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基于海湾隧道典型地质的盾构环流系统优化改进

2021-04-22王又增徐金秋司马少坤苏志学

建筑机械化 2021年4期
关键词:采石泥浆泵旁通

王又增,徐金秋,司马少坤,苏志学,钟 宇

(1.中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450016;2.中铁隧道股份有限公司,河南 郑州 450001)

1 工程概况

海湾隧道是国内首条在8 度地震烈度区建设的海底隧道,隧道所处地质条件非常复杂,盾构隧道始发和到达段为淤泥层,埋深浅(始发段11m,到达段12.5m),海域段长距离穿越淤泥质软土、砂层,区间存在花岗岩球状风化分布区、凸起基岩段162m,侵入隧道最大高度6.4m[1~2]。

该工程主要穿越淤泥、中粗砂、粉细砂、淤泥混砂、微风化花岗岩,其中局部岩石强度达到210MPa。盾构施工段大部分地质偏软,基岩凸起段、抛石回填区是典型的上软下硬区间(图1)。采用气垫式复合泥水盾构施工,对环流系统出渣具有极大的挑战性。

2 针对性分析

海湾隧道地质软硬不均,对盾构环流系统应用存在极大的挑战性。

在始发地段存在较大抛石和基岩凸起,岩石硬度较大(图2),经破碎后进入主排浆管道,通过离心泵泵送至地面。为了防止渣石滞排至泥浆门,除了增加泥浆门底部及周围的冲刷外,还需要增大主排管格栅的尺寸,让渣石快速通过格栅进入主排浆管道;为了防止大块渣石堵塞泥浆泵,在泥浆泵前部增加采石箱(图3)。

在施工隧道段,大部分区域处于淤泥土、粉细砂层,地质偏软,具有一定的粘性,环流系统出渣为团状淤泥,容易堵塞格栅和采石箱格栅,滞排问题尤为严重。为了避免这种现象的发生,在泥浆泵前设计有分流器(图4),通过离心泵将团状淤泥质土及混砂泵送至分离站。

图1 海湾隧道地质剖面图

图2 海湾隧道孤石

图3 采石箱设计

图4 筒式分流器设计

3 应用现状

海湾隧道超大直径盾构为适应复杂地质条件,环流系统设计有旁通模式、掘进模式、逆洗模式、小循环模式、前仓直排模式等等,但在施工过程中由于地质复杂,地勘存在一定偏差,导致施工掘进困难。

在西线掘进过程中,加固区底部存在基岩凸起,花岗岩强度较大,在推进过程中,石块含量较多,环流系统出现多次卡泵现象。在施工过程中,未采用采石箱装置,主要因为在应用采石箱过程中不但要过滤较大的石块,较小的石块也会一并过滤,采石箱容积有限,采石箱很快就堆积满渣石,影响渣浆流动性,造成渣浆滞排、泥浆泵吸空,不得不频繁开箱清渣,影响掘进效率。

在实际应用中采用筒式分流器,无论多大石块都可以通过泥浆泵将其泵送至地面,相对采石箱来说,不用过滤石块,没有开箱清石的时间,停机时间相对较短。但在实际应用中,没有过滤较大石块,后隔板格栅开口尺寸较大,较大石块在多种力的作用下容易通过格栅抵达泥浆泵,容易造成卡泵现象。

在施工现场,泥浆泵卡堵的原因是多方面的。如图5 所示,卡堵泥浆泵的原因有:①石块尺寸过大;②多个不同尺寸石块堆积在泵内;③由于铁皮等杂物太多容易造成泵卡堵,引起环流系统瘫痪。

图5 卡堵泵现象

4 改进措施

针对上述问题展开系列改进以提高施工效率。

4.1 格栅改进

后隔板格栅设计对环流系统影响较大,格栅尺寸太小通流面积太小,影响出渣,虽然较大石块基本全部破碎,但是对黏土地层,黏土容易粘附在格栅表面,造成通流面积减少,容易导致气垫仓底部滞排,影响掘进。格栅太大,通流面积较大,通流效果好,较大渣石可以顺利通过格栅进入主排浆管,减轻破碎机的负载,延长破碎机的使用寿命。

为了平衡各方因素,在加固区停机常压进仓改进格栅(图6)。为了保持较大通流面积又可以对渣石进行限径,通过讨论计算选择其中一个方案。

4.2 延续筒式分流器

为了防止较大石块卡泵堵管泵,设置采石箱有一定的效果,但是频繁开箱采石,还是影响施工效率。通过目前的施工来看,最好的采石工具不是采石箱,环流系统最好的采石装置就是泥浆泵。本工程中继续沿用筒式分流器。

图6 格栅优化

4.3 改进主泵进浆管

改进了格栅的设计,但是在施工过程中,渣石间歇性集中出现也会造成卡泵。尺寸较小渣石集中出现,各个石块及泥浆管(图7)存在相对作用力,容易将泥浆泵叶轮的涡舌堵塞,造成卡堵泵,导致泥浆泵运转时转动惯量不平衡,影响泥浆泵盘根的寿命和泥浆泵轴承的寿命。

图7 泵进口泥浆管

对这种情况提出的改进方法是:提前在泥浆泵前将泥浆管路缩颈(图8),让集中出现的渣石离散化,让渣石单独通过离心泵,提高了渣石通过离心泵的效率,极大降低泥浆泵卡堵的概率。

图8 优化后泵进口泥浆管

5 环流系统操作工法的优化

针对基岩孤石和黏土复杂地层也制定了特殊的操作工法。

5.1 孤石基岩凸起地层操作工法

孤石基岩凸起地层除了控制贯入度,控制刀盘转速,将渣石充分破碎后,还要注意环流的操作工法。

1)启动环流系统旁通模式,将颚式破碎机达到碎石状态,将气垫仓底部渣石再次破碎,并搅动底部浆液,防止底部有较大渣石或者渣浆沉积板结。

2)由旁通模式切换至逆洗模式,将颚式破碎机由碎石状态切换为搅拌状态,疏通气垫仓底部,防止流道堵塞。

3)由旁通状态切换至空推掘进模式,将颚式破碎机保持搅拌状态,空转洗仓,提前将多余的渣石排至分离站,确保各支路进浆正常。

4)由空推掘进模式切换为掘进模式,将颚式破碎机切换为碎石状态,根据分离站渣石量和破碎机高压次数,确定破碎机开合频率。①在掘进工程中,可以连续性碎石,间歇性洗仓逆洗,防止石块群集中出现卡堵泥浆泵;②注意控制主排浆流量,对于海湾隧道可以控制在2 500m3/h,流量大,石块流速突变也会造成卡泵;③应该加强对主排浆泵连锁的管控,防止意外主排浆泵停止,流速突变,导致石块群卡堵泥浆泵。

5)由掘进模式切换至空推掘进模式,将颚式破碎机保持碎石状态,空转洗仓,提前将多余的渣石排至分离站,防止停机后渣石沉积,影响下次恢复掘进。

6)由空推掘进模式切换至旁通模式,再有旁通模式切换至逆洗模式,将颚式破碎机保持搅拌状态,疏通主排浆管,防止石块沉积管道内。

7)由逆洗模式切换至旁通模式,将颚式破碎机保持搅拌状态,然后停机。

全过程操作,防止石块卡堵泥浆泵和管道,提高施工效率。

5.2 淤泥质黏土地层操作工法

淤泥质黏土相对孤石基岩凸起地层,除了控制刀盘贯入度和转速外,也要注意环流系统的操作工法。

1)启动环流系统旁通模式,将颚式破碎机达到搅拌状态,将气垫仓底部沉积的粘土及混砂再次搅动,增加浆液的流动性,防止渣浆沉积板结。

2)由旁通模式切换至逆洗模式,保持颚式破碎机搅拌状态,疏通气垫仓底部,防止流道堵塞。

3)由旁通状态切换至空推掘进模式,保持颚式破碎机搅拌状态,空转洗仓,确保各支路进浆正常。

4)由空推掘进模式切换为掘进模式,保持颚式破碎机搅拌状态,根据分离站分离情况,确定破碎机搅拌频率。另外,在掘进过程中,可以连续性搅拌,间歇性洗仓逆洗,同时加大对泥水仓的进浆量,防止粘土聚集结饼。

5)由掘进模式切换至空推掘进模式,颚式破碎机保持为搅拌状态,空转洗仓,降低仓内泥浆比重,防止停机后渣浆沉积,影响下次恢复掘进。

6)由空推掘进模式切换至旁通模式,再有旁通模式切换至逆洗模式,将颚式破碎机保持搅拌状态,疏通主排浆管,防止渣浆沉积管道内。

7)由逆洗模式切换至旁通模式,将颚式破碎机保持搅拌状态,然后停机。

全过程操作,防止渣浆沉积管道和结泥饼,提高施工效率。

6 结语

通过结构改进和环流系统操作工法的优化,提高了环流系统应对复杂地层了能力。在后期掘进中,没有出现卡泵滞排等现象,降低了非施工时间的占有率,提高了环流系统的携渣能力,同等地质降低了推力,间接地保护了刀盘,利于刀盘刀具延寿。

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