直排式泥水盾构泥浆输送系统设计

2018-11-27张中英李瑞石张文艳贾金建

建筑机械化 2018年10期

关键词：旁通泥水泥浆

张中英，李瑞石，张文艳，贾金建

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

1 工程概况及系统配置设计分析

南宁地铁3号线青博区间全长2 000m，主要穿越地层为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及少量砾石、钙质泥岩。区间需下穿青秀山、邕江、南宁大桥引桥，地层复杂，风险较大，因此考虑到压力控制的稳定性，选用直排式泥水平衡盾构进行施工[1]。

1.1 泥浆输送系统设计原理

结合地质情况、隧道埋深、开挖直径、掘进速度等针对性的进行泥浆输送系统功能及参数设计计算。图1为泥浆输送系统原理图，表1为泥水输送系统主参数。

图1 泥浆输送系统原理图

表1 泥水输送系统主参数

1.2 设计要点

1）流量的设计进/排浆流量太小影响到设备的推进速度、携渣性，流量太大势必需加大地面分离站的处理能力，增加施工成本，因此需根据地层情况、进/排浆比重、掘进速度等选择合适的流量[2]。

2）进浆比重的选择本区间在选择进浆比重时既要考虑到砾石地层携渣性，又要注意进浆管道阻力，既不能给进浆泵带来太大的输送负担，又能够提高泥浆的携渣性。

3）管径的设计在选择进排浆管径时遵循的原则是“进大排小”[3]。对于进浆管线，适当放大管径能够降低进浆流速，减小管道阻力损失，减少进浆泵数量，降低施工成本，但是设计流速需大于泥浆临界沉淀速度，确保泥浆不会发生沉淀，一般进浆流速选择2～3m/s；对于排浆管线，适当减小管径能够增加流速，防止渣土沉淀堵塞管道，提高排渣效率，但是如果排浆流速过大，管道阻力损失会急剧增大，势必增加排浆泵数量，因此排浆流速不能过大，一般排浆设计流速为3.5～4.5m/s[4]。综合考虑以上因素，本设备进浆管线设计为DN300,排浆管线设计为DN250。

4）小循环的设计为了将尽可能大的石块排出开挖仓，通常是将采石箱与排浆口之间的排浆管路管径加大，提高石块的通过粒径。但是如果不提高排浆流量，增大管径后，流速势必减小，会产生滞排的风险。因此设计循环泵（P0）将一部分排浆浆液回打至泥水仓内，在主机段形成一个闭式自循环（图2），这样在不增加地面排浆流量的前提下可以提高从泥水仓排浆口到采石箱之间主机段管路的排浆流量，加快主机段的排石速度，减少泥水仓底部滞排[5]。循环泵（P0）设计流量一般主排浆流量的1/3左右，另外由于回打的排浆浆液中含有一定的渣土，因此要特别注意P0泵的防堵。

图2 P0循环简图

2 泥浆平衡控制原理设计分析

泥水平衡盾构是通过将加压的泥浆输送到泥水仓，泥水仓泥浆压力与开挖面土体达到压力动态平衡，从而保证开挖面的稳定性。泥水仓压力、掘进速度、泥水品质、地层情况等均是影响开挖面稳定的因素，其中泥水仓压力是影响稳定的主要因素，因此泥水平衡控制的主要对象是泥水仓的压力[6]。

泥水平衡控制运用单回路调节器和执行机构（调节泥浆泵的转速和阀门的开度）与被控制对象构成闭环负反馈，根据被控参数的测量值与给定值之间的偏差，按PID调节定律，对执行机构进行控制，以达到泥水平衡控制的目的[7]。表2为控制参数关系。

表2 控制参数关系

3 泥水平衡控制模式设计分析

泥水输送系统需要具备多种模式，各种模式之间能够进行切换，以适应设备在不同状态下的需求，同时保证系统的安全性与稳定性。图3为模式转换图。

图3 模式转换图

3.1 停机模式

盾构在地层中处于非掘进状态时，泥浆会逐渐渗入地层而引起开挖面的压力损失，因此需要通过进浆系统提供维持仓内压力稳定的泥浆。因此，进浆管路上并联的CV1阀门会根据局仓内实际压力与设定切口压力的偏差信号自动调整，当开挖面压力降低时，阀门开度增大，逐渐达到设定压力时减小或者关闭；另外，地面上的加压泵Pm的电机也随着泥浆压力的变化自动调速，使开挖面泥浆压力在盾构停止工作期间始终维持在稳定状态。图4为停机模式简图。

3.2 旁通模式

旁通状态有两种状态，机内旁通和机外旁通。在一环掘进完成后，首先切换到机内旁通，打开MV3,待进排浆密度基本相当后打开AV3，关闭MV3切换到机外旁通，机内旁通主要目的是一环进掘进完成后及时将主机段排浆管内渣土排出，防止渣土沉淀堵塞排浆管路。在机外旁通时，如果出现开挖面压力下降，CV1阀门会自动打开进行补浆，维持开挖面压力稳定。图5为机内旁通模式简图，图6为机外旁通模式简图。