溶于泥漿，影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率和環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行的通暢。

針對(duì)上述情況，為確保環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行通暢，在泥漿泵的吸漿口處增設(shè)分流器。分流器支管可以對(duì)即將排出的泥漿進(jìn)行分流，對(duì)即將排出的渣漿進(jìn)行簡單的過濾再次利用。該措施可有效降低排漿泵負(fù)載，增加沖刷泵吸漿量。

如圖2所示，過流濾筒式分流器是針對(duì)蘇埃通道典型地質(zhì)的針對(duì)性設(shè)計(jì)。待排出泥漿中含有塊狀或者團(tuán)狀固體時(shí)，其本身具有一定的流塑性，能通過泥漿泵泵送。待排出泥漿在通過分流器時(shí)，部分塊狀或者團(tuán)狀固體通過過流濾筒過濾，經(jīng)支管引至沖刷泵供沖刷泵再次利用。分流器過流濾筒圓孔的軸向方向和主排漿管漿液流動(dòng)方向垂直，泥漿中的固體很難通過圓孔進(jìn)入支管，降低了支管中泥漿顆粒物的含量。待排出泥漿中的固體沿著主排漿管道進(jìn)入排漿泵，通過管道泵送至分離設(shè)備進(jìn)行分離。

圖2 分流器針對(duì)性設(shè)計(jì)

分流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要與循環(huán)利用管路系統(tǒng)相匹配，既保證沖刷泵處于高效率區(qū)運(yùn)行，又避免了循環(huán)利用管路被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)理論計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)，得到如表1所示系統(tǒng)匹配表格。

表1 循環(huán)利用系統(tǒng)參數(shù)匹配表

在蘇埃通道盾構(gòu)區(qū)間段，在淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、中粗砂地層掘進(jìn)速度設(shè)定為40mm/min，掘進(jìn)參數(shù)表如表2所示。

表2 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定表

盾構(gòu)掘進(jìn)出渣量

盾構(gòu)排漿流量

盾構(gòu)進(jìn)漿流量

盾構(gòu)排漿流速

分流器漿液流速

式中D分流器——分流器管道內(nèi)徑。

從上述計(jì)算可知，氣墊倉漿液經(jīng)主排漿管排出至分流器，漿液的流速由4.5m/s降為1.4m/s，流速降低，漿液中的團(tuán)狀黏土?xí)蛄魉俳档屯ㄟ^分流器過濾筒進(jìn)入支線，影響取漿的質(zhì)量。若配置分流泵，流量分別為200m3/h、400m3/h、800m3/h和1000m3/h，經(jīng)公式（1）至（5）可以計(jì)算得出盾體主排漿管流量、盾體主排漿管流速、分流器倉內(nèi)流速，如表3所示。

表3 分流流量對(duì)應(yīng)流速響應(yīng)表

從表3、圖3和圖4看出，分流器分流端配置的分流泵流量越大，在不影響排漿的情況下，盾構(gòu)主機(jī)主排漿量也越大，配置1000m3/h的分流泵，主機(jī)主排漿量達(dá)到4200m3/h，流速可達(dá)5.9m/s，大流量大流速，有效地防止淤泥、粉細(xì)砂地層滯排、防止淤泥團(tuán)塊沉積結(jié)泥餅；流速大，漿液攜渣能力更強(qiáng)。分流器的針對(duì)性設(shè)計(jì)，提高了淤泥地層的掘進(jìn)效率，降低了滯排、結(jié)泥餅的概率。

2.2 采石箱針對(duì)性設(shè)計(jì)

蘇埃通道盾構(gòu)區(qū)間在蘇埃海灣主航道下方存在3段基巖凸起，侵入洞身最大高度約6m，累計(jì)長度約182m，為中風(fēng)化和微風(fēng)化花崗巖，巖石強(qiáng)度為80～140MPa。基巖經(jīng)滾刀和顎式破碎機(jī)破碎后，被泥漿攜帶至排漿泵。

圖3 分流流量與主排流速對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 分流流量與分流器流速對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，巖石破碎后，再加上格柵限徑，輸送的石塊尺寸一般在200mm以內(nèi)。格柵網(wǎng)格尺寸過小，較大巖石無法通過格柵，會(huì)導(dǎo)致泥水倉底部滯排；格柵網(wǎng)格過大，較大石塊通過后會(huì)堵塞卡泵，造成環(huán)流系統(tǒng)堵塞。

為了確保環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行正常，應(yīng)對(duì)基巖地層，可以實(shí)現(xiàn)大流量沖刷及高效排渣。針對(duì)基巖地層區(qū)間段設(shè)計(jì)具備采石功能的分流裝置。適當(dāng)增加格柵網(wǎng)格尺寸，讓大塊渣石輸送至采石箱，提高出渣效率，降低顎式破碎機(jī)的負(fù)擔(dān)，降低泥水倉底部滯排概率。采石箱具有一定存儲(chǔ)空間，存儲(chǔ)約2.5m3渣石。無法通過過濾網(wǎng)格的渣石，積聚到一定量后對(duì)采石箱中的渣石進(jìn)行清理，確保泥水循環(huán)順暢，循環(huán)往復(fù)。

由支管分流的泥漿，雖然經(jīng)過采石箱筒體的過濾作用，但由于過濾網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸較大，很難滿足沖刷泵葉片的最小流道要求，沖刷泵依然存在堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。為了降低此類風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，在支管出漿口段設(shè)計(jì)小徑格柵，將筒體格柵過濾的泥漿進(jìn)行二次過濾，有效地防止沖刷泵堵塞。

采石箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要與主排漿系統(tǒng)相匹配，根據(jù)理論計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)，得到如表4所示系統(tǒng)匹配參數(shù)。

表4 采石箱參數(shù)匹配表

針對(duì)蘇埃通道地質(zhì)及開挖直徑，盾構(gòu)選用的主排漿管直徑為500mm。從圖5可知采石箱也具有分流漿液口，配置的沖刷泵分流漿液，將主排泥漿回打至氣墊倉或者泥水倉。采石箱是針對(duì)基巖凸起地質(zhì)段設(shè)計(jì)的，在開挖掘進(jìn)時(shí)速度較低，設(shè)定為10mm/min，設(shè)定掘進(jìn)參數(shù)表如表5所示。

經(jīng)公式（1）至（4）計(jì)算得，環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表，如表6所示。

圖5 采石箱針對(duì)性設(shè)計(jì)

表5 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定表

采石箱漿液流速

式中D——采石箱倉內(nèi)直徑。

從表5、表6和公式（6）可知，氣墊倉漿液經(jīng)主排漿管排漿至采石箱，漿液的流速由4.5m/s降為0.58m/s。流速降低，漿液攜帶的石塊速度也降低。漿液中較大石塊，受漿液粘阻的影響較大，速度衰減較快；漿液中較小石塊，受漿液粘阻的影響較小，速度衰減較慢；較小石塊以較小速度穿過采石箱內(nèi)部格柵，經(jīng)主排漿泵排送至分離站。

表6 基巖地質(zhì)段環(huán)流系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)表

配置分流泵，流量分別為200m3/h、400m3/h、800m3/h和1000m3/h，經(jīng)公式（1）至（5）可以計(jì)算得，盾體主排漿管流量、盾體主排漿管流速、分流器倉內(nèi)流速，如表7所示。

表7 采石箱分流流量對(duì)應(yīng)流速響應(yīng)表

由表5～7和圖6可知，配置較大流量分流泵，由排漿管進(jìn)入采石箱的初始速度較大，對(duì)于大小相同的石塊而言，初始速度較大的石塊，平拋的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，當(dāng)石塊小于采石箱格柵時(shí)，很容易通過格柵經(jīng)主排漿泵排至分離站。若初始速度較小，小石塊平拋距離變短，不易通過格柵，導(dǎo)致小石塊滯排采石箱內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)將采石箱堆滿形成滯排，影響施工進(jìn)度。設(shè)計(jì)采石箱并配置大流量分流沖刷泵，是針對(duì)基巖地質(zhì)的針對(duì)性設(shè)計(jì)，對(duì)施工穩(wěn)定性及施工高效性具有重要意義。

圖6 采石箱分流流量與分流器流速對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 對(duì)比展望

分流器和采石箱是針對(duì)蘇埃通道工程復(fù)雜地質(zhì)進(jìn)行的針對(duì)性設(shè)計(jì)。針對(duì)不同的地質(zhì)，對(duì)即將排出的泥漿進(jìn)行過濾分流處理，增加了沖刷泵的泥漿供給量，提高了泥漿泵的排漿效率，加強(qiáng)了對(duì)泥漿的循環(huán)利用。

分流器和采石箱具有很強(qiáng)的針對(duì)性，相互獨(dú)立而又統(tǒng)一。由于空間的限制，為確保分流采石系統(tǒng)泥漿流動(dòng)的暢通性，分流器和采石箱的截面、孔徑、布置位置等都尤為關(guān)鍵，需要根據(jù)實(shí)際地質(zhì)不斷測(cè)試不斷摸索，才可以找出一組最優(yōu)參數(shù)，為特定地質(zhì)條件下解決泥水環(huán)流系統(tǒng)的堵塞問題提供一條全新的、可行的思路。