直排式泥水盾構泥漿輸送系統設計

張中英，李瑞石，張文艷，賈金建

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

1 工程概況及系統配置設計分析

南寧地鐵3號線青博區間全長2 000m，主要穿越地層為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖及少量礫石、鈣質泥巖。區間需下穿青秀山、邕江、南寧大橋引橋，地層復雜，風險較大，因此考慮到壓力控制的穩定性，選用直排式泥水平衡盾構進行施工[1]。

1.1 泥漿輸送系統設計原理

結合地質情況、隧道埋深、開挖直徑、掘進速度等針對性的進行泥漿輸送系統功能及參數設計計算。圖1為泥漿輸送系統原理圖，表1為泥水輸送系統主參數。

圖1 泥漿輸送系統原理圖

表1 泥水輸送系統主參數

1.2 設計要點

1）流量的設計 進/排漿流量太小影響到設備的推進速度、攜渣性，流量太大勢必需加大地面分離站的處理能力，增加施工成本，因此需根據地層情況、進/排漿比重、掘進速度等選擇合適的流量[2]。

2）進漿比重的選擇 本區間在選擇進漿比重時既要考慮到礫石地層攜渣性，又要注意進漿管道阻力，既不能給進漿泵帶來太大的輸送負擔，又能夠提高泥漿的攜渣性。

3）管徑的設計 在選擇進排漿管徑時遵循的原則是“進大排小”[3]。對于進漿管線，適當放大管徑能夠降低進漿流速，減小管道阻力損失，減少進漿泵數量，降低施工成本，但是設計流速需大于泥漿臨界沉淀速度，確保泥漿不會發生沉淀，一般進漿流速選擇2～3m/s；對于排漿管線，適當減小管徑能夠增加流速，防止渣土沉淀堵塞管道，提高排渣效率，但是如果排漿流速過大，管道阻力損失會急劇增大，勢必增加排漿泵數量，因此排漿流速不能過大，一般排漿設計流速為3.5～4.5m/s[4]。綜合考慮以上因素，本設備進漿管線設計為DN300,排漿管線設計為DN250。

4）小循環的設計 為了將盡可能大的石塊排出開挖倉，通常是將采石箱與排漿口之間的排漿管路管徑加大，提高石塊的通過粒徑。但是如果不提高排漿流量，增大管徑后，流速勢必減小，會產生滯排的風險。因此設計循環泵（P0）將一部分排漿漿液回打至泥水倉內，在主機段形成一個閉式自循環（圖2），這樣在不增加地面排漿流量的前提下可以提高從泥水倉排漿口到采石箱之間主機段管路的排漿流量，加快主機段的排石速度，減少泥水倉底部滯排[5]。循環泵（P0）設計流量一般主排漿流量的1/3左右，另外由于回打的排漿漿液中含有一定的渣土，因此要特別注意P0泵的防堵。

圖2 P0循環簡圖

2 泥漿平衡控制原理設計分析

泥水平衡盾構是通過將加壓的泥漿輸送到泥水倉，泥水倉泥漿壓力與開挖面土體達到壓力動態平衡，從而保證開挖面的穩定性。泥水倉壓力、掘進速度、泥水品質、地層情況等均是影響開挖面穩定的因素，其中泥水倉壓力是影響穩定的主要因素，因此泥水平衡控制的主要對象是泥水倉的壓力[6]。

泥水平衡控制運用單回路調節器和執行機構（調節泥漿泵的轉速和閥門的開度）與被控制對象構成閉環負反饋，根據被控參數的測量值與給定值之間的偏差，按PID調節定律，對執行機構進行控制，以達到泥水平衡控制的目的[7]。表2為控制參數關系。

表2 控制參數關系

3 泥水平衡控制模式設計分析

泥水輸送系統需要具備多種模式，各種模式之間能夠進行切換，以適應設備在不同狀態下的需求，同時保證系統的安全性與穩定性。圖3為模式轉換圖。

圖3 模式轉換圖

3.1 停機模式

盾構在地層中處于非掘進狀態時，泥漿會逐漸滲入地層而引起開挖面的壓力損失，因此需要通過進漿系統提供維持倉內壓力穩定的泥漿。因此，進漿管路上并聯的CV1閥門會根據局倉內實際壓力與設定切口壓力的偏差信號自動調整，當開挖面壓力降低時，閥門開度增大，逐漸達到設定壓力時減小或者關閉；另外，地面上的加壓泵Pm的電機也隨著泥漿壓力的變化自動調速，使開挖面泥漿壓力在盾構停止工作期間始終維持在穩定狀態。圖4為停機模式簡圖。

3.2 旁通模式

旁通狀態有兩種狀態，機內旁通和機外旁通。在一環掘進完成后，首先切換到機內旁通，打開MV3,待進排漿密度基本相當后打開AV3，關閉MV3切換到機外旁通，機內旁通主要目的是一環進掘進完成后及時將主機段排漿管內渣土排出，防止渣土沉淀堵塞排漿管路。在機外旁通時，如果出現開挖面壓力下降，CV1閥門會自動打開進行補漿，維持開挖面壓力穩定。圖5為機內旁通模式簡圖，圖6為機外旁通模式簡圖。

3.3 掘進模式

進漿管路AV1打開，進漿流量由進漿泵及可調速電機的自動調速來進行調整；排漿管路MV2、AV2打開，排漿泵（P2/PE為變頻泵，P3為定頻泵）啟動，P2/PE泵的電機隨排漿流量的變化增速或者減速。

在掘進狀態下，切口水壓調節器根據的切口水壓同設定值進行比較，如果泥水倉壓力大于設定值，則切口水壓調節器輸出值降低，P1泵的轉速下降，進入泥水倉進漿流量減小，使泥水倉壓力降低，反之亦然。

掘進狀態下，排漿密度的變化將導致排漿流量的變化，這種變化會間接的增加切口水壓調節器的泥水平衡負擔。因此，由排漿流量調節器穩定排漿流量，起到間接控制泥水平衡的目的。當排漿流量小于設定值時，排漿流量調節器輸出增加，P2/PE泵轉速增加，排漿流量增大，反之亦然。圖7為掘進模式簡圖。

圖4 停機模式簡圖

圖5 機內旁通模式簡圖

圖6 機外旁通模式簡圖

3.4 逆循環模式

當機內旁通與機外旁通之間的管路出現堵塞時，正常的機內旁通無法疏通管路，此時切換到逆循環模式，這樣從主機段排漿管進漿，從進漿管排漿，實現從反向沖洗的效果，直到主機段排漿管疏通[8]。

在實際施工時，如果泥水倉內出現直徑較大石塊無法及時排出，累計在泥水倉下部，導致排漿管經常堵塞，掘進位置又比較特殊，不利于進倉排除大石塊時，為了維持掘進，可以采用逆循環模式進行掘進，從而避免出現石塊堵塞排漿口的狀況。圖8為逆循環模式簡圖。

4 結 語

以上結合項目實際對直排式泥水盾構泥漿輸送系統基本參數、控制原理、控制模式的設計進行了淺談。實際中需要根據地質情況、隧道走勢、招標要求等進行針對性和個性化的設計。

圖7 掘進模式簡圖

圖8 逆循環模式簡圖