穿江泥水盾构环流系统及泥浆携渣计算研究

2021-09-17郭小龙耿大新廖煜祺蒋亚龙

铁道建筑技术 2021年8期

郭小龙耿大新廖煜祺蒋亚龙陈强

（1.中铁隧道集团二处有限公司江西南昌 330209；2.华东交通大学江西南昌 330209）

1 引言

在城市地铁隧道规划中，泥水平衡盾构有施工影响较小、对地质条件适应性强、安全快速等优点，故而成为修建过江隧道优先考虑的施工机械。

泥浆环流系统是泥水盾构工作的重要组成部分，目前对泥水盾构环流系统及携渣能力的研究不多。王小军等［1］以广州地铁三号线沥大区间为工程背景，论述环流系统原理和管理方法；陈健等［2］通过多个隧道工程实际，总结了超大直径泥水盾构隧道在全断面黏土地层高效环流及出渣技术；戴洪伟［3］针对在全断面膨胀性黏土地层盾构掘进，提出环流系统的改造建议并研究了高效环流及出渣技术；魏向明［4］根据扬州瘦西湖工程地质特性，对冲刷、环流系统进行改进，并对盾构穿越泥水地层进行计算；汪海、孔玉清等［5－6］根据质量守恒原理，计算研究了环流系统的筛分效果对泥浆密度的影响。

本文依托南昌地铁4号线安丰站－东新站区间隧道为工程背景，以物质守恒原理为基础，对盾构掘进环流系统进行综合计算与分析，同时运用杜兰德公式和费祥俊公式分别对三种典型地层的管道不淤流速进行理论分析，以确定排泥管道携渣能力。

2 工程概况

南昌地铁4号线安丰站－东新站区间为穿江盾构隧道，全长3.73 km，隧道全长采用泥水盾构法施工，长距离穿越赣江，掘进地层复杂，自西岸起下穿淤泥质黏土、粉质黏土、砂砾及强风化、中风化泥质粉砂岩，过江段为中风化泥质粉砂岩，东岸下穿中砂、粗砂、砂砾、中风化泥质粉砂岩。其中过赣江单线掘进3 054 m，超过地铁1号线泥水盾构掘进长度1 889 m和地铁2号线泥水盾构掘进长度2 357 m，为目前南昌地铁盾构机独头掘进最长距离，对盾构掘进技术有着更高的要求。

3 环流系统计算与分析

隧道盾构开挖外径为6.3 m，管片环宽度为1.5 m，掘进横截面面积为31.2 m2。盾构掘进过程中进浆流量为858 m3／h，排浆流量为970 m3／h。在同一地层掘进时，盾构掘进速度变化幅度不大，开挖体积基本一致。泥浆环流系统以物质守恒原理为基础，根据盾构掘进一环所产生的物质量来计算分析，由此可得：

式中：w为掘进一环的土体掘削量，m3；w1为掘进一环的进浆量，m3；w2为掘进一环的排浆量，m3；w3为筛分出的渣土量，m3；w4为筛分后泥浆量，m3；ρ为土体密度，g／cm3；ρ1为进浆密度，g／cm3；ρ2为排浆密度，g／cm3；ρ3为渣土密度，g／cm3；ρ4为筛后泥浆密度，g／cm3。

由于盾构掘进地层复杂，本文选取三种典型地层进行环流系统计算分析，分别为砂砾层、中风化泥质粉砂岩地层、上软下硬地层。

3.1 砂砾层泥浆循环系统计算

在砂砾地层中，粒径0.25～20 mm的颗粒占整个地层的80%左右，而小于0.075 mm颗粒仅占整个地层的2%，渗透系数为2.47×10－1cm／s，该地层粘粒颗粒含量很少，基本为大颗粒，泥水较易分离。该地层盾构掘进平均速度为32 mm／min，向前掘进一环的时间大约为47 min，进浆量约为672 m3，进浆泥浆比重为1.14 g／cm3，出浆泥浆比重为 1.13 g／cm3，筛后泥浆比重为1.09 g／cm3，经泥水分离后排出的渣土体积为45.7 m3。

泥浆筛分分离过程满足物质守恒原理，出浆量＝筛分渣土量＋筛后泥浆量，联立上述式（3）、式（4）则有：

解得筛分后泥浆量w4＝674 m3，掘进一环的排浆量 w2＝720.8 m3，单位时间排浆量为：720.8／0.78 ＝924 m3／h，则设计排浆量满足工程实际要求。由式（1）又可知，理论排浆量为：672＋45.7＝717.7 m3，则实际排浆量与理论排浆量基本一致。由此可知，当盾构掘进至砂砾层，在排浆过程中泥浆有较好的携渣能力，且泥浆分离系统能够有效地将泥水混合物中的大粒径颗粒分离出来。然而砂砾层含有的大粒径颗粒较多，排浆过程中易在输送管道内出现沉淀，需要实时监测掘进每一环所筛分出的渣土量，避免排浆管内出现砂沉淀堵管现象。

3.2 泥质粉砂岩地层泥浆循环系统计算

当盾构掘进至过江段，地层为全断面中风化泥质粉砂岩，岩体较完整，属软岩，岩体基本等级为Ⅳ级，岩层强度一般在10～20 MPa。泥质粉砂岩地层黏性土颗粒含量大，自造浆能力较强，泥浆比重增长较快，且刀盘容易出现结泥饼现象。在该地层盾构掘进平均速度控制为30 mm／min，向前掘进一环的时间大约为50 min，进浆量约为715 m3，进浆泥浆比重为1.07 g／cm3，出浆泥浆比重为 1.23 g／cm3，筛后泥浆比重为1.18 g／cm3，经泥水分离后排出的渣土体积为43.9 m3，则：

解得筛分后泥浆量w4＝711 m3，掘进一环的排浆量 w2＝754.9 m3，单位时间排浆量为：754.9／0.83 ＝910 m3／h，则设计排浆量满足工程实际要求。由式（1）又可知理论排浆量为：715＋45.7＝760.7 m3，则实际排浆量与理论排浆量基本一致。

综上，当盾构掘进至泥质粉砂岩层，排浆过程较顺畅，经过泥水分离系统泥浆比重得到有效降低，而筛后泥浆比重仍偏大，需在沉淀池中进行调整处理，才可重新使用。相较于其他泥水筛分系统中的二级筛分只能筛除0.045 mm以上的颗粒，本套泥水筛分系统中的二级筛分能筛除0.02 mm以上的颗粒，同时采用旋流筛分＋离心机的处理方式，提高泥水快速分离的综合能力，一定程度上解决了泥浆比重增长过快问题，为长距离穿越赣江提供了技术支撑。

3.3 复合地层泥浆循环系统计算

当盾构掘进至复合地层，即上软下硬地层（上部为砂砾层，下部为中风化泥质粉砂岩），由于复合地层岩性上下不一，软硬不均，掘进参数不易控制，稍有不慎，极易出现塌方冒顶、浆液漏失等现象［7］。在该地层盾构掘进平均速度为27 mm／min，向前掘进一环的时间大约为56 min，进浆量约为800.8 m3，进浆泥浆比重为1.08 g／cm3，出浆泥浆比重为1.14 g／cm3，筛后泥浆比重为1.1 g／cm3，经泥水分离后排出的渣土体积为43.1 m3，则：

解得筛分后泥浆量w4＝797.4 m3，掘进一环的排浆量w2＝840.5 m3，单位时间排浆量为：840.5／0.93＝904 m3／h，则设计排浆量满足工程实际要求。由式（1）可知理论排浆量为：800.8＋45.7＝846.5 m3，则实际排浆量小于理论排浆量。上软下硬地层断面上、下强度不均，盾构开挖过程很可能会产生较大块体，泥浆管内输送颗粒相对较大［10］，导致泥浆的携渣能力降低。

4 排泥管道携渣能力计算与分析

盾构掘进过程中，为了避免运送过程中渣土在排浆管道内产生沉淀淤积或过度冲刷，应将管内设计流速控制在合理范围之内，即在最小流速（不淤流速）和最大设计流速之间［8－10］。其中，管道输送最重要的是不淤流速，根据临界沉淀流速计算方法得到。而对于上限流速，通常金属管道的最大设计流速为10 m／s，非金属管道的最大设计流速为5 m／s［11－12］。

目前针对临界沉淀流速计算方法还没有统一的计算公式。其中Durand（杜兰德）通过开展管道水力输送试验，基于大量试验结果数据，提出了临界流速的计算公式，由于环流系统泥浆排送基本符合杜兰德公式适用条件，因而被广泛使用。而费祥俊教授在杜兰德公式的基础上，考虑浆体颗粒组成及流变特性对不淤流速的影响，进一步推导出临界流速的计算公式。

4.1 Durand 计算公式

杜兰德（Durand）计算公式：

式中：UL为不淤流速，m／s；FL为淤积开始时的福氏修正系数；g为重力加速度，m／s2；D为管道直径，m；ρs为土颗粒固体密度，t／m3；ρ为浆液密度，t／m3。

由于泥质粉砂岩渣土颗粒粒径较小，可按均匀颗粒进行计算，基本符合杜兰德公式适用条件，则：

通过现场实际排浆流量可得实际泥水输送速度为3.6 m／s，大于不淤流速，说明实际泥水输送速度满足最小设计流速，泥质粉砂岩中掘进开挖的渣土能够有效地排出。

砂砾层中，同理可得不淤流速UL＝2.58 m／s，根据现场实际排浆流量可得泥水输送速度为3.63 m／s，大于不淤流速，也满足最小设计流速。

复合地层中，不淤流速UL＝3.2 m／s，根据现场实际排浆流量可得泥水输送速度为3.56 m／s，两者相差不大。但根据现场实际情况，在排浆过程中发现管道内有渣土沉积，与理论计算不符。

4.2 费祥俊计算公式

费祥俊教授通过引入阻力系数f推导出了新的计算公式：

式中：f为阻力系数；g为重力加速度，m／s2；D为管道直径，m；ρs为土颗粒固体密度，t／m3；ρ为浆液密度，t／m3；d90为累计颗粒度分布数达到90%时所对应的粒径，m；Sv为浆液固体颗粒体积分数。

在中风化泥质粉砂岩层，d90按20 mm计算，Sv为0.05，则有：

可见，其计算结果与杜兰德公式计算结果相近，实际泥水输送速度满足要求。

在砂砾层，d90按10 mm计算，Sv为0.05，则有：

计算结果比杜兰德公式计算结果要大，与实际泥水输送速度相近。

在上软下硬地层中，d90可按20 mm计算，Sv为0.07，则有：

计算结果比杜兰德公式计算结果与实际泥水输送速度要大，说明实际泥水输送速度不满足最小设计流速，应合理加大排浆流速，以避免出现渣土沉积。

综上所述，针对临界沉淀流速的计算，在中风化泥质粉砂岩层中，杜兰德公式和费俊祥公式计算结果基本一致；在砂砾层与复合地层中，费祥俊公式计算结果要大于杜兰德公式结果，但更符合工程实际要求。这表明：杜兰德公式适用于富含粉粘颗粒的泥浆，即在盾构掘进至淤泥层、粉质黏土层及泥质粉砂岩层，可采用杜兰德公式确定浆液临界沉淀流速；费俊祥公式适用范围较广，尤其是在上软下硬地层和粗砂砾层，计算得到的浆液临界沉淀流速准确性和安全性更高。