郭小龍 耿大新 廖煜祺 蔣亞龍 陳 強(qiáng)

（1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司 江西南昌 330209；2.華東交通大學(xué) 江西南昌 330209）

1 引言

在城市地鐵隧道規(guī)劃中，泥水平衡盾構(gòu)有施工影響較小、對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、安全快速等優(yōu)點(diǎn)，故而成為修建過江隧道優(yōu)先考慮的施工機(jī)械。

泥漿環(huán)流系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)工作的重要組成部分，目前對泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)及攜渣能力的研究不多。王小軍等［1］以廣州地鐵三號線瀝大區(qū)間為工程背景，論述環(huán)流系統(tǒng)原理和管理方法；陳健等［2］通過多個(gè)隧道工程實(shí)際，總結(jié)了超大直徑泥水盾構(gòu)隧道在全斷面黏土地層高效環(huán)流及出渣技術(shù)；戴洪偉［3］針對在全斷面膨脹性黏土地層盾構(gòu)掘進(jìn)，提出環(huán)流系統(tǒng)的改造建議并研究了高效環(huán)流及出渣技術(shù)；魏向明［4］根據(jù)揚(yáng)州瘦西湖工程地質(zhì)特性，對沖刷、環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并對盾構(gòu)穿越泥水地層進(jìn)行計(jì)算；汪海、孔玉清等［5－6］根據(jù)質(zhì)量守恒原理，計(jì)算研究了環(huán)流系統(tǒng)的篩分效果對泥漿密度的影響。

本文依托南昌地鐵4號線安豐站－東新站區(qū)間隧道為工程背景，以物質(zhì)守恒原理為基礎(chǔ)，對盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行綜合計(jì)算與分析，同時(shí)運(yùn)用杜蘭德公式和費(fèi)祥俊公式分別對三種典型地層的管道不淤流速進(jìn)行理論分析，以確定排泥管道攜渣能力。

2 工程概況

南昌地鐵4號線安豐站－東新站區(qū)間為穿江盾構(gòu)隧道，全長3.73 km，隧道全長采用泥水盾構(gòu)法施工，長距離穿越贛江，掘進(jìn)地層復(fù)雜，自西岸起下穿淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫及強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，過江段為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，東岸下穿中砂、粗砂、砂礫、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。其中過贛江單線掘進(jìn)3 054 m，超過地鐵1號線泥水盾構(gòu)掘進(jìn)長度1 889 m和地鐵2號線泥水盾構(gòu)掘進(jìn)長度2 357 m，為目前南昌地鐵盾構(gòu)機(jī)獨(dú)頭掘進(jìn)最長距離，對盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)有著更高的要求。

3 環(huán)流系統(tǒng)計(jì)算與分析

隧道盾構(gòu)開挖外徑為6.3 m，管片環(huán)寬度為1.5 m，掘進(jìn)橫截面面積為31.2 m2。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中進(jìn)漿流量為858 m3／h，排漿流量為970 m3／h。在同一地層掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)速度變化幅度不大，開挖體積基本一致。泥漿環(huán)流系統(tǒng)以物質(zhì)守恒原理為基礎(chǔ)，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)一環(huán)所產(chǎn)生的物質(zhì)量來計(jì)算分析，由此可得：

式中：w為掘進(jìn)一環(huán)的土體掘削量，m3；w1為掘進(jìn)一環(huán)的進(jìn)漿量，m3；w2為掘進(jìn)一環(huán)的排漿量，m3；w3為篩分出的渣土量，m3；w4為篩分后泥漿量，m3；ρ為土體密度，g／cm3；ρ1為進(jìn)漿密度，g／cm3；ρ2為排漿密度，g／cm3；ρ3為渣土密度，g／cm3；ρ4為篩后泥漿密度，g／cm3。

由于盾構(gòu)掘進(jìn)地層復(fù)雜，本文選取三種典型地層進(jìn)行環(huán)流系統(tǒng)計(jì)算分析，分別為砂礫層、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層、上軟下硬地層。

3.1 砂礫層泥漿循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算

在砂礫地層中，粒徑0.25～20 mm的顆粒占整個(gè)地層的80%左右，而小于0.075 mm顆粒僅占整個(gè)地層的2%，滲透系數(shù)為2.47×10－1cm／s，該地層粘粒顆粒含量很少，基本為大顆粒，泥水較易分離。該地層盾構(gòu)掘進(jìn)平均速度為32 mm／min，向前掘進(jìn)一環(huán)的時(shí)間大約為47 min，進(jìn)漿量約為672 m3，進(jìn)漿泥漿比重為1.14 g／cm3，出漿泥漿比重為 1.13 g／cm3，篩后泥漿比重為1.09 g／cm3，經(jīng)泥水分離后排出的渣土體積為45.7 m3。

泥漿篩分分離過程滿足物質(zhì)守恒原理，出漿量＝篩分渣土量＋篩后泥漿量，聯(lián)立上述式（3）、式（4）則有：

解得篩分后泥漿量w4＝674 m3，掘進(jìn)一環(huán)的排漿量 w2＝720.8 m3，單位時(shí)間排漿量為：720.8／0.78 ＝924 m3／h，則設(shè)計(jì)排漿量滿足工程實(shí)際要求。由式（1）又可知，理論排漿量為：672＋45.7＝717.7 m3，則實(shí)際排漿量與理論排漿量基本一致。由此可知，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至砂礫層，在排漿過程中泥漿有較好的攜渣能力，且泥漿分離系統(tǒng)能夠有效地將泥水混合物中的大粒徑顆粒分離出來。然而砂礫層含有的大粒徑顆粒較多，排漿過程中易在輸送管道內(nèi)出現(xiàn)沉淀，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測掘進(jìn)每一環(huán)所篩分出的渣土量，避免排漿管內(nèi)出現(xiàn)砂沉淀堵管現(xiàn)象。

3.2 泥質(zhì)粉砂巖地層泥漿循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至過江段，地層為全斷面中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體較完整，屬軟巖，巖體基本等級為Ⅳ級，巖層強(qiáng)度一般在10～20 MPa。泥質(zhì)粉砂巖地層黏性土顆粒含量大，自造漿能力較強(qiáng)，泥漿比重增長較快，且刀盤容易出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象。在該地層盾構(gòu)掘進(jìn)平均速度控制為30 mm／min，向前掘進(jìn)一環(huán)的時(shí)間大約為50 min，進(jìn)漿量約為715 m3，進(jìn)漿泥漿比重為1.07 g／cm3，出漿泥漿比重為 1.23 g／cm3，篩后泥漿比重為1.18 g／cm3，經(jīng)泥水分離后排出的渣土體積為43.9 m3，則：

解得篩分后泥漿量w4＝711 m3，掘進(jìn)一環(huán)的排漿量 w2＝754.9 m3，單位時(shí)間排漿量為：754.9／0.83 ＝910 m3／h，則設(shè)計(jì)排漿量滿足工程實(shí)際要求。由式（1）又可知理論排漿量為：715＋45.7＝760.7 m3，則實(shí)際排漿量與理論排漿量基本一致。

綜上，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至泥質(zhì)粉砂巖層，排漿過程較順暢，經(jīng)過泥水分離系統(tǒng)泥漿比重得到有效降低，而篩后泥漿比重仍偏大，需在沉淀池中進(jìn)行調(diào)整處理，才可重新使用。相較于其他泥水篩分系統(tǒng)中的二級篩分只能篩除0.045 mm以上的顆粒，本套泥水篩分系統(tǒng)中的二級篩分能篩除0.02 mm以上的顆粒，同時(shí)采用旋流篩分＋離心機(jī)的處理方式，提高泥水快速分離的綜合能力，一定程度上解決了泥漿比重增長過快問題，為長距離穿越贛江提供了技術(shù)支撐。

3.3 復(fù)合地層泥漿循環(huán)系統(tǒng)計(jì)算

當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至復(fù)合地層，即上軟下硬地層（上部為砂礫層，下部為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖），由于復(fù)合地層巖性上下不一，軟硬不均，掘進(jìn)參數(shù)不易控制，稍有不慎，極易出現(xiàn)塌方冒頂、漿液漏失等現(xiàn)象［7］。在該地層盾構(gòu)掘進(jìn)平均速度為27 mm／min，向前掘進(jìn)一環(huán)的時(shí)間大約為56 min，進(jìn)漿量約為800.8 m3，進(jìn)漿泥漿比重為1.08 g／cm3，出漿泥漿比重為1.14 g／cm3，篩后泥漿比重為1.1 g／cm3，經(jīng)泥水分離后排出的渣土體積為43.1 m3，則：

解得篩分后泥漿量w4＝797.4 m3，掘進(jìn)一環(huán)的排漿量w2＝840.5 m3，單位時(shí)間排漿量為：840.5／0.93＝904 m3／h，則設(shè)計(jì)排漿量滿足工程實(shí)際要求。由式（1）可知理論排漿量為：800.8＋45.7＝846.5 m3，則實(shí)際排漿量小于理論排漿量。上軟下硬地層斷面上、下強(qiáng)度不均，盾構(gòu)開挖過程很可能會(huì)產(chǎn)生較大塊體，泥漿管內(nèi)輸送顆粒相對較大［10］，導(dǎo)致泥漿的攜渣能力降低。

4 排泥管道攜渣能力計(jì)算與分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，為了避免運(yùn)送過程中渣土在排漿管道內(nèi)產(chǎn)生沉淀淤積或過度沖刷，應(yīng)將管內(nèi)設(shè)計(jì)流速控制在合理范圍之內(nèi)，即在最小流速（不淤流速）和最大設(shè)計(jì)流速之間［8－10］。其中，管道輸送最重要的是不淤流速，根據(jù)臨界沉淀流速計(jì)算方法得到。而對于上限流速，通常金屬管道的最大設(shè)計(jì)流速為10 m／s，非金屬管道的最大設(shè)計(jì)流速為5 m／s［11－12］。

目前針對臨界沉淀流速計(jì)算方法還沒有統(tǒng)一的計(jì)算公式。其中Durand（杜蘭德）通過開展管道水力輸送試驗(yàn)，基于大量試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，提出了臨界流速的計(jì)算公式，由于環(huán)流系統(tǒng)泥漿排送基本符合杜蘭德公式適用條件，因而被廣泛使用。而費(fèi)祥俊教授在杜蘭德公式的基礎(chǔ)上，考慮漿體顆粒組成及流變特性對不淤流速的影響，進(jìn)一步推導(dǎo)出臨界流速的計(jì)算公式。

4.1 Durand 計(jì)算公式

杜蘭德（Durand）計(jì)算公式：

式中：UL為不淤流速，m／s；FL為淤積開始時(shí)的福氏修正系數(shù)；g為重力加速度，m／s2；D為管道直徑，m；ρs為土顆粒固體密度，t／m3；ρ為漿液密度，t／m3。

由于泥質(zhì)粉砂巖渣土顆粒粒徑較小，可按均勻顆粒進(jìn)行計(jì)算，基本符合杜蘭德公式適用條件，則：

通過現(xiàn)場實(shí)際排漿流量可得實(shí)際泥水輸送速度為3.6 m／s，大于不淤流速，說明實(shí)際泥水輸送速度滿足最小設(shè)計(jì)流速，泥質(zhì)粉砂巖中掘進(jìn)開挖的渣土能夠有效地排出。

砂礫層中，同理可得不淤流速UL＝2.58 m／s，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際排漿流量可得泥水輸送速度為3.63 m／s，大于不淤流速，也滿足最小設(shè)計(jì)流速。

復(fù)合地層中，不淤流速UL＝3.2 m／s，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際排漿流量可得泥水輸送速度為3.56 m／s，兩者相差不大。但根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在排漿過程中發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)有渣土沉積，與理論計(jì)算不符。

4.2 費(fèi)祥俊計(jì)算公式

費(fèi)祥俊教授通過引入阻力系數(shù)f推導(dǎo)出了新的計(jì)算公式：

式中：f為阻力系數(shù)；g為重力加速度，m／s2；D為管道直徑，m；ρs為土顆粒固體密度，t／m3；ρ為漿液密度，t／m3；d90為累計(jì)顆粒度分布數(shù)達(dá)到90%時(shí)所對應(yīng)的粒徑，m；Sv為漿液固體顆粒體積分?jǐn)?shù)。

在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，d90按20 mm計(jì)算，Sv為0.05，則有：

可見，其計(jì)算結(jié)果與杜蘭德公式計(jì)算結(jié)果相近，實(shí)際泥水輸送速度滿足要求。

在砂礫層，d90按10 mm計(jì)算，Sv為0.05，則有：

計(jì)算結(jié)果比杜蘭德公式計(jì)算結(jié)果要大，與實(shí)際泥水輸送速度相近。

在上軟下硬地層中，d90可按20 mm計(jì)算，Sv為0.07，則有：

計(jì)算結(jié)果比杜蘭德公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際泥水輸送速度要大，說明實(shí)際泥水輸送速度不滿足最小設(shè)計(jì)流速，應(yīng)合理加大排漿流速，以避免出現(xiàn)渣土沉積。

綜上所述，針對臨界沉淀流速的計(jì)算，在中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層中，杜蘭德公式和費(fèi)俊祥公式計(jì)算結(jié)果基本一致；在砂礫層與復(fù)合地層中，費(fèi)祥俊公式計(jì)算結(jié)果要大于杜蘭德公式結(jié)果，但更符合工程實(shí)際要求。這表明：杜蘭德公式適用于富含粉粘顆粒的泥漿，即在盾構(gòu)掘進(jìn)至淤泥層、粉質(zhì)黏土層及泥質(zhì)粉砂巖層，可采用杜蘭德公式確定漿液臨界沉淀流速；費(fèi)俊祥公式適用范圍較廣，尤其是在上軟下硬地層和粗砂礫層，計(jì)算得到的漿液臨界沉淀流速準(zhǔn)確性和安全性更高。

5 結(jié)束語

（1）通過對安豐站－東新站區(qū)間穿江盾構(gòu)隧道三種典型地層的泥漿環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算與分析，結(jié)果表明，相比于單一地層，在上軟下硬地層盾構(gòu)掘進(jìn)過程，泥漿的攜渣能力較弱，排漿管道更易發(fā)生渣土沉淀。

（2）泥水分離系統(tǒng)中篩分設(shè)備的優(yōu)化，增加了粉粘性顆粒篩除量，在一定程度上可以解決泥水盾構(gòu)在泥質(zhì)粉砂巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)中泥漿比重增長過快問題。

（3）運(yùn)用杜蘭德公式和費(fèi)祥俊公式分別對三種典型地層的管道不淤流速進(jìn)行理論計(jì)算，并與盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際情況對比分析，進(jìn)一步論證了在復(fù)合地層掘進(jìn)施工時(shí)，應(yīng)合理加大排漿流速，提高泥漿攜渣能力。

（4）在管道不淤流速的設(shè)計(jì)計(jì)算中，杜蘭德公式適用于富含粉粘顆粒的泥漿；費(fèi)祥俊公式適用范圍較廣，尤其是適用于含有大粒徑顆粒的泥漿。