泵吸反循环钻机泥浆输送系统优化设计

王永强 周贤军 樊万文

中铁科工集团装备工程有限公司 湖北 武汉 430223

冲击钻机广泛应用于地下连续墙、灌注桩等深基坑成孔施工。在较硬的地层，为了及时排出钻渣，通常选择泵吸反循环泥浆输送方式。因为反循环的管道横截面积比孔壁之间的环空面积要小得多，泥浆流动的速度可以达到2～3 m/s，是正循环时速度的40倍，从而提高排渣的能力。反循环钻机钻进能力更强，深度可以超过60m，且能更好地清洁底部的岩屑，大大提高了施工效率。

冲击反循环钻机的泥浆输送系统通常采用直管形式，即采用标准节长的直管通过卡箍连接起来。这些直管需要随钻进深度增加而不断加长，同时完钻之后，需要逐节拆除，费事费力，降低施工效率。当卡箍密封损坏后，容易出现漏浆，导致施工环境恶化，不利于文明施工。因此，需要对泥浆输送系统进行优化设计，避免漏浆，提高功效[1]。

本文依托厦门市地铁石美站地连墙项目施工进行介绍和探讨。

1 泵吸反循环的工作原理

泵吸反循环是靠离心泵叶轮旋转产生动能，抽吸管内的泥浆，使管内产生负压，而管外依然保持大气压力。在大气压力作用下，处在管道与孔壁之间的钻渣混合形成泥浆的混合液，混合液经钻头水口被吸入管道内腔，经吸引管～砂石泵～出渣管排入地面泥浆循环系统。钻渣经泥浆池沉淀后，泥浆再补充回流到孔内，形成泵吸式反循环钻进 (见图1)。泵吸反循环具有排渣效果好、钻进效率高、清孔速度快、孔底沉渣少等优点[2]。

图1 泵吸反循环工作示意图

在泵吸反循环钻进工作过程，根据伯努利方程，可以得出离心泵吸入端的扬程Ha、流速V与钻进深度H1之间的定量关系：

式中：Ha--离心泵最大吸程，mH2O；

h—离心泵安装高度，m；

H1—井的实际深度，m；

g—重力加速度，9.8m/s2；

V—泥浆流速，m/s；

hx—局部及沿程损失水头，mH2O。

2 弯曲管道的流动特性分析

为了便于分析，将泥浆简化为一种固液两相流，在不同形态的管道内流动时，表现出不同的流动特性。在弯曲管道内流动的泥浆具有分层和滞留现象，会导致管道阻塞。因此有必要构建理论模型进行分析，确定流动的边界条件，以便判断弯曲管道的适用性[3]。

2.1 固体颗粒在流体中的受力分析

在弯曲管道内，如果管径和曲率不发生突变，可以对液相（介质）以缓弯曲的形式考虑，因此简化为连续流体；对固相（沙石颗粒）视为离散物体，这样比较符合排渣的随机性特点。排渣的过程相当于离散的物体在连续的液相（介质）中所受到的各种力综合作用的动力学响应。

根据力学基本原理，建立固体颗粒在弯曲管道流体中的动力学模型（见图2）。

图2 颗粒在弯曲管道中的动力学模型

假设固相颗粒截面积为A，密度为ρ2，固液两相流体在半径R1和R2所围成的环形管道内流动，其中任一点（r,θ）的固相颗粒在环形管道中运动时，会产生离心力

此时，需要液相在该点处有一个压强梯度所产生的反力N来平衡固体颗粒的离心力F，其中

ρ1为液体的密度。

通常固体颗粒密度ρ2>ρ1 ,存在F>N，因此，固体颗粒在弯曲管道内不稳定。在重力和浮力的叠加作用下，在A点，固体颗粒向管道内侧方向流动；在C点和D点，固体颗粒向管道外侧方向流动；在B点，固体颗粒加速向管道外侧方向流动，流动的径向加速度，使颗粒和弯曲管道外侧壁发生碰撞。在一般情况下，流速越快，弯道曲率越大，碰撞越激烈。因此颗粒在转弯处B会有分层和滞留现象，需要确定该点流动的边界条件。

2.2 固体颗粒在弯曲管道中流动的边界条件

根据水力学原理，固体颗粒静止在流体中，它受到流体对其产生向前的拖曳力FD和向上的升力FL，其大小如下：

式中: Cd为阻力系数，CL为升力系数，ρ1为流体密度，V为流体速度，A为固体颗粒截面积。通常CL/Cd=0.25。

同时固体颗粒还受到重力与浮力的合力W的作用（见图3）。

图3 固体颗粒在流体中的受力图

结合图2中的动力学模型，在B点处的相邻区域，可以看作是水平的流体。直径为d的固体颗粒由静止进入运动的条件必须满足水力学条件：

式中: a0为固体颗粒间的内摩擦角。对于无粘性固体颗粒，其内摩擦角a0小于45°。

上述（4）式为固体颗粒在缓弯曲管道中流动的边界条件。固体颗粒满足这一条件，则可以在管道中流动。否则，固体颗粒将会堵塞管道。

3 优化设计参数的选择

3.1 主要工程参数

以厦门地铁石美站地连墙施工项目为例，泵吸反循环冲击钻机泥浆输送系统的主要工程参数如表1所示。

表1 主要工程参数

3.2 计算钻进深度H1

钻进深度H1是泥浆输送系统的主要参数之一，对式（1）进行变形，得到如下（5）式：

其中：Ha=9.5mH2O，h=0(泵安装在地面)；

管道截面积A=πD2/4=0.0176m2；

管道流速V=Q/A=2.83m/s ；

雷诺数Re=VD/υ=2.7*105；

ϵ/d=0.3/150=0.002，查手册得λ=0.025；

hx=λLV2/(2Dg)=4.1mH2O。

从（5）式可以看出，钻孔深度H1与泥浆的比重成反比。改变比重，即可改变钻孔深度。

（1）按照每小时排渣3m3，则泥浆比重

ρ2=(180+3×2.7)/180=1.045，钻进深度H=5.4/(1.045-1)=120m。

（2）如果按照每小时排渣6m3，则钻进深度H1=60m。

尽管还有一些局部损失没有考虑，或者排渣实际并不均匀，而且颗粒大小也不相同，总体上6BS泵的真空吸程和管径150mm可以满足钻孔深度≤60m的要求。

3.3 计算弯曲管道流动的边界条件

如图2所示的模型中，圆环中心半径

r=(R1+R2)/2=1.5m,

ω2×r =V2/r=2.832/1.5=5.4m/s2<重力加速度g，因此固体颗粒在弯曲管道内运动时，始终有下落的径向速度V r。在B 点，径向加速度最大，其值为Vr=5.4+9.8×(1.7/2.7)=11.6m/s2。

有效重力W=πd3(ρ2-ρ1 )g/6，

水力拖曳力FD=(πd2/4) ×Cd×(u2/2)×ρ1,其中阻力系数Cd取0.44。

升力FL=(πd2/4) ×CL×(u2/2)×ρ1，

其中升力系数CL取0.25Cd=0.11。

u为颗粒与液体相对速度，取u=2m/s。

ρ2/ρ1=2.7，将各分量带入式（4）,并整理得

现对(6)式进行边界条件计算：

（1）当5.55×d-0.11≤0时，d≤0.02m；

（2）当a0≤45°（颗粒堆积内摩擦角或休止角）时，d≤0.1m。

3.4 边界条件讨论

（1）上述（6）式计算的边界条件表明，对粒径d≤0.02m的球形颗粒，只要流体速度u≥2m/s，可以在缓弯曲管道内流动。对粒径较大的颗粒，能否在弯曲管道内流动，与颗粒之间的内摩擦角或者休止角大小有关。

（2）当内摩擦角或休止角a0取最大值45°时，固体颗粒直径d=0.1m>钻渣实际粒径0.05m。这表明钻渣粒径在0.05m以内时，弯曲管道内不会发生阻塞。

（3）实际的颗粒会有多种状态，比如长形、三角形等，会发生楔入现象，比上述模型计算的边界条件阈值小。但本文所探讨的固体颗粒主要为沙石，相互之间没有粘性和亲水性，而且泥浆具有润滑作用，其最大内摩擦角不会超过45°，发生堵塞的风险比较小。因此，弯曲管道的泥浆输送系统能满足工程实际需要。

4 效果验证

在厦门地铁石美站地连墙施工项目中，采用YCJF -25型全液压冲击钻机，并配置优化设计的盘管式泵吸反循环泥浆输送系统（见图4）。相比直管式泥浆输送系统（见图5），有以下优点：（1）不用停止钻机工作，可以连续放管；（2）减少管道节段间的连接卡箍，避免泥浆泄露；（3）实现排渣与钻进进尺保持同步。钻机功效提高12%，同时提升现场绿色文明施工水平。

图5 直管式泥浆输送系统

5 结论与建议

(1)对泵吸反循环施工设备及工艺进行优化并应用在地连墙项目中，取得了良好的施工效果，验证了盘管式泥浆输送系统的适用性。

(2)实践证明，固液两相流的水力学理论在分析缓弯曲管道的流动特性具有较高的近似度，为设计复杂的泥浆输送系统提供了理论参考。