泥水盾构分流采石系统在苏埃通道工程应用研究

汪 朋/WANG Peng

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001）

1 工程地质

汕头苏埃通道工程为汕头市重要的过海通道，该隧道采用15m超大直径泥水盾构施工，盾构由南岸围堰始发，穿越苏埃海湾，区间长3047m，最小转弯半径1500m，最大坡度30‰。

如图1所示，盾构区间覆土厚度范围为8～17.2m。盾构始发覆土厚度8m左右，盾构到达覆土厚度12m左右。本工程主要穿越淤泥、淤泥质土、淤泥混沙、砂层及中风化花岗岩。三段中风化花岗岩侵入洞身最大高度约6m，累计长度约182m，最大岩石强度约140MPa。盾构区间大部分地层为软弱混合地层，三段中风化花岗岩凸起段是典型上软下硬地层。这种地层采用泥水盾构施工，对环流系统的顺畅出渣具有很大的挑战。

图1 苏埃通道海湾隧道地质图

2 分流采石系统针对性研究

气垫式泥水平衡盾构出渣方式是泥浆泵通过管道泵送渣浆，泥水环流系统是泥水盾构的出渣系统。该系统合理性和顺畅性是影响施工进度和掘进效率的重要环节。

泥水环流系统和盾构区间的地质复杂程度息息相关。针对苏埃通道典型地质，本文对泥水盾构的环流系统进行优化升级，对泥水环流系统需要泵送的渣浆进行了分流和采石处理，根据苏埃通道不同区间段的地质采用不同的装置针对性处理。

2.1 分流器针对性设计

苏埃通道盾构区间大部分地层为极软混合地层。该类地层水溶性差，掌子面开挖的渣土，主要为块状或者团状，很难溶于泥浆，影响盾构掘进效率和环流系统运行的通畅。

针对上述情况，为确保环流系统运行通畅，在泥浆泵的吸浆口处增设分流器。分流器支管可以对即将排出的泥浆进行分流，对即将排出的渣浆进行简单的过滤再次利用。该措施可有效降低排浆泵负载，增加冲刷泵吸浆量。

如图2所示，过流滤筒式分流器是针对苏埃通道典型地质的针对性设计。待排出泥浆中含有块状或者团状固体时，其本身具有一定的流塑性，能通过泥浆泵泵送。待排出泥浆在通过分流器时，部分块状或者团状固体通过过流滤筒过滤，经支管引至冲刷泵供冲刷泵再次利用。分流器过流滤筒圆孔的轴向方向和主排浆管浆液流动方向垂直，泥浆中的固体很难通过圆孔进入支管，降低了支管中泥浆颗粒物的含量。待排出泥浆中的固体沿着主排浆管道进入排浆泵，通过管道泵送至分离设备进行分离。

图2 分流器针对性设计

分流器结构设计需要与循环利用管路系统相匹配，既保证冲刷泵处于高效率区运行，又避免了循环利用管路被堵塞的风险，根据理论计算和施工经验，得到如表1所示系统匹配表格。

表1 循环利用系统参数匹配表

在苏埃通道盾构区间段，在淤泥、淤泥质土、粉细砂、中粗砂地层掘进速度设定为40mm/min，掘进参数表如表2所示。

表2 掘进参数设定表

盾构掘进出渣量

盾构排浆流量

盾构进浆流量

盾构排浆流速

分流器浆液流速

式中D分流器——分流器管道内径。

从上述计算可知，气垫仓浆液经主排浆管排出至分流器，浆液的流速由4.5m/s降为1.4m/s，流速降低，浆液中的团状黏土会因流速降低通过分流器过滤筒进入支线，影响取浆的质量。若配置分流泵，流量分别为200m3/h、400m3/h、800m3/h和1000m3/h，经公式（1）至（5）可以计算得出盾体主排浆管流量、盾体主排浆管流速、分流器仓内流速，如表3所示。

表3 分流流量对应流速响应表

从表3、图3和图4看出，分流器分流端配置的分流泵流量越大，在不影响排浆的情况下，盾构主机主排浆量也越大，配置1000m3/h的分流泵，主机主排浆量达到4200m3/h，流速可达5.9m/s，大流量大流速，有效地防止淤泥、粉细砂地层滞排、防止淤泥团块沉积结泥饼；流速大，浆液携渣能力更强。分流器的针对性设计，提高了淤泥地层的掘进效率，降低了滞排、结泥饼的概率。

2.2 采石箱针对性设计

苏埃通道盾构区间在苏埃海湾主航道下方存在3段基岩凸起，侵入洞身最大高度约6m，累计长度约182m，为中风化和微风化花岗岩，岩石强度为80～140MPa。基岩经滚刀和颚式破碎机破碎后，被泥浆携带至排浆泵。

图3 分流流量与主排流速对应关系

图4 分流流量与分流器流速对应关系

根据类似工程施工经验，岩石破碎后，再加上格栅限径，输送的石块尺寸一般在200mm以内。格栅网格尺寸过小，较大岩石无法通过格栅，会导致泥水仓底部滞排；格栅网格过大，较大石块通过后会堵塞卡泵，造成环流系统堵塞。

为了确保环流系统运行正常，应对基岩地层，可以实现大流量冲刷及高效排渣。针对基岩地层区间段设计具备采石功能的分流装置。适当增加格栅网格尺寸，让大块渣石输送至采石箱，提高出渣效率，降低颚式破碎机的负担，降低泥水仓底部滞排概率。采石箱具有一定存储空间，存储约2.5m3渣石。无法通过过滤网格的渣石，积聚到一定量后对采石箱中的渣石进行清理，确保泥水循环顺畅，循环往复。

由支管分流的泥浆，虽然经过采石箱筒体的过滤作用，但由于过滤网的网格尺寸较大，很难满足冲刷泵叶片的最小流道要求，冲刷泵依然存在堵塞的风险。为了降低此类风险的发生，在支管出浆口段设计小径格栅，将筒体格栅过滤的泥浆进行二次过滤，有效地防止冲刷泵堵塞。

采石箱结构设计需要与主排浆系统相匹配，根据理论计算和施工经验，得到如表4所示系统匹配参数。

表4 采石箱参数匹配表

针对苏埃通道地质及开挖直径，盾构选用的主排浆管直径为500mm。从图5可知采石箱也具有分流浆液口，配置的冲刷泵分流浆液，将主排泥浆回打至气垫仓或者泥水仓。采石箱是针对基岩凸起地质段设计的，在开挖掘进时速度较低，设定为10mm/min，设定掘进参数表如表5所示。

经公式（1）至（4）计算得，环流系统运行参数表，如表6所示。

图5 采石箱针对性设计

表5 掘进参数设定表

采石箱浆液流速

式中D——采石箱仓内直径。

从表5、表6和公式（6）可知，气垫仓浆液经主排浆管排浆至采石箱，浆液的流速由4.5m/s降为0.58m/s。流速降低，浆液携带的石块速度也降低。浆液中较大石块，受浆液粘阻的影响较大，速度衰减较快；浆液中较小石块，受浆液粘阻的影响较小，速度衰减较慢；较小石块以较小速度穿过采石箱内部格栅，经主排浆泵排送至分离站。

表6 基岩地质段环流系统运行参数表

配置分流泵，流量分别为200m3/h、400m3/h、800m3/h和1000m3/h，经公式（1）至（5）可以计算得，盾体主排浆管流量、盾体主排浆管流速、分流器仓内流速，如表7所示。

表7 采石箱分流流量对应流速响应表

由表5～7和图6可知，配置较大流量分流泵，由排浆管进入采石箱的初始速度较大，对于大小相同的石块而言，初始速度较大的石块，平抛的距离相对较远，当石块小于采石箱格栅时，很容易通过格栅经主排浆泵排至分离站。若初始速度较小，小石块平抛距离变短，不易通过格栅，导致小石块滞排采石箱内，短时间内将采石箱堆满形成滞排，影响施工进度。设计采石箱并配置大流量分流冲刷泵，是针对基岩地质的针对性设计，对施工稳定性及施工高效性具有重要意义。

图6 采石箱分流流量与分流器流速对应关系

3 对比展望

分流器和采石箱是针对苏埃通道工程复杂地质进行的针对性设计。针对不同的地质，对即将排出的泥浆进行过滤分流处理，增加了冲刷泵的泥浆供给量，提高了泥浆泵的排浆效率，加强了对泥浆的循环利用。

分流器和采石箱具有很强的针对性，相互独立而又统一。由于空间的限制，为确保分流采石系统泥浆流动的畅通性，分流器和采石箱的截面、孔径、布置位置等都尤为关键，需要根据实际地质不断测试不断摸索，才可以找出一组最优参数，为特定地质条件下解决泥水环流系统的堵塞问题提供一条全新的、可行的思路。