盾构机泥浆环流系统设计分析

陈黄腾

摘 要：本文以广州地铁十八号线工程为依托，根据盾构机的泥浆环流设计参数，结合现场实际的使用情况和使用效果，指出了泥浆环流系统存在的问题，并提出了改进措施及要求，对泥浆环流系统进行改进。其间结合现场施工情况，分析了泥水环流系统使用过程中泥浆冲刷管路流量设计以及功能设计存在的问题，给出了改进措施。

关键词：泥浆环流系统;管路;流量设计;功能设计

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：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，盾构法的使用越来越广泛[1-2]，随着盾构法的广泛使用，盾构机的发展也越来越迅速，盾构施工技术越来成熟。近三十年来，大断面、穿越高水压、高渗透地层的隧道越来越多，泥水盾构凭借稳定的处理效率，成为隧道施工的首选[3-5]。本文以广州地铁十八号线的地质条件和进行施工的两台泥水盾构机为依托，结合现场施工的实际情况，对现场地层施工存在的问题进行分析，并提出改进措施。

1 工程概况

1.1 盾构区间概况

横沥站～HP1盾构井盾构区间左线长为2 601.475 m，右线长为2 610.788 m，采用2台泥水平衡盾构机在横沥站大里程端始发，自HP1号盾构井吊出。区间最大转弯半径为1 800 m。

1.2 地质条件概况

横沥站～HP1盾构井区间地质情况如图1所示。盾构掘进地层主要为<2-1A>淤泥、<6H>全风化花岗岩，其是由<2-1A>淤泥、<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<3-4>圆砾、<5H-1>砂质黏性土、<6H>全风化花岗岩组成的复杂地层。隧道埋深设计为33.3 m。

2 泥浆环流系统

2.1 泥浆环流系统工作原理

本文介绍的盾构机为间接控制型泥水平衡盾构机。间接控制型泥水系统由空气和泥水双重系统组成。其在盾构泥水仓设置一道前隔板，将泥水仓分隔为开挖仓和气垫仓前后两部分，在开挖仓内充满压力泥浆，气垫仓上部加入压缩空气，形成气压缓冲层。进浆泥浆泵从地面泥水调整池将有压力的泥水输入盾构机泥水室，在泥水室与开挖的泥砂混合后形成比重较高的泥浆，再由排浆泥浆泵输送至配套的泥水处理场地。

2.2 泥浆环流系统结构介绍

泥浆环流系统主要由碎石机（或搅拌器）、进排泥浆泵、进排泥浆管、采石箱、控制阀门（液动球阀、气动球阀、闸阀等）、管路延伸机构、中继泵、地表储浆池等部件组成。下面对其重要部件加以分析。

2.2.1 碎石机。碎石机用于对大块的石头进行破碎，保证泥浆循环的顺畅。在泥水盾构机的气垫仓底部排浆管的入口处，一般布置有碎石机和格栅。

2.2.2 进浆泥浆管路。泥浆经过主进浆管到达液动球阀V51进入气动球阀V30，经过V30后分成以下六部分。

2.2.2.1 刀盘顶部冲洗。泥浆经过气动球阀V30后，有一部分经过DN150管路，分别通过气动球阀V11和V10到达开挖仓，对刀盘顶部左右两侧进行冲洗。

2.2.2.2 刀盘中心冲洗。泥浆经过气动球阀V30后，有一部分被刀盘中心冲洗泥浆泵P0.1抽走，经过DN150管路、中心回转体，对刀盘中心开挖部位进行冲洗。

2.2.2.3 气垫仓底部进浆。泥浆经过气动球阀V30后，有一部分经过DN100管路和气动球阀V06、V07到达气垫仓底部，调节气垫仓底部冲洗进度和压力平衡。

2.2.2.4 刀盘底部冲洗。泥浆经过气动球阀V30后，有一部分经过DN150管路和气动球阀V17、V18到达开挖仓底部，对刀盘底部进行冲洗。

2.2.2.5 碎石机冲洗。泥浆经过气动球阀V30后，有一部分经过泥浆泵P0.2被DN150管路和气动球阀V03、V04输送到碎石机两侧，对碎石机鄂板进行冲洗。

2.2.2.6 限径格栅冲洗。泥浆经过气动球阀V30后，有一部分经过泥浆泵P0.2被DN150管路和气动球阀V05输送至限径格栅上部，对限径格栅进行冲洗。

2.2.3 排浆泥浆管路。刀盘切削下来的渣土和进浆管加入的泥浆搅拌，形成带有渣土悬浮物的泥浆，经由打开的泥浆泵、碎石机、限径格栅，被排浆泵从开挖仓抽出，然后经由气动球阀V38、液动球阀V50，排到泥水站进行泥浆处理。

2.2.4 泥浆泵。盾构配套使用的泥浆泵参数如表1所示。

2.2.5 推进模式下的泥浆环流。推进模式下的泥浆环流图如图2所示。

2.3 泥浆环流系统在黏土地层存在的问题

盾构机在黏土层存在以下几个问题：刀盘顶部泥浆冲刷流量不足，不能及时将渣土洗刷带走，加速了刀具的磨损，降低了刀具的寿命;刀盘中心冲刷流量不足，不能对中心刀有效冲洗，容易造成刀盘结泥饼的现象，对刀盘损害大，降低施工效率;刀盘底部冲刷流量不足，开挖仓内受重力因素影响，切削下的渣土一般会通过刀盘在开挖仓底部堆积，冲刷流量不足，无法快速将渣土带走，仓内会出现积渣现象，影响推进;开挖仓内泥浆搅拌不均匀，无法形成较好的泥浆悬浮液，泥浆携渣效果差。

2.4 泥浆环流系统的分析与改进

2.4.1 刀盘上部。开挖仓上部增设刀盘冲洗管路两路，管路直径为DN150 mm，球阀分别为V57、V58，加大对刀盘顶部的冲洗，减少渣土对刀盘及刀具的磨损，增大冲刷量，增大携渣量;在同一进浆管路增设气垫仓，管路直径为DN100 mm，球阀为V63，其不仅可以对气垫仓进行冲刷，还可以起到对泥浆和气垫仓压力快速调节的作用。

2.4.2 刀盘中心。刀盘中心增大中心回转体内管路直径，其由DN150 mm改為DN250 mm，提高对刀盘中心的冲刷量，主驱动设计做出相关更改，刀盘牛腿直径根据实际情况做出更改，适应中心回转体内部管路的变更;冲洗管路增长60 cm，加大对刀盘中心的冲洗压力。

2.4.3 刀盘下部。一是盾体下部增设反冲洗装置，增设冲洗管路;二是对底部原有冲洗管路加粗，并增设冲洗管路;三是改进碎石机。

2.4.3.1 盾体下部增设反冲洗装置，增设冲洗管路。从经过采石箱后的管路上部取浆，经过反冲洗泵P0.3，泥浆冲向四路冲洗管路，其中两路冲洗管路的直径为DN150 mm，球阀分别为V61、V62，替代原来位置的V37球阀所在的反冲洗管路，对刀盘底部加强冲刷。另外两路冲洗管路的直径为DN150 mm，球阀为V52、V53，在原底部冲洗管路下方位置（具体情况根据实际图纸确定）对气垫仓底部进行冲洗，减轻盾构机在掘进过程中出现堵仓的情况。

2.4.3.2 底部原有冲洗管路加粗，增设冲洗管路。对原来存在的对气垫仓底部冲洗的球阀V06、V07所在冲洗管路增粗，直径改为DN150 mm，并在同一根进浆管路上增设两路对刀盘直接冲洗的泥浆管路，其分别为V59、V60球阀所在的管路，分别增强刀盘底部冲洗和气垫仓底部冲洗。

2.4.3.3 碎石机改进。一方面增加摆动模式下碎石机的摆动频率，改善碎石机的摆动效果，另一方面在碎石机鄂板垂直方向焊接主动搅拌棒，改善碎石机的搅拌效果，这样可以增大底部整体的搅拌效果，有效减少积仓、堵仓的情况，改善泥浆携渣效果，提高生产效率。

2.4.4 其他泥浆管路及设备。一是增设采石箱。二是增设泥浆泵（P0.1/P0.2/P0.3）维修备用管路。

2.4.4.1 增设采石箱。在排浆泵管路进口前增设采石箱，对即将进入的泥浆泵及运输管路进行保护，过滤掉大直径石渣，减少对泥浆泵及管路的损坏。

2.4.4.2 增设泥浆泵（P0.1/P0.2/P0.3）维修备用管路。管路上增加泥浆泵管路维修备用通道，可以使盾构机在泥浆泵需要维修时正常推进，提高工作效率，减少停机时间。如图3所示，球阀V54、V55、V56所在管路分别为P0.1、P0.2、P0.3泥浆泵的维修备用管路。

2.4.5 更改后泥浆环流系统图。更改后的泥浆环流系统图如图3所示。

3 泥浆流量计算分析

3.1 计算简述

3.1.1 泥浆管内临界沉淀速度。泥水流入管路后，其中颗粒的流动因粒径、比重、流速而异。若粒径、比重变大，则由于重力不同，水平管内产生上下部浓度差，形成不均质流动。若流速小，则会产生粒子沉淀。若高速运转，则粒子会因跃动而形成混流，接近均质流动。

排泥管内临界沉淀速度是一项主要参数。流体输送泥沙微细粒子时，必须确保管内无土砂颗粒沉淀，此时必须保证一定的输送流速。计算临界沉淀流速时，一般可采用以下公式：

[μ=F12gdρ-ρ0ρ0]                            （1）

式中，[μ]为临界沉淀流速;[g]为重力加速度;[d]为管内径;[ρ]为土体颗粒的实际比重;[ρ0]为泥浆比重;[F1]为由颗粒直径、浓度决定的常数，是与泥浆浓度[CV]相关的系数。当颗粒直径超过2 mm时，[F1]=1.34。

经过地质取样试验检测得知，土体颗粒比重为1.90;泥浆比重为1.07;土体颗粒直径为0.075 mm;考虑到土质中有砂层和微风化地层，土体颗粒直径大于2 mm，[F1]取值为1.34。

3.1.2 泥浆管内流量。泥浆管流量的计算公式如下：

[Q=μ×14πD2]                             （2）

式中，[Q]为泥浆管流量;[D]为泥浆管直径。

3.2 反冲洗泥浆泵选型

反冲洗管路一共有四路，分别为V61、V62、V52、V53球阀所在管路，管内流量分别为Q61、Q62、Q52、Q53。根据盾构机冲洗管路参数，四路冲洗管路选择的直径为DN150 mm，根据式（1）和地质取样试验参数，计算出临界流速[μ临]=2.02 m/s，总流量[Q]=513.77 m3/h<600 m3/h，因此反冲洗泵（P0.3）和电机选用和中心冲洗泵（P0.2）相同的型号8/6-AH，电机功率为132 kW。

3.3 泥浆环流系统更改后的泥浆环流验算

泥浆环流更改后，为保证进浆系统满足使用要求，人们需要进行验算。本文对计算过程加以简化，进行简单验算。泥浆环流进浆系统整体分成三大部分。

一是顶部刀盘冲洗V11、V12、V57、V58所在管路，直径均为DN150 mm，顶部气垫仓冲洗V63所在管路，直径为100 mm。经式（1）计算可得，[μ11]=2.02 m/s，[μ63]=1.65 m/s。经式（2）计算可得，顶部冲洗流量[Q顶=4Q11+Q63]=560.40 m3/h。

二是中心冲洗V01球阀所在管路，更改设计管路为DN250 mm，经式（1）计算可得，[μ]=2.61 m/s，经式（2）计算可得，中心冲洗流量[Q中心]=356.78 m3/h。

三是底部刀盘冲洗V59、V60、V17、V18所在管路，直径均为DN150 mm，底部气垫仓冲洗V06、V07所在管路，直径为DN150 mm，底部碎石机冲洗V03、V04所在管路，直径为DN150 mm，底部格栅冲洗V05所在管路，直径为DN150 mm。经式（1）计算可得，[μ59]=2.02 m/s，[μ06]=2.02 m/s，[μ03]=2.02 m/s，[μ05]=2.02 m/s，底部冲洗总流量[Q底=4Q59+2Q06+2Q03+Q05]=1 155.98 m3/h。

盾构机最大负荷情况下运转的总冲洗流量[Q=Q顶+Q中心+Q底]=2 073.16 m3/h<2 200 m3/h，小于P1.1进浆泵的流量，满足使用要求。通过计算对盾构机更改前后的流量进行对比，如表2所示。

4 泥浆环流系统改进效果

鉴于盾构机DG451左线始发后，在推进过程出现部分问题，盾构机DG452在车间及始发井及时做出整改。值得注意的是，刀盘中心冲洗管路需要更改中心回转体钢结构及刀盘中心块钢结构，耗时及费用较高，因此未做更改。

现场施工右线施工工期相较于左线缩短两个月，左线盾构机DG451开仓四次，共更换刀具102把，平均每延米需要0.039 2把，右线盾构机DG452开仓两次，共更换刀具45把，平均每延米需要0.017 3把，大大缩短开仓时间，降低开仓成本，减小了刀具损耗，泥水站右线相比左线节省膨润土800 t，改进效果非常明显。

5 结语

结合广州地铁十八号线地层掘进情况，在以后的类似地层施工中，建议增大刀盘冲刷量，增强反冲洗效果，增强对碎石机、限径格栅的冲洗效果以及刀盘底部的搅拌效果，充分利用泥浆的携带能力，减少对刀具的磨损。

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