复合地层泥水、土压双模盾构环流系统的关键参数选择探析

赵夫强

广东华隧建设集团股份有限公司广东广州510800

摘要：由于复合地层中，地质条件比较复杂，影响泥水盾构环流系统关键参数选择的因素较多，本文将结合实际工程案例，利用泥浆临界沉淀流速的计算方法来计算工程施工过程中所需的泥浆排量和送量，并采用费祥俊公式进行验证。通过对计算的结果进行分析，研究复合地层中不同地层对于泥浆送、排量的影响。

关键词：双模盾构；复合地层；环流系统；泥浆送、排量

在盾构机掘进的过程中，受复合地层不同地层特性的影响，泥水盾构在穿过不同地层时，泥水输送的参数控制极为不便，严重影响的盾构机的掘进。目前国内对于复合地层泥水盾构环流系统关键参数选择的研究方面，大部分都未考虑到不同地层的特性对于泥浆环流造成的影响，都将泥浆作为均匀的颗粒流体来考虑，但是在实际施工过程中，泥浆并非是均匀的颗粒流体，这就导致在盾构机掘进的过程中很容易出现积渣和滞排的现象，造成刀具刀盘的二次磨损。在不同地层中进行盾构掘进时，其关键部分在于控制泥浆的送、排量，临界沉淀流速是关键性的指标，如果实际施工过程中的流速超过临界流速，就会造成资源浪费，增加施工成本；若实际流速小于临界流速，会盾构机刀盘和泥浆管路造成影响，影响施工的顺利进行。

1.盾构概述

在进行盾构施工时，需要根据施工区域所处地层的特性来选择盾构机的类型，同时按照实际的施工需求选择盾构掘进机。在施工时首先需要在隧道工程段的一端挖掘一个竖井或者基坑，这主要是为了安装盾构机。盾构机在运行时从竖井或者基坑墙壁的开孔位置开始，在地层当中沿着预先设计的线路，向隧道另一端进行掘进。在掘进的过程中，盾构机会受到极大的阻力，一般主要通过千斤顶将阻力传递至盾构机后面已经拼装完成的隧道衬砌上，在传递至竖井或者基坑墙壁上，层层削弱阻力的作用。目前广泛采用的盾构机在其尾部空间内一般可以拼装1~2环预制隧道衬砌，当盾构机掘进一段距离后就需要在盾尾的支护下进行衬砌环的拼装，并需要及时向坑道周边和衬砌环外部的空隙之间注浆，有效防止地面下沉，在盾构机掘进的过程中会不断的从开挖面排出泥浆。

2.工程概况

2.1工程基本情况。某市的轨道交通2号线第一期工程共计有18个区间，因施工区域的情况，其中14个区间需要采用盾构法进行施工。第一期工程总长度为22.8km，需要采用盾构法进行施工的区间长度为16.2km，工程计划施工周期为30个月。通过对施工区域的勘察，施工区域地层的分布情况分别是人工填土、粉砂、粉质粘土、粗砂、卵石、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩、中风化碳质灰岩和微风化花岗岩，部分地段属于上软下硬地层，并伴有未探明溶、土洞。工程设计盾构掘进的埋深在6m~20m之间，由于地质条件的复杂性，施工难度相对较大，对于部分地段上软下硬的复杂地质需要采用切换土压模式掘进，以控制频繁切换环流正、逆送造成地面较大沉降及泥浆流失。

2.2盾构设备选择。本工程中根据工程的复杂地质及小部分上软下硬地层实际情况，设计采用泥水、土压平衡双模盾构机，主要采用泥水土压平衡模式，附以土压平衡模式掘进。盾构开挖的廓径为10.968m，刀盘的开口率为31%，进到切削舱的石块粒径不能超过0.5m。在掘进过程中粒径超过0.5m的石块需要由道具或者刀盘进行再次切割或者压碎后送入泥浆舱。在盾构机掘进的过程中，进浆流量为1400m3/h，排浆量为1182m3/h，送泥浆管道的直径为406.4mm，内径为385mm，排泥浆管道的直径为380mm，内径为375mm，进浆的密度为1.08t/m3，排浆的密度为1.22t/m3。

3.盾构施工泥浆排、送量的分析

3.1体积参数控制

在盾构施工过程中，由于掘进的速度基本为匀速，开挖的体积基本没有大的变化，因此盾构机泥水舱的进浆密度和排浆密度基本确定，所谓单位时间之内泥浆送、排量的计算公式为：和，Q1表示单位时间内进浆量，单位为m3；V表示开挖量，单位为m3；Q2表示单位时间内的排浆量，单位为m3；C1表示进浆密度，单位为t/m3；G表示开挖土体质量，单位为t；C2表示排浆密度，单位为t/m3。

3.2临界沉淀流速的控制

在复合地层中进行盾构施工时，掘进过程中会出现相对较大的块体，泥浆管内的泥浆颗粒较大，送排浆与两相流管道的水利输送基本相当[1]。在实际施工过程中，管道内的流速若低于临界沉淀流速，管道的底部就会出现淤积的现象，影响正常输送。管道内部临界沉淀流速可以利用临界不淤流速仪和电磁流量计来进行测定，若固体颗粒于管道的底部出现固定床面时，此时管道内部的流速即为临界沉淀流速。在实际施工过程中，影响临界沉淀流速的因素较多，主要有浑水泥沙中的沙含量、管道直径、泥沙的密度、泥沙粒径等。当管道直径、泥沙的密度等因素一定时，临界沉淀流速随着含沙量的提升而增大；当含沙量、泥沙的密度保持恒定时，临界沉淀流速随泥沙粒径的减小而降低，随泥沙粒径的增大而增大[2]。

3.2.2颗粒粒径均匀的临界沉淀流速计算

临界沉淀流速的计算方法按照其流动的状态有多种计算方法，目前关于颗粒粒径均匀的临界沉淀计算方法较多。其中最具代表性的是杜兰德公式，此公式的适用范围与本工程相对比较契合，具体公式为。在此公式中表示临界沉淀流速，单位为m/s；表示固体颗粒的质量分数以及粒径函数；g表示重力加速度，单位为m/s2；D表示管道直径，单位为mm，表示悬浮颗粒密度，单位为t/m3；r表示泥水的密度，单位为t/m3。表示固体颗粒的质量分数以及粒径函数，当固体颗粒粒径在1mm以下时，其影响相对较弱；当粒径在2mm以上时，无论系统的性质如何，始终是一个常数，因此，该公式无法运用在颗粒粒径不均匀临界沉淀流速的计算。

3.2.2颗粒粒径不均匀的临界沉淀流速计算

目前，在颗粒粒径不均匀的临界沉淀流速计算当中，普遍采用的计算公式为：，在此公式中表示颗粒粒径不均匀的临界沉淀流速，单位为m/s；F表示和颗粒成分以及颗粒的组成的相关系数，在本工程计算中取9.6；C1表示浆液体积分数，，表示进浆的液体密度；d表示泥水中最大颗粒的粒径，单位为mm。在本工程中，由于泥浆当中颗粒的粒径差异较大，因此在计算是不能采用均匀颗粒流体的计算方法，需要采用颗粒粒径不均匀的临界沉淀流速计算方法。

3.2.3费祥俊模型验证公式

我国清华大学的费祥俊教授经过长期的实验与研究，在前人研究的基础上进一步完善了计算模型，完善后的计算方法与施工现场的具体情况更为契合，被称之为费祥俊模型[3]。具体计算公式为：，在此公式中表示费祥俊模型下临界沉淀流速，单位为m/s；表示管道沿程的阻力系数，其影响的因素较多，一般情况主要用此公式进行计算：，Re表示钢管输送中不淤流速的雷诺数，一般取值在2000~4000之间；D90表示样品累计粒度的分布数在90%时的对应粒径，单位为mm。

结语

在本工程中首先利用临界沉淀流速的计算方法，得到了本工程中的临界沉淀流速，经过费俊祥模型的验证，证实了计算的准确性。这一方面为本次工程施工中盾构机在不同地层中进行掘进时提供了泥浆送、排量以及流速调整的重要依据，有效促进了本工程施工的顺利进行；一方面也为复合底层中泥水盾构施工提供一定的参考。在复合底层中进行泥水盾构施工时，应加大泥浆的输送量，从而控制泥浆颗粒在管道内部的滑移和平东，并且可以有效降低盾构机舱内的积渣以及管道的磨损。

参考文献

[1]圆砾泥岩复合地层泥水盾构下穿房屋沉降控制技术研究[J].岩土工程学报,2017,39(9):1591-1599.

[2]陈家康,刘陕南,肖晓春,等.复合地层中超大直径泥水盾构施工开挖面泥水压力确定方法研究[J].隧道建设,2018,38(4):619-626.

[3]李到洪,陈俐光,于艺林,etal.复合地层江底隧道盾构选型技术[J].施工技术,2018,47(S1):640-643.