复合地层泥水盾构环流关键参数选择探析

李新月

(黔张常铁路有限责任公司， 湖南 长沙 410008)

0 引言

受地层特性的影响，泥水盾构在连续穿越软弱地层、土岩复合地层、基岩及其破碎带等不同地段时，由于泥水输送参数控制十分不便，给盾构掘进过程带来诸多不利影响。在泥浆环流系统设备选型、泥浆环流系统参数设置与盾构掘进的匹配性等方面，国内学者开展了许多研究工作。文献[1]结合武汉长江隧道计算了泥水输送临界流速与盾构最大掘进速度时泥浆泵的流量与扬程，以确定进、排浆泵的配置； 文献[2]研究了泥水平衡盾构进、排浆系统的管径、压力选择及系统控制方式； 文献[3]从管道直径、流量、渣浆密度、阀门和弯头等因素出发，对管路压力损失的影响进行分析，对泥水输送系统的扬程损失进行计算，并根据计算结果最终确定了泥浆泵的扬程； 文献[4]结合南京地铁10号线盾构隧道工程，研究了不同材质、流速、泥浆密度及泥浆中固体颗粒大小等因素对泥浆输送管道磨损的影响，针对性地提出了减小管路磨损的技术措施； 文献[5]研究了泥水循环系统的选型原理、系统配置原则及泥水循环参数计算方式； 文献[6]研究了管道入口流速、渣土粒径、泥浆密度和黏度对泥浆管路压力损失和渣土输送速度的影响规律； 文献[7]研究了不同粒径、不同体积分数和不同输送速度条件下粗颗粒在管道中的水力学特性，并拟合得到粗颗粒运动状态的判定参数； 文献[8]研究了在不同流速、粒径和体积分数条件下，粗颗粒堵管的临界条件及其安全输送的方法； 文献[9]研究了颗粒组分特性与扬矿硬管输送速度之间的规律； 文献[10-11]结合泥浆环流参数，分析计算泥浆泵性能参数，指导设备选型。上述文献在结合工程开展泥浆环流系统参数选取时，尚未考虑地层特性对泥浆环流的影响，将泥浆视为均匀颗粒流体。但在实际施工过程中，泥水盾构在基岩及基岩破碎地层掘进时容易出现滞排和舱内积碴，进而导致刀具、刀盘二次磨损，影响盾构长距离掘进。

不同土层中盾构掘进施工的关键技术是泥浆送、排量的控制，关键指标是固液两相流管道水力输送设计时的临界沉淀流速。当实际运行流速大于临界沉淀流速时，资源消耗大，不经济； 当实际运行流速小于临界沉淀流速时，泥浆管底开始出现固体颗粒滑动、推移运动，有时出现层移运动，对泥浆管路、盾构刀盘不利。本文结合狮子洋隧道不同地质条件，研究不同地层条件下碴土颗粒对泥水盾构泥浆送、排量的影响，确定不同地层条件下泥浆输送参数控制指标，以解决泥水盾构通过不同地层时的碴土排放问题。

1 工程概况

1.1 狮子洋隧道工程

广深港高速铁路连接广州、深圳，并接入香港，是京港大通道的组成部分，在国家铁路网中具有重要意义。狮子洋隧道是该线的控制性工程，隧道在虎门大桥上游约10 km处，下穿狮子洋、小虎沥和沙仔沥等珠江水系。隧道全长10.49 km，其中水下段采用盾构法施工，盾构隧道段长9 340 m。隧道采用双孔单线结构断面，管片衬砌内径9.8 m，外径10.8 m。狮子洋隧道平面图如图1所示。

图1 狮子洋隧道平面图

1.2 地质条件

盾构隧道穿越的地层主要为海陆交互相沉积的淤泥层〈2〉2、淤泥质土层〈2〉3、冲积形成的黏性土层〈3〉1及粉细砂层〈3〉3或中粗砂层(层号为〈3〉4、〈3〉5)。隧道在DK34+900～DK41+980段穿越岩石强风化带、弱风化带。隧道纵坡呈“V”型布置，盾构穿越基岩(W2地层)、半岩半土软硬不均地层及第四系覆盖地层的比例分别为73.3%、13.3%、13.4%。隧道纵断面图如图2所示。

图2 狮子洋隧道纵断面示意图

根据地质勘察分析的结果，弱风化岩石天然抗压强度为6.54～82.80 MPa，饱和抗压强度为3.10～78.70 MPa。

盾构穿越第四系粉细砂层石英含量为10.25%～28.4%； 第四系中砂层石英含量为14.7%～97.41%； 粗砾砂层石英含量为17.5%～99.45%，离散性大； 第四系圆砾土层石英含量为9.95%～31.1%。第四系地层颗粒分析情况见表1。

表1 第四系不同地层石英含量统计表

盾构穿越岩石强风化带—弱风化带，根据颗粒分析结果，黏粒含量为3.0%～31.9%，粉粒含量为23.3%～47.6%，石英含量为21.7%～76.01%，离散性较大。

1.3 盾构设备参数

狮子洋隧道采用气垫式泥水加压复合盾构。盾构开挖轮廓直径为11.182 m，刀盘开口率为32%，刀盘开口限制进入切削舱的最大石块粒径不大于0.5 m。剥落的粒径大于0.5 m的岩块留在刀盘前面，由刀具切割或刀盘压碎后进入泥水舱。盾构掘进期间进浆流量为1 190 m3/h，排浆流量为1 420 m3/h，送、排浆管直径为40.64 cm(内径为387 mm)，进浆密度为1.1 t/m3，排浆密度为1.3 t/m3。每台盾构分3级，共设置6台排浆泵。

2 泥浆送、排量控制方式

泥水平衡盾构施工以泥水平衡原理为基础，通过控制和调整泥水舱和气垫舱的泥浆送、排量和掘进速度来确定排土量。泥浆送、排量和掘进速度相协调，使开挖泥土能够顺利排出，否则会影响掘进速度、泥水压力稳定和设备状况。在施工过程中，泥水盾构进浆流量、排浆流量一般按开挖体积控制和临界沉淀流速控制2种工况进行计算，并按照最不利工况控制。

2.1 开挖体积控制

在软弱地层中施工，掘进速度基本均匀一致，盾构开挖体积变化不大，因此泥水舱进浆密度、排浆密度基本固定，单位时间内的进、排浆量计算公式分别如下：

Q1+V=Q2;

(1)

C1Q1+G=C2Q2。

(2)

式中：Q1为单位时间内的进浆量，m3；V为开挖量，m3；Q2为单位时间内的排浆量，m3；C1为进浆密度，t/m3；G为开挖土体质量，t；C2为排浆密度，t/m3。

2.2 临界沉淀流速控制

在软硬不均地层盾构施工过程中，掘进开挖会产生较大的块体，泥浆管内输送颗粒相对较大，送排浆相当于固-液两相流管道水力输送。在实际运行过程中，管内流速小于临界沉淀流速时，管道底部发生淤积，管道无法输送。管内临界沉淀流速可通过临界不淤流速仪配合电磁流量计测定，当颗粒在管底出现间断跳动时，若流速进一步降低，固体颗粒在管底开始出现固定床面层，此时对应的流速即为临界沉淀流速。

临界沉淀流速的主要影响因素包括浑水泥沙含沙量、输水管径、泥沙密度和颗粒粒径等。通过对前期大量浑水管道试验数据分析可以得出： 当管径、泥沙密度等一定时，临界沉淀流速随含沙量的增大而增大； 当含沙量和泥沙密度不变时，临界沉淀流速随管径的增大而增大； 当含沙量和管径一定时，临界沉淀流速随泥沙颗粒密度的减小而减小，随固体颗粒粒径的增大而增大。具体计算方法如下。

2.2.1 均匀颗粒临界沉淀流速计算方法

临界沉淀流速根据流动状态不同有不同的计算方法，其中均匀颗粒临界流速公式较多。由于试验条件不同，公式中给定的适用范围也不同，目前还没有统一的表达式，其中代表性的有杜兰德公式和维克斯在瓦斯普等人资料基础上推导的淤积流速公式。盾构隧道泥浆排放与杜兰德公式适用范围基本一致，计算公式如下[12]：

(3)

式中：VL为均匀颗粒临界沉淀流速，m/s；FL为固体颗粒质量分数及粒径的函数； g为重力加速度，m/s2；D为管道直径，mm；γs为悬浮颗粒的密度，t/m3；γ为液体密度(泥水密度)，t/m3。

式(3)中的FL为固体颗粒质量分数及粒径的函数，当粒径小于1 mm时，颗粒质量分数和粒径对液体密度有影响； 当粒径大于1 mm时，其影响较弱； 当粒径大于2 mm时，不管系统性质如何，FL为一个常数。因此该公式不适用于非均匀颗粒。

2.2.2 非均匀颗粒临界沉淀流速计算方法

非均匀颗粒临界沉淀流速计算公式最早是1979年西德的卡察斯基在研究水力输送煤、矿砂时提出的，我国清华大学水利系泥沙研究室的王可钦、原武汉水利科技大学的张兴荣等在进行了相关的观测、研究及推导后，也比较早地提出了相应的计算公式。

对于非均匀颗粒的泥水输送可以参照非均匀颗粒的临界沉淀流速计算，计算公式如下[12]：

(4)

2.2.3 费祥俊模型试验公式

清华大学水力系费祥俊教授通过多年的试验和研究，在原来计算公式的基础上给出了与现场试验更为吻合的计算模型，称为费祥俊模型，计算公式如下：

(5)

由式(5)可以看出，费祥俊模型考虑的因素比较全面，充分考虑了固体颗粒和管道阻力的影响。

3 狮子洋隧道盾构施工泥浆送、排量分析

3.1 泥浆送、排量控制参数计算

3.1.1 体积控制参数

3.1.2 软弱地层临界沉淀流速计算

通过临界沉淀流速和管道断面面积计算的排浆流量大概为1 400 m3/h，基本符合工程现场实际的泥水输送速度，但有时实际流量在1 000 m3/h也可正常掘进，即软弱地层下盾构掘进需要的真正临界沉淀流速更易选择和控制。

3.1.3 软硬不均地层临界沉淀流速计算

在软硬不均地层，因地层采用滚刀破岩，刀间距一般较大，当地层裂隙发育时，地层岩块剥落，泥水管路输送的块石的粒径较大。狮子洋隧道泥浆排放的最大粒径取100 mm(排浆管前格栅的最小开口尺寸)，中值粒径D50按10 mm计算，由于泥浆中颗粒粒径差异性较大，泥水不能按均匀流体考虑，结合狮子洋隧道的泥水输送系统参数，计算临界沉淀流速

通过临界沉淀流速和管道断面面积计算的排浆流量达到3 500 m3/h，与实际工程现场的泥水输送速度出入较大，管内将出现紊流，粒径100 mm的渣块就不会摩擦管路底部，即与实际施工情况不符。

3.1.4 费祥俊模型试验公式验算

2.55 m/s。

通过临界沉淀流速和管道断面面积计算的排浆流量为1 080 m3/h，与实际软弱地层中掘进的流量基本相符。

通过临界沉淀流速和管道断面面积计算的排浆流量达到4 000 m3/h，与实际排浆流量相差更大，但与采用式(4)的计算结果出入不大，说明要输送大粒径岩块，需要更大的浆液流速和流量，才能避免管路的大量磨损。

3.2 泥浆输送量控制方式分析

由上述计算结果可知，采用不同的计算模型得到的最小流速不同。从管道输送的规律看，输送的非均匀颗粒中粗颗粒增多时，必须提高管道输送速度，以避免颗粒大量沉淀、推移运动，影响管道输送效率。盾构设计时一般按均匀流进行设计，但在狮子洋隧道建设过程中，由于无法满足施工要求，需根据现场情况增加排浆能力、增大排浆流速。

在排浆量不低于1 139.1 m3的条件下，可以计算出临界沉淀流速对应的盾构掘进时间约为50 min，在综合考虑进、排浆密度和一定的富余量后的盾构掘进时间约为60 min。从盾构在不同地层的掘进速度看，在软弱地层盾构的掘进时间基本在60 min左右，即一般情况下在软弱地层盾构掘进时的泥浆排浆量约为1 200 m3/h； 在某些特殊软土地层条件下，盾构可在泥浆排浆量为1 000 m3/h以下时正常掘进。

在软硬不均地层，隧道的掘进时间一般在2～3 h，按上述开挖体积控制的流量计算，排浆管的泥浆流速显然低于最小沉淀流速，岩块在管路中做推移运动，实际岩块的运送速度更小于浆液流速，一方面造成了管路的大量磨损，另一方面大大延长了每环的掘进时间，而且也是造成滞排和堵舱的主要原因。

4 结论与建议

本文结合狮子洋隧道盾构工程，对泥水平衡盾构施工过程中泥浆送、排量的影响机制和计算方法进行分析，得出以下结论。

1)通过对比费祥俊模型试验公式的计算结果与临界沉淀流速计算方法的计算结果，验证了临界沉淀流速计算方法应用于泥水盾构施工泥浆送、排量计算的合理性和准确性。

2)通过对管路流体临界沉淀流速的理论计算，以及盾构掘进实际情况的对比分析，对泥浆在不同地层掘进的临界流速进行了相对全面的论证，一方面，为狮子洋隧道在软硬不均地层掘进时及时调整泥浆输送量以及流速提供了有力的理论依据； 另一方面，也为复合地层条件下的盾构工程建设施工提供了一些参考和改进建议。

3)提出了在复合地层泥水盾构施工时，应加大泥浆输送量的建议，以减少输送颗粒在排浆管内滑移、平动，同时减少舱内积碴和泥浆管的磨损。

下一步，建议在实际盾构项目施工过程中，除了采取上述建议和措施外，对泥水盾构配套的泥浆系统设备的选择和改造进行研究，如泥水系统泵送设备功率的选择，泥水管路角度、弧度的设计与布置的改造等。

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