提高泥水盾构进排浆管软连接使用寿命的研究

张 华

(中铁隧道集团二处有限公司，北京 100000)

·机械与设备·

提高泥水盾构进排浆管软连接使用寿命的研究

张 华

(中铁隧道集团二处有限公司，北京 100000)

对大直径泥水盾构泥水系统在施工方面存在的问题进行了仔细分析，结合软连接爆管漏浆的主要原因，总结了泥水盾构进排浆管软连接使用和改造的技术措施，以提高盾构施工效率。

泥水盾构，软连接，使用寿命

1 工程概况

连接北京站到北京西站的直径线是一条双线地下铁路联络线，全长9.15 km，其中隧道长约7.3 km，最大埋深39 m，是国内第一条在城市繁华区域内采用大直径泥水盾构法施工的工程，连续掘进的距离长达5.175 km，工程批复总投资31亿元。盾构区间采用钢筋混凝土管片衬砌，外径11.6 m，内径10.5 m，环宽1.8 m，管片采用六块标准块，两块邻接块，K块组成。盾构穿越的地层95.21%为砂卵石地层，盾构区间地质勘探表明地层细沙粒含量极少，0.074 mm以下的约占2.4%，10 mm以上的含量大于60%，最大砂卵石粒径达到280 mm左右，且不排除有大直径孤石的可能。盾构区间覆土厚度为11 m～29 m。含水层主要为砂卵石层、圆砾层及砂层，最大渗透系数为1.74×10-3m/s，最大水土压力为0.3 MPa，砂卵石地层对盾构刀具磨损严重，施工难度大。

2 泥水盾构

泥水盾构也称泥水加压平衡盾构(Slurry Pressure Balance Shield)，简称SPB盾构。泥水盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，装备刀盘及输送泥浆的送排泥浆管路和推进盾构的推进油缸的大型机械设备。在地面上还配有泥水处理设备。北京地下铁路直径线就是采用的大直径泥水平衡盾构机，其基本工作原理就是通过调节气垫仓空气压力使开挖仓泥浆得到相应压力在开挖面形成泥膜，支撑开挖面土体，由前面的刀盘旋转切削土体表面，渣土与泥浆混合后形成高密度泥浆由排浆泵通过泥水循环系统排到出渣场地进行泥水分离，同时推力油缸将盾构机向前推进。泥水循环系统是盾构施工重要组成部分，在盾构掘进，刀盘冲洗，置换泥浆，常压维修气垫仓破碎机等盾构重大施工工序中有着重要的作用。

3 泥浆循环系统及软连接

泥水循环系统包括：掘进模式，旁通模式，反循环模式，竖井旁通模式。主要由进浆管，进浆泵站，软连接(见图1，图2)，延伸小车，板阀，球阀，排浆管，排浆泵站，地面泥水处理等组成。

泥水循环系统的好坏对盾构施工进度至关重要，软连接直接关系到泥水循环系统能否正常使用。

4 突出问题

泥水盾构泥水循环管路上软管软连接数量较多，软连接质量的好坏直接关系到设备安全和施工进度。开挖的卵石与泥浆混合后经排浆管路排出隧道过程中，管路上软连接磨损严重，造成软连接破损漏浆或爆管，影响施工进度，隧道内文明施工难度大。

5 施工要求

1)安全要求。降低或避免软连接爆裂事件的发生可以有效的降低此事件存在的安全隐患。2)施工进度要求。软连接爆裂会造成盾构非工序性停工，降低或避免此事件的发生可以提高生产进度。3)文明施工要求。软连接爆裂后洞内底部会流满泥浆，对轨道的养护和文明施工造成极大的难度。

6 目标确认

提高软连接的抗压和耐磨性，杜绝软连接爆裂事件才能满足施工过程安全、进度、文明施工要求。

7 软连接爆管漏浆的主要原因

1)盾构司机操作失误。 盾构司机的操作技术在整个盾构施工中都起着至关重要的作用，如盾构司机在操作中错误地关闭或打开泥浆管路上的阀门，将会引起管路上软连接爆裂。2)安装过程不达标。安装软连接时，选用的软连接必须与管路上预留的尺寸一致，否则尺寸过小将增加安装难度，尺寸过大，软连接橡胶受到拉伸，影响软连接使用效果。3)泵站和泥浆管路的抖动。泵站安装未达到要求，将会引起泵站震动剧烈，增加软连接的减震负荷。泵站叶轮堵塞也会引起泵站和泥浆管路的抖动增大，减少软连接使用寿命。质检员应加强对泵站的震动检测。4)软连接生产工艺的耐磨性。5)软连接的抗压性。6)泥浆的比重、粘度。泥浆比重大有利于减小渣土对管路的磨损，但会增加泥水处理筛分的难度。7)地质情况变化和泥浆流量。砂石层掘进管路磨损比泥土层管路严重，应根据不同地质情况选用合理的软连接或对管路进行耐磨处理。通过控制各进排浆泵的功率可以提高进排浆管泥浆流量，加大出渣量，但管路中间的压力也会升高，管路磨损加快，存在管路爆裂漏浆的风险。

8 制定对策

1)统计分析掘进参数。

确定掘进参数与软连接耐磨性能相关性。分析泥浆密度与软连接磨损速度相关性；分析噪声、地层条件、泥浆密度相关性。管路磨损统计图见图3。泥浆密度增加时，泵进出口压力增大，软连接磨损加快。卵石含量过多时，泥浆比重过低不利于携渣，施工中应根据卵石含量将泥浆比重控制在1.1 kg/cm3～1.25 kg/cm3。

2)软连接及倒流桶选型。

确定软连接及倒流桶类型，分析不同材料能，优选软连接，分析不同材料，优选倒流桶(见图4)。管路出现故障时，压力最高可以达到16 bar。普通软连接不满足要求，容易引起爆管。钢丝软连接抗压性好，能够满足管路对压力的要求。耐磨倒流桶更换频率较低，根据统计磨损量在停机时进行更换。

3)耐磨焊条选型，加工硬连接。

确定耐磨焊条类型，确定硬连接尺寸。分析不同材料，优选耐磨焊条。确定硬连接尺寸材料。普通软连接见图5。部分位置软连接用硬连接代替，硬连接做耐磨处理(见图6)。

根据管路内流体流速、流量及流体力学知识，由下式求得：

其中，di为管道内径，mm；qv为液体流量，m3/h；u为管内液体平均速度，m/s。根据《机械结构设计规范》选用内层管路内径为350mm。

硬连接管路壁厚设计：管路所受液体围压及流体力学知识，根据薄壁圆筒公式确定管路壁厚：

根据内层管路耐磨性能要求，为有效减小整体管路自重选用9 mm厚耐磨钢材制作内层耐磨管路。硬连接安装位置设计：夹层以及设备梁软管需要很大的伸缩性，不能安装硬连接。考虑泵站的减震要求，只在泵站出口安装硬连接。

4)记录软连接使用情况。

确定软连接翻面或更换的里程，记录软连接使用距离和时间(见表1)。

5)软连接修复。

a.统计软连接使用起始里程、时间。b.根据软连接使用情况统计表，停机情况对软连接进行检查。c.根据检查的具体情况，对软连接进行翻面或更换。d.修复更换的软连接钢圈，补焊耐磨焊。做好软连接钢圈使用距离的统计，及时对钢圈进行修复和更换，可以减少软连接的损失。

表1 泥浆管软连接磨损漏浆事件调查统计表

9 效果检验

1)未发生软连接爆管损坏设备的情况，未更换硬连接。2)倒流桶未加焊耐磨焊的软连接平均使用寿命在380 M左右。3)倒流桶加焊耐磨焊的软连接平均使用寿命在600 M左右。4)未出现爆管影响施工的情况。

10 结语

1)加强软连接质量监管。选择耐磨性能良好，易于修复和更换的软连接。选择优质易于堆焊的耐磨焊条提前对软连接倒流桶进行堆焊，提高软连接使用寿命。2)施工中加强对软连接使用状态的记录和检查工作，抓好工序衔接，及时对磨损的软连接倒流桶进行翻面或修复处理。加强软连接质量监管。加强过程检查，确保现场操作规范。加强安保措施，确保设备和人员的安全。确保施工进度。

[1] Φ11.97m膨润土—气垫式泥水平衡盾构机技术操作规程[S].

[2] 张凤祥，傅德明，杨国祥，等.盾构隧道施工手册[M].北京：人民交通出版社，2009.

Research on improvement of service life of slurry shield into discharging pipe soft connection

ZHANG Hua

(SecondDepartmentLimitedCompany,ChinaRailwayTunnelGroup,Beijing100000,China)

This paper researched the existed problems of large diameter slurry shield slurry system in construction aspect, combining with the main causes of soft connection pipe burst slurry leakage, summarized the use and transformation technical measures of cement slurry discharging pipe soft connection, in order to improve the construction efficiency of shield.

slurry shield, soft connection, service life

1009-6825(2014)07-0243-03

2013-12-24

张 华(1986- )，男，助理工程师

U455.43

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