盾構機泥漿環流系統設計分析

陳黃騰

摘 要：本文以廣州地鐵十八號線工程為依托，根據盾構機的泥漿環流設計參數，結合現場實際的使用情況和使用效果，指出了泥漿環流系統存在的問題，并提出了改進措施及要求，對泥漿環流系統進行改進。其間結合現場施工情況，分析了泥水環流系統使用過程中泥漿沖刷管路流量設計以及功能設計存在的問題，給出了改進措施。

關鍵詞：泥漿環流系統;管路;流量設計;功能設計

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）03-0084-04

Analysis on the Design of Mud Circulation System of Shield Machine

CHEN Huangteng

（Urban Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， of China Railway 15th Bureau Group，Guangzhou Guangdong 510000）

Abstract： Based on the Guangzhou Metro Line 18 project， according to the mud circulation design parameters of the shield machine， combined with the actual use situation and use effect on site， this paper pointed out the problems of the mud circulation system， proposed improvement measures and requirements， and improved the mud circulation system. In the meantime， combined with the on-site construction situation， the problems existing in the flow design and functional design of the mud scouring pipeline during the use of the mud water circulation system were analyzed， and improvement measures were given.

Keywords： mud circulation system;pipeline;flow design;function design

在城市地鐵隧道施工中，盾構法的使用越來越廣泛[1-2]，隨著盾構法的廣泛使用，盾構機的發展也越來越迅速，盾構施工技術越來成熟。近三十年來，大斷面、穿越高水壓、高滲透地層的隧道越來越多，泥水盾構憑借穩定的處理效率，成為隧道施工的首選[3-5]。本文以廣州地鐵十八號線的地質條件和進行施工的兩臺泥水盾構機為依托，結合現場施工的實際情況，對現場地層施工存在的問題進行分析，并提出改進措施。

1 工程概況

1.1 盾構區間概況

橫瀝站～HP1盾構井盾構區間左線長為2 601.475 m，右線長為2 610.788 m，采用2臺泥水平衡盾構機在橫瀝站大里程端始發，自HP1號盾構井吊出。區間最大轉彎半徑為1 800 m。

1.2 地質條件概況

橫瀝站～HP1盾構井區間地質情況如圖1所示。盾構掘進地層主要為<2-1A>淤泥、<6H>全風化花崗巖，其是由<2-1A>淤泥、<3-1>粉細砂、<3-2>中粗砂、<3-4>圓礫、<5H-1>砂質黏性土、<6H>全風化花崗巖組成的復雜地層。隧道埋深設計為33.3 m。

2 泥漿環流系統

2.1 泥漿環流系統工作原理

本文介紹的盾構機為間接控制型泥水平衡盾構機。間接控制型泥水系統由空氣和泥水雙重系統組成。其在盾構泥水倉設置一道前隔板，將泥水倉分隔為開挖倉和氣墊倉前后兩部分，在開挖倉內充滿壓力泥漿，氣墊倉上部加入壓縮空氣，形成氣壓緩沖層。進漿泥漿泵從地面泥水調整池將有壓力的泥水輸入盾構機泥水室，在泥水室與開挖的泥砂混合后形成比重較高的泥漿，再由排漿泥漿泵輸送至配套的泥水處理場地。

2.2 泥漿環流系統結構介紹

泥漿環流系統主要由碎石機（或攪拌器）、進排泥漿泵、進排泥漿管、采石箱、控制閥門（液動球閥、氣動球閥、閘閥等）、管路延伸機構、中繼泵、地表儲漿池等部件組成。下面對其重要部件加以分析。

2.2.1 碎石機。碎石機用于對大塊的石頭進行破碎，保證泥漿循環的順暢。在泥水盾構機的氣墊倉底部排漿管的入口處，一般布置有碎石機和格柵。

2.2.2 進漿泥漿管路。泥漿經過主進漿管到達液動球閥V51進入氣動球閥V30，經過V30后分成以下六部分。

2.2.2.1 刀盤頂部沖洗。泥漿經過氣動球閥V30后，有一部分經過DN150管路，分別通過氣動球閥V11和V10到達開挖倉，對刀盤頂部左右兩側進行沖洗。

2.2.2.2 刀盤中心沖洗。泥漿經過氣動球閥V30后，有一部分被刀盤中心沖洗泥漿泵P0.1抽走，經過DN150管路、中心回轉體，對刀盤中心開挖部位進行沖洗。

2.2.2.3 氣墊倉底部進漿。泥漿經過氣動球閥V30后，有一部分經過DN100管路和氣動球閥V06、V07到達氣墊倉底部，調節氣墊倉底部沖洗進度和壓力平衡。

2.2.2.4 刀盤底部沖洗。泥漿經過氣動球閥V30后，有一部分經過DN150管路和氣動球閥V17、V18到達開挖倉底部，對刀盤底部進行沖洗。

2.2.2.5 碎石機沖洗。泥漿經過氣動球閥V30后，有一部分經過泥漿泵P0.2被DN150管路和氣動球閥V03、V04輸送到碎石機兩側，對碎石機鄂板進行沖洗。

2.2.2.6 限徑格柵沖洗。泥漿經過氣動球閥V30后，有一部分經過泥漿泵P0.2被DN150管路和氣動球閥V05輸送至限徑格柵上部，對限徑格柵進行沖洗。

2.2.3 排漿泥漿管路。刀盤切削下來的渣土和進漿管加入的泥漿攪拌，形成帶有渣土懸浮物的泥漿，經由打開的泥漿泵、碎石機、限徑格柵，被排漿泵從開挖倉抽出，然后經由氣動球閥V38、液動球閥V50，排到泥水站進行泥漿處理。

2.2.4 泥漿泵。盾構配套使用的泥漿泵參數如表1所示。

2.2.5 推進模式下的泥漿環流。推進模式下的泥漿環流圖如圖2所示。

2.3 泥漿環流系統在黏土地層存在的問題

盾構機在黏土層存在以下幾個問題：刀盤頂部泥漿沖刷流量不足，不能及時將渣土洗刷帶走，加速了刀具的磨損，降低了刀具的壽命;刀盤中心沖刷流量不足，不能對中心刀有效沖洗，容易造成刀盤結泥餅的現象，對刀盤損害大，降低施工效率;刀盤底部沖刷流量不足，開挖倉內受重力因素影響，切削下的渣土一般會通過刀盤在開挖倉底部堆積，沖刷流量不足，無法快速將渣土帶走，倉內會出現積渣現象，影響推進;開挖倉內泥漿攪拌不均勻，無法形成較好的泥漿懸浮液，泥漿攜渣效果差。

2.4 泥漿環流系統的分析與改進

2.4.1 刀盤上部。開挖倉上部增設刀盤沖洗管路兩路，管路直徑為DN150 mm，球閥分別為V57、V58，加大對刀盤頂部的沖洗，減少渣土對刀盤及刀具的磨損，增大沖刷量，增大攜渣量;在同一進漿管路增設氣墊倉，管路直徑為DN100 mm，球閥為V63，其不僅可以對氣墊倉進行沖刷，還可以起到對泥漿和氣墊倉壓力快速調節的作用。

2.4.2 刀盤中心。刀盤中心增大中心回轉體內管路直徑，其由DN150 mm改為DN250 mm，提高對刀盤中心的沖刷量，主驅動設計做出相關更改，刀盤牛腿直徑根據實際情況做出更改，適應中心回轉體內部管路的變更;沖洗管路增長60 cm，加大對刀盤中心的沖洗壓力。

2.4.3 刀盤下部。一是盾體下部增設反沖洗裝置，增設沖洗管路;二是對底部原有沖洗管路加粗，并增設沖洗管路;三是改進碎石機。

2.4.3.1 盾體下部增設反沖洗裝置，增設沖洗管路。從經過采石箱后的管路上部取漿，經過反沖洗泵P0.3，泥漿沖向四路沖洗管路，其中兩路沖洗管路的直徑為DN150 mm，球閥分別為V61、V62，替代原來位置的V37球閥所在的反沖洗管路，對刀盤底部加強沖刷。另外兩路沖洗管路的直徑為DN150 mm，球閥為V52、V53，在原底部沖洗管路下方位置（具體情況根據實際圖紙確定）對氣墊倉底部進行沖洗，減輕盾構機在掘進過程中出現堵倉的情況。

2.4.3.2 底部原有沖洗管路加粗，增設沖洗管路。對原來存在的對氣墊倉底部沖洗的球閥V06、V07所在沖洗管路增粗，直徑改為DN150 mm，并在同一根進漿管路上增設兩路對刀盤直接沖洗的泥漿管路，其分別為V59、V60球閥所在的管路，分別增強刀盤底部沖洗和氣墊倉底部沖洗。

2.4.3.3 碎石機改進。一方面增加擺動模式下碎石機的擺動頻率，改善碎石機的擺動效果，另一方面在碎石機鄂板垂直方向焊接主動攪拌棒，改善碎石機的攪拌效果，這樣可以增大底部整體的攪拌效果，有效減少積倉、堵倉的情況，改善泥漿攜渣效果，提高生產效率。

2.4.4 其他泥漿管路及設備。一是增設采石箱。二是增設泥漿泵（P0.1/P0.2/P0.3）維修備用管路。

2.4.4.1 增設采石箱。在排漿泵管路進口前增設采石箱，對即將進入的泥漿泵及運輸管路進行保護，過濾掉大直徑石渣，減少對泥漿泵及管路的損壞。

2.4.4.2 增設泥漿泵（P0.1/P0.2/P0.3）維修備用管路。管路上增加泥漿泵管路維修備用通道，可以使盾構機在泥漿泵需要維修時正常推進，提高工作效率，減少停機時間。如圖3所示，球閥V54、V55、V56所在管路分別為P0.1、P0.2、P0.3泥漿泵的維修備用管路。

2.4.5 更改后泥漿環流系統圖。更改后的泥漿環流系統圖如圖3所示。

3 泥漿流量計算分析

3.1 計算簡述

3.1.1 泥漿管內臨界沉淀速度。泥水流入管路后，其中顆粒的流動因粒徑、比重、流速而異。若粒徑、比重變大，則由于重力不同，水平管內產生上下部濃度差，形成不均質流動。若流速小，則會產生粒子沉淀。若高速運轉，則粒子會因躍動而形成混流，接近均質流動。

排泥管內臨界沉淀速度是一項主要參數。流體輸送泥沙微細粒子時，必須確保管內無土砂顆粒沉淀，此時必須保證一定的輸送流速。計算臨界沉淀流速時，一般可采用以下公式：

[μ=F12gdρ-ρ0ρ0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[μ]為臨界沉淀流速;[g]為重力加速度;[d]為管內徑;[ρ]為土體顆粒的實際比重;[ρ0]為泥漿比重;[F1]為由顆粒直徑、濃度決定的常數，是與泥漿濃度[CV]相關的系數。當顆粒直徑超過2 mm時，[F1]=1.34。

經過地質取樣試驗檢測得知，土體顆粒比重為1.90;泥漿比重為1.07;土體顆粒直徑為0.075 mm;考慮到土質中有砂層和微風化地層，土體顆粒直徑大于2 mm，[F1]取值為1.34。

3.1.2 泥漿管內流量。泥漿管流量的計算公式如下：

[Q=μ×14πD2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[Q]為泥漿管流量;[D]為泥漿管直徑。

3.2 反沖洗泥漿泵選型

反沖洗管路一共有四路，分別為V61、V62、V52、V53球閥所在管路，管內流量分別為Q61、Q62、Q52、Q53。根據盾構機沖洗管路參數，四路沖洗管路選擇的直徑為DN150 mm，根據式（1）和地質取樣試驗參數，計算出臨界流速[μ臨]=2.02 m/s，總流量[Q]=513.77 m3/h<600 m3/h，因此反沖洗泵（P0.3）和電機選用和中心沖洗泵（P0.2）相同的型號8/6-AH，電機功率為132 kW。

3.3 泥漿環流系統更改后的泥漿環流驗算

泥漿環流更改后，為保證進漿系統滿足使用要求，人們需要進行驗算。本文對計算過程加以簡化，進行簡單驗算。泥漿環流進漿系統整體分成三大部分。

一是頂部刀盤沖洗V11、V12、V57、V58所在管路，直徑均為DN150 mm，頂部氣墊倉沖洗V63所在管路，直徑為100 mm。經式（1）計算可得，[μ11]=2.02 m/s，[μ63]=1.65 m/s。經式（2）計算可得，頂部沖洗流量[Q頂=4Q11+Q63]=560.40 m3/h。

二是中心沖洗V01球閥所在管路，更改設計管路為DN250 mm，經式（1）計算可得，[μ]=2.61 m/s，經式（2）計算可得，中心沖洗流量[Q中心]=356.78 m3/h。

三是底部刀盤沖洗V59、V60、V17、V18所在管路，直徑均為DN150 mm，底部氣墊倉沖洗V06、V07所在管路，直徑為DN150 mm，底部碎石機沖洗V03、V04所在管路，直徑為DN150 mm，底部格柵沖洗V05所在管路，直徑為DN150 mm。經式（1）計算可得，[μ59]=2.02 m/s，[μ06]=2.02 m/s，[μ03]=2.02 m/s，[μ05]=2.02 m/s，底部沖洗總流量[Q底=4Q59+2Q06+2Q03+Q05]=1 155.98 m3/h。

盾構機最大負荷情況下運轉的總沖洗流量[Q=Q頂+Q中心+Q底]=2 073.16 m3/h<2 200 m3/h，小于P1.1進漿泵的流量，滿足使用要求。通過計算對盾構機更改前后的流量進行對比，如表2所示。

4 泥漿環流系統改進效果

鑒于盾構機DG451左線始發后，在推進過程出現部分問題，盾構機DG452在車間及始發井及時做出整改。值得注意的是，刀盤中心沖洗管路需要更改中心回轉體鋼結構及刀盤中心塊鋼結構，耗時及費用較高，因此未做更改。

現場施工右線施工工期相較于左線縮短兩個月，左線盾構機DG451開倉四次，共更換刀具102把，平均每延米需要0.039 2把，右線盾構機DG452開倉兩次，共更換刀具45把，平均每延米需要0.017 3把，大大縮短開倉時間，降低開倉成本，減小了刀具損耗，泥水站右線相比左線節省膨潤土800 t，改進效果非常明顯。

5 結語

結合廣州地鐵十八號線地層掘進情況，在以后的類似地層施工中，建議增大刀盤沖刷量，增強反沖洗效果，增強對碎石機、限徑格柵的沖洗效果以及刀盤底部的攪拌效果，充分利用泥漿的攜帶能力，減少對刀具的磨損。

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