李新月

(黔張常鐵路有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

0 引言

受地層特性的影響，泥水盾構(gòu)在連續(xù)穿越軟弱地層、土巖復(fù)合地層、基巖及其破碎帶等不同地段時(shí)，由于泥水輸送參數(shù)控制十分不便，給盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程帶來(lái)諸多不利影響。在泥漿環(huán)流系統(tǒng)設(shè)備選型、泥漿環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與盾構(gòu)掘進(jìn)的匹配性等方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了許多研究工作。文獻(xiàn)[1]結(jié)合武漢長(zhǎng)江隧道計(jì)算了泥水輸送臨界流速與盾構(gòu)最大掘進(jìn)速度時(shí)泥漿泵的流量與揚(yáng)程，以確定進(jìn)、排漿泵的配置； 文獻(xiàn)[2]研究了泥水平衡盾構(gòu)進(jìn)、排漿系統(tǒng)的管徑、壓力選擇及系統(tǒng)控制方式； 文獻(xiàn)[3]從管道直徑、流量、渣漿密度、閥門和彎頭等因素出發(fā)，對(duì)管路壓力損失的影響進(jìn)行分析，對(duì)泥水輸送系統(tǒng)的揚(yáng)程損失進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終確定了泥漿泵的揚(yáng)程； 文獻(xiàn)[4]結(jié)合南京地鐵10號(hào)線盾構(gòu)隧道工程，研究了不同材質(zhì)、流速、泥漿密度及泥漿中固體顆粒大小等因素對(duì)泥漿輸送管道磨損的影響，針對(duì)性地提出了減小管路磨損的技術(shù)措施； 文獻(xiàn)[5]研究了泥水循環(huán)系統(tǒng)的選型原理、系統(tǒng)配置原則及泥水循環(huán)參數(shù)計(jì)算方式； 文獻(xiàn)[6]研究了管道入口流速、渣土粒徑、泥漿密度和黏度對(duì)泥漿管路壓力損失和渣土輸送速度的影響規(guī)律； 文獻(xiàn)[7]研究了不同粒徑、不同體積分?jǐn)?shù)和不同輸送速度條件下粗顆粒在管道中的水力學(xué)特性，并擬合得到粗顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判定參數(shù)； 文獻(xiàn)[8]研究了在不同流速、粒徑和體積分?jǐn)?shù)條件下，粗顆粒堵管的臨界條件及其安全輸送的方法； 文獻(xiàn)[9]研究了顆粒組分特性與揚(yáng)礦硬管輸送速度之間的規(guī)律； 文獻(xiàn)[10-11]結(jié)合泥漿環(huán)流參數(shù)，分析計(jì)算泥漿泵性能參數(shù)，指導(dǎo)設(shè)備選型。上述文獻(xiàn)在結(jié)合工程開展泥漿環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)選取時(shí)，尚未考慮地層特性對(duì)泥漿環(huán)流的影響，將泥漿視為均勻顆粒流體。但在實(shí)際施工過(guò)程中，泥水盾構(gòu)在基巖及基巖破碎地層掘進(jìn)時(shí)容易出現(xiàn)滯排和艙內(nèi)積碴，進(jìn)而導(dǎo)致刀具、刀盤二次磨損，影響盾構(gòu)長(zhǎng)距離掘進(jìn)。

不同土層中盾構(gòu)掘進(jìn)施工的關(guān)鍵技術(shù)是泥漿送、排量的控制，關(guān)鍵指標(biāo)是固液兩相流管道水力輸送設(shè)計(jì)時(shí)的臨界沉淀流速。當(dāng)實(shí)際運(yùn)行流速大于臨界沉淀流速時(shí)，資源消耗大，不經(jīng)濟(jì)； 當(dāng)實(shí)際運(yùn)行流速小于臨界沉淀流速時(shí)，泥漿管底開始出現(xiàn)固體顆?；瑒?dòng)、推移運(yùn)動(dòng)，有時(shí)出現(xiàn)層移運(yùn)動(dòng)，對(duì)泥漿管路、盾構(gòu)刀盤不利。本文結(jié)合獅子洋隧道不同地質(zhì)條件，研究不同地層條件下碴土顆粒對(duì)泥水盾構(gòu)泥漿送、排量的影響，確定不同地層條件下泥漿輸送參數(shù)控制指標(biāo)，以解決泥水盾構(gòu)通過(guò)不同地層時(shí)的碴土排放問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 獅子洋隧道工程

廣深港高速鐵路連接廣州、深圳，并接入香港，是京港大通道的組成部分，在國(guó)家鐵路網(wǎng)中具有重要意義。獅子洋隧道是該線的控制性工程，隧道在虎門大橋上游約10 km處，下穿獅子洋、小虎瀝和沙仔瀝等珠江水系。隧道全長(zhǎng)10.49 km，其中水下段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道段長(zhǎng)9 340 m。隧道采用雙孔單線結(jié)構(gòu)斷面，管片襯砌內(nèi)徑9.8 m，外徑10.8 m。獅子洋隧道平面圖如圖1所示。

圖1 獅子洋隧道平面圖

1.2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為海陸交互相沉積的淤泥層〈2〉2、淤泥質(zhì)土層〈2〉3、沖積形成的黏性土層〈3〉1及粉細(xì)砂層〈3〉3或中粗砂層(層號(hào)為〈3〉4、〈3〉5)。隧道在DK34+900～DK41+980段穿越巖石強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶。隧道縱坡呈“V”型布置，盾構(gòu)穿越基巖(W2地層)、半巖半土軟硬不均地層及第四系覆蓋地層的比例分別為73.3%、13.3%、13.4%。隧道縱斷面圖如圖2所示。

圖2 獅子洋隧道縱斷面示意圖

根據(jù)地質(zhì)勘察分析的結(jié)果，弱風(fēng)化巖石天然抗壓強(qiáng)度為6.54～82.80 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度為3.10～78.70 MPa。

盾構(gòu)穿越第四系粉細(xì)砂層石英含量為10.25%～28.4%； 第四系中砂層石英含量為14.7%～97.41%； 粗礫砂層石英含量為17.5%～99.45%，離散性大； 第四系圓礫土層石英含量為9.95%～31.1%。第四系地層顆粒分析情況見表1。

表1 第四系不同地層石英含量統(tǒng)計(jì)表

盾構(gòu)穿越巖石強(qiáng)風(fēng)化帶—弱風(fēng)化帶，根據(jù)顆粒分析結(jié)果，黏粒含量為3.0%～31.9%，粉粒含量為23.3%～47.6%，石英含量為21.7%～76.01%，離散性較大。

1.3 盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)

獅子洋隧道采用氣墊式泥水加壓復(fù)合盾構(gòu)。盾構(gòu)開挖輪廓直徑為11.182 m，刀盤開口率為32%，刀盤開口限制進(jìn)入切削艙的最大石塊粒徑不大于0.5 m。剝落的粒徑大于0.5 m的巖塊留在刀盤前面，由刀具切割或刀盤壓碎后進(jìn)入泥水艙。盾構(gòu)掘進(jìn)期間進(jìn)漿流量為1 190 m3/h，排漿流量為1 420 m3/h，送、排漿管直徑為40.64 cm(內(nèi)徑為387 mm)，進(jìn)漿密度為1.1 t/m3，排漿密度為1.3 t/m3。每臺(tái)盾構(gòu)分3級(jí)，共設(shè)置6臺(tái)排漿泵。

2 泥漿送、排量控制方式

泥水平衡盾構(gòu)施工以泥水平衡原理為基礎(chǔ)，通過(guò)控制和調(diào)整泥水艙和氣墊艙的泥漿送、排量和掘進(jìn)速度來(lái)確定排土量。泥漿送、排量和掘進(jìn)速度相協(xié)調(diào)，使開挖泥土能夠順利排出，否則會(huì)影響掘進(jìn)速度、泥水壓力穩(wěn)定和設(shè)備狀況。在施工過(guò)程中，泥水盾構(gòu)進(jìn)漿流量、排漿流量一般按開挖體積控制和臨界沉淀流速控制2種工況進(jìn)行計(jì)算，并按照最不利工況控制。

2.1 開挖體積控制

在軟弱地層中施工，掘進(jìn)速度基本均勻一致，盾構(gòu)開挖體積變化不大，因此泥水艙進(jìn)漿密度、排漿密度基本固定，單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)、排漿量計(jì)算公式分別如下：

Q1+V=Q2;

(1)

C1Q1+G=C2Q2。

(2)

式中：Q1為單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)漿量，m3；V為開挖量，m3；Q2為單位時(shí)間內(nèi)的排漿量，m3；C1為進(jìn)漿密度，t/m3；G為開挖土體質(zhì)量，t；C2為排漿密度，t/m3。

2.2 臨界沉淀流速控制

在軟硬不均地層盾構(gòu)施工過(guò)程中，掘進(jìn)開挖會(huì)產(chǎn)生較大的塊體，泥漿管內(nèi)輸送顆粒相對(duì)較大，送排漿相當(dāng)于固-液兩相流管道水力輸送。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，管內(nèi)流速小于臨界沉淀流速時(shí)，管道底部發(fā)生淤積，管道無(wú)法輸送。管內(nèi)臨界沉淀流速可通過(guò)臨界不淤流速儀配合電磁流量計(jì)測(cè)定，當(dāng)顆粒在管底出現(xiàn)間斷跳動(dòng)時(shí)，若流速進(jìn)一步降低，固體顆粒在管底開始出現(xiàn)固定床面層，此時(shí)對(duì)應(yīng)的流速即為臨界沉淀流速。

臨界沉淀流速的主要影響因素包括渾水泥沙含沙量、輸水管徑、泥沙密度和顆粒粒徑等。通過(guò)對(duì)前期大量渾水管道試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出： 當(dāng)管徑、泥沙密度等一定時(shí)，臨界沉淀流速隨含沙量的增大而增大； 當(dāng)含沙量和泥沙密度不變時(shí)，臨界沉淀流速隨管徑的增大而增大； 當(dāng)含沙量和管徑一定時(shí)，臨界沉淀流速隨泥沙顆粒密度的減小而減小，隨固體顆粒粒徑的增大而增大。具體計(jì)算方法如下。

2.2.1 均勻顆粒臨界沉淀流速計(jì)算方法

臨界沉淀流速根據(jù)流動(dòng)狀態(tài)不同有不同的計(jì)算方法，其中均勻顆粒臨界流速公式較多。由于試驗(yàn)條件不同，公式中給定的適用范圍也不同，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的表達(dá)式，其中代表性的有杜蘭德公式和維克斯在瓦斯普等人資料基礎(chǔ)上推導(dǎo)的淤積流速公式。盾構(gòu)隧道泥漿排放與杜蘭德公式適用范圍基本一致，計(jì)算公式如下[12]：

(3)

式中：VL為均勻顆粒臨界沉淀流速，m/s；FL為固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及粒徑的函數(shù)； g為重力加速度，m/s2；D為管道直徑，mm；γs為懸浮顆粒的密度，t/m3；γ為液體密度(泥水密度)，t/m3。

式(3)中的FL為固體顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及粒徑的函數(shù)，當(dāng)粒徑小于1 mm時(shí)，顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑對(duì)液體密度有影響； 當(dāng)粒徑大于1 mm時(shí)，其影響較弱； 當(dāng)粒徑大于2 mm時(shí)，不管系統(tǒng)性質(zhì)如何，F(xiàn)L為一個(gè)常數(shù)。因此該公式不適用于非均勻顆粒。

2.2.2 非均勻顆粒臨界沉淀流速計(jì)算方法

非均勻顆粒臨界沉淀流速計(jì)算公式最早是1979年西德的卡察斯基在研究水力輸送煤、礦砂時(shí)提出的，我國(guó)清華大學(xué)水利系泥沙研究室的王可欽、原武漢水利科技大學(xué)的張興榮等在進(jìn)行了相關(guān)的觀測(cè)、研究及推導(dǎo)后，也比較早地提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。

對(duì)于非均勻顆粒的泥水輸送可以參照非均勻顆粒的臨界沉淀流速計(jì)算，計(jì)算公式如下[12]：

(4)

2.2.3 費(fèi)祥俊模型試驗(yàn)公式

清華大學(xué)水力系費(fèi)祥俊教授通過(guò)多年的試驗(yàn)和研究，在原來(lái)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上給出了與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更為吻合的計(jì)算模型，稱為費(fèi)祥俊模型，計(jì)算公式如下：

(5)

由式(5)可以看出，費(fèi)祥俊模型考慮的因素比較全面，充分考慮了固體顆粒和管道阻力的影響。

3 獅子洋隧道盾構(gòu)施工泥漿送、排量分析

3.1 泥漿送、排量控制參數(shù)計(jì)算

3.1.1 體積控制參數(shù)

3.1.2 軟弱地層臨界沉淀流速計(jì)算

通過(guò)臨界沉淀流速和管道斷面面積計(jì)算的排漿流量大概為1 400 m3/h，基本符合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的泥水輸送速度，但有時(shí)實(shí)際流量在1 000 m3/h也可正常掘進(jìn)，即軟弱地層下盾構(gòu)掘進(jìn)需要的真正臨界沉淀流速更易選擇和控制。

3.1.3 軟硬不均地層臨界沉淀流速計(jì)算

在軟硬不均地層，因地層采用滾刀破巖，刀間距一般較大，當(dāng)?shù)貙恿严栋l(fā)育時(shí)，地層巖塊剝落，泥水管路輸送的塊石的粒徑較大。獅子洋隧道泥漿排放的最大粒徑取100 mm(排漿管前格柵的最小開口尺寸)，中值粒徑D50按10 mm計(jì)算，由于泥漿中顆粒粒徑差異性較大，泥水不能按均勻流體考慮，結(jié)合獅子洋隧道的泥水輸送系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算臨界沉淀流速

通過(guò)臨界沉淀流速和管道斷面面積計(jì)算的排漿流量達(dá)到3 500 m3/h，與實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)的泥水輸送速度出入較大，管內(nèi)將出現(xiàn)紊流，粒徑100 mm的渣塊就不會(huì)摩擦管路底部，即與實(shí)際施工情況不符。

3.1.4 費(fèi)祥俊模型試驗(yàn)公式驗(yàn)算

2.55 m/s。

通過(guò)臨界沉淀流速和管道斷面面積計(jì)算的排漿流量為1 080 m3/h，與實(shí)際軟弱地層中掘進(jìn)的流量基本相符。

通過(guò)臨界沉淀流速和管道斷面面積計(jì)算的排漿流量達(dá)到4 000 m3/h，與實(shí)際排漿流量相差更大，但與采用式(4)的計(jì)算結(jié)果出入不大，說(shuō)明要輸送大粒徑巖塊，需要更大的漿液流速和流量，才能避免管路的大量磨損。

3.2 泥漿輸送量控制方式分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知，采用不同的計(jì)算模型得到的最小流速不同。從管道輸送的規(guī)律看，輸送的非均勻顆粒中粗顆粒增多時(shí)，必須提高管道輸送速度，以避免顆粒大量沉淀、推移運(yùn)動(dòng)，影響管道輸送效率。盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一般按均勻流進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在獅子洋隧道建設(shè)過(guò)程中，由于無(wú)法滿足施工要求，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增加排漿能力、增大排漿流速。

在排漿量不低于1 139.1 m3的條件下，可以計(jì)算出臨界沉淀流速對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間約為50 min，在綜合考慮進(jìn)、排漿密度和一定的富余量后的盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間約為60 min。從盾構(gòu)在不同地層的掘進(jìn)速度看，在軟弱地層盾構(gòu)的掘進(jìn)時(shí)間基本在60 min左右，即一般情況下在軟弱地層盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的泥漿排漿量約為1 200 m3/h； 在某些特殊軟土地層條件下，盾構(gòu)可在泥漿排漿量為1 000 m3/h以下時(shí)正常掘進(jìn)。

在軟硬不均地層，隧道的掘進(jìn)時(shí)間一般在2～3 h，按上述開挖體積控制的流量計(jì)算，排漿管的泥漿流速顯然低于最小沉淀流速，巖塊在管路中做推移運(yùn)動(dòng)，實(shí)際巖塊的運(yùn)送速度更小于漿液流速，一方面造成了管路的大量磨損，另一方面大大延長(zhǎng)了每環(huán)的掘進(jìn)時(shí)間，而且也是造成滯排和堵艙的主要原因。

4 結(jié)論與建議

本文結(jié)合獅子洋隧道盾構(gòu)工程，對(duì)泥水平衡盾構(gòu)施工過(guò)程中泥漿送、排量的影響機(jī)制和計(jì)算方法進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)通過(guò)對(duì)比費(fèi)祥俊模型試驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果與臨界沉淀流速計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了臨界沉淀流速計(jì)算方法應(yīng)用于泥水盾構(gòu)施工泥漿送、排量計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性。

2)通過(guò)對(duì)管路流體臨界沉淀流速的理論計(jì)算，以及盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際情況的對(duì)比分析，對(duì)泥漿在不同地層掘進(jìn)的臨界流速進(jìn)行了相對(duì)全面的論證，一方面，為獅子洋隧道在軟硬不均地層掘進(jìn)時(shí)及時(shí)調(diào)整泥漿輸送量以及流速提供了有力的理論依據(jù)； 另一方面，也為復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)工程建設(shè)施工提供了一些參考和改進(jìn)建議。

3)提出了在復(fù)合地層泥水盾構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)加大泥漿輸送量的建議，以減少輸送顆粒在排漿管內(nèi)滑移、平動(dòng)，同時(shí)減少艙內(nèi)積碴和泥漿管的磨損。

下一步，建議在實(shí)際盾構(gòu)項(xiàng)目施工過(guò)程中，除了采取上述建議和措施外，對(duì)泥水盾構(gòu)配套的泥漿系統(tǒng)設(shè)備的選擇和改造進(jìn)行研究，如泥水系統(tǒng)泵送設(shè)備功率的選擇，泥水管路角度、弧度的設(shè)計(jì)與布置的改造等。

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