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非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 中文摘要 中文摘要 随着我国经济的快速发展和人1 3 数量的迅速增长，城市化进程不断地加快， 原有市政管线的设计容量和运行能力已不能很好的满足发展要求，市政管线需要 不断地进行新建、改建和修复。如果采用传统的“明挖法施工一，通常会造成交 通堵塞、绿地和园林毁坏，有时还因为河道、水网、铁道、机场及建筑物的存在， 不允许或者不能施工。因此，不破坏原有路面和建筑物的“非开挖市政道路管线 施工一是近年来市政道路管线施工的一种新方法。 本课题针对目前国内外非开挖市政道路管线钻孔施工过程中泥屑湿法输送 存在的问题，通过研究提出了一种用于非开挖市政道路管线钻孔施工中泥屑气力 输送新方法。论文主要研究的内容如下： 第一章绪论。主要介绍本课题的来源及研究意义、国内外研究现状，以及 本课题主要研究的内容及其关键技术。 第二章气力输送理论基础。本章首先通过对气力输送原理的学习和研究， 分析归纳了气力输送方法与特点，在此基础上推演了颗粒的运动阻力和运动方 程，为后续的研究奠定了理论基础。 第三章钻孔泥屑气力输送技术的研究。本章针对非开挖市政道路管线施工 钻孔过程中产生泥屑的实际情况，研究提出了钻孔泥屑采用“栓流气力输送”系 统方案，并对系统方案相关问题进行了较为深入的探讨，构建了钻孔泥屑栓流气 力输送系统动力学模型。 第四章气力输送系统关键零部件的设计。本章对钻孔泥屑栓流气力输送系 统的关键零部件：压送罐( 即贮泥斗) 、拉伐尔管以及控制系统进行了研究设计。 第五章实验研究。为了验证研究内容，本课题研究设计了一套“钻孔泥屑 栓流气力输送 实验装置。通过实验分别对工艺系统相关参数：主、辅输送压力、 料气比、料栓速度等进行了实验研究，通过实验，优化了数学模型，使模型更加 贴近实际。 第六章结论。本章主要对本课题研究的内容进行回顾和总结，肯定了工作 成绩，指出了存在的问题，并对其理论研究和应用进行了展望。 本课题的主要创新点： 中文摘要非开挖市政道路旄工钻孔泥屑气力输送方法的研究 1 本课题的研究为解决国内外非开挖市政道路管线施工钻孔过程中泥屑输 送提供了一种“气力输送新方法 ，并研究构建了其输送过程动力学模型。 2 通过“钻孔泥屑栓流气力输送新方法”的实验研究，初步证明了该方法 的先进性和可行性，为该方法的实际应用奠定了理论与实验基础。 关键词：道路管线施工钻孔；钻孔泥屑气力输送新方法；理论与实验研究 h 作者：张健 指导老师：芮延年 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 a b s t r a c t a b s t r a c t w i mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fp o p u l a t i o n ， a n dw i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o ni no u rc o l r r y , t h ep l a n n i n go fc i t y c o n d u i tn e td o c s n ta l w a y sm e e tt h en e e do fu r b a n i z a t i o n e s p e c i a l l yt h i sp h e n o m e n o n a l w a y sh a p p e n so nt h eu n d e r g r o u n dc o n d u i t ss u c ha st h ew a t e rc o n d u i t s ，g a sc o n d u i t s a n de l e c t r i cw i r ec a b l ec o n d u i t sw h i c hg ot h r o u g ht h er o a d sa n db u i l d i n g st h a tp e r h a p s t h er o a di sf i n i s h e dw e l lj u s tn o w , b u ts o o nt h ef l a tr o a di sd u go u tt ol a ys o m en e w c o n d u i t sb e c a u s et h en e e do fc i t yp l a n n i n gc o n s t r u c t i o n t h e s ed e e d sn o to n l ym a k e s o m eb a di n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo fr o a d sa n db u i l d i n g s , b u ta l s oo nt h et r a 伍ca n d g r e e n b e l t s oh o wt od r i l lt h er o a d sw e l la n di nt h em e a n t i m en o td e s t r o yt h er o a d s a n db u i l d i n g si sah o tp r o b l e mt ow h i c hs h o u l db ep a i dm u c ha t t e n t i o nr e c e n t l y t h e p r o j e c tr a i s e s t h en e w t e c h n i c a lm e t h o d so fp n e u m a t i cc o n v e y i n gd r ys m e a r m u d o nt h eb a s i so fr e s e a r c ht ot h ec u r r e n tp r o b l e m sw h i c he x i s ti nt h ep r o c e s so f n o n - t r e n c h i n gp l a n n i n gc i t yr o a d sc o n s t r u c t e db yt h ew a yo fc o n v e y i n gd r ys m e a r m u d t h em a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w i n g ： t h ef i r s tc h a p t e ri sa no v e r v i e w , w h i c hi n t r o d u c e st h es o u r a n ds i g n i f i c a n c eo f t h ep r o j e c t , t h ec u r r e n tr e s e a r c h i n gs i t u a t i o no nt h ep r o j e c tb o t l la th o m ea n da b r o a d ， a n dt h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i s t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho nt h ep n e u m a t i cc o n v e y i n gd r y s m e 熘t rm u ds y s t e m f i r s t l y , t h ec h a p t e rt e l l st h ei n t e g r a lp l a no ft h es y s t e m ，t h e n s t u d i e so nt h et h e o r yo fp n e u m a t i cc o n v e y i n ga n dr a i s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f p n e u m a t i cc o n v e y i n gd r ys m e a rm u db yt w ot u b e s t h em a i ni n j e c t i o nt u b ea n d s u p p o r t i n gi n j e c t i o nt u b ec h i pt h em u d i n t op i e c e sw h i c hi st r a n s p o r t e di nd r ym e t h o d b yt h es y s t e mm a d eu po fm u dp l u ga n dg a sp l u g t h em e t h o ds o l v e st h ed i f f i c u l t p r o b l e mw e l lt h a ti sh o wt os e p a r a t em u d f r o mw a t e rw e l l t h et h e s i sg i v e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo nt h eb a s i so fd e e pr e s e a r c ho n p n e u m a t i cc o n v e y i n gd 巧s m e a rm u d i ti sr e a l i z e dt h a tt h em e t h o dc o u l dg e tb e t t e r r e l i a b i l i t yi ft h es m e a rm u d i sl o o s e ，w h i c hi su s e f u lt op n e u m a t i cc o n v e y i n g i nt e r m s o f t h a t , t h ep r o j e c tg i v e s t h ea s y m m e t r ya n dc h a n g e a b l es c r e w - p i t c ha i g u i l l e a b s t r a c t非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ho nt h ed r i l l e ra n dd r i l l i n gm e c h a n i s m f i r s t l y , t h ec h a p t e rf i g u r e so u tt h es t r u c t u r eo f t h ed r i l l e ro nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ht o t h ec l a ym e c h a n i c sa n ds w e a rm u dd r i l l 吨m e c h a n i s m ，t h e ng i v e st h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ed r i l l e ra n dt h ed y n a m i cm o d e lo ft h ed d l l 啦r o a d sp r o c e s s t h ef o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fp n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m t h i s c h a p t e rd o e sar e s e a r c ha n dd e s i g no nt h ec o n t r o ls y s t e ma n dk e yp a r t so ft h es y s t e m s u c ha sp r e s sc o n v e y i n gt o n , l a f at u b e ，o n e - d i r e c t i o nb l o w i n gt u b e ，w h i c ha f f o r d st h e b a s i st ot h ee x p e r i m e n ta n dt h ep r a c t i c e t h ef i f t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ee x p e r i m e n tr e s e a r c h t op r o v et h ep l a no ft h e p r o j e c t , t h et h e s i sd e s i g n sa ne q u i p m e n t f i r s t l y , t h et h e s i sd o e ss o m ee x p e r i m e n t r e s e a r c ho nt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r s ，d r i l l i n gv e l o c i t y , f e e dl e v e lo ft h ed r i l l e r , a n d o p t i m i z e ss o m ec e r t a i np a r a m e t e r s s e c o n d l bt h et h e s i s d o e ss o m ee x p e r i m e n t r e s e a r c ho nt h ep n e u m a t i cc o n v e y i n gs y s t e m ，w h i c hm a i n l yd i s c u s s e ss o m e p a r a m e t e r sr e l a t e dt om a i ni n j e c t i o na n ds u p p o r t i n gi n j e c t i o nb yt h ee x p e r i m e n tt o m a k et h em o d e lm a t c ht h er e a l i t yb e t t e r t h es i x t hc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o n , w h i c hr e v i e w st h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i s a n dm a k e sac o n c l u s i o na b o u ti t b e s i d e st h a t , i tp o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n d d e p i c t st h eb i g g e rp i c t u r ea b o u tt h et h e o r yr e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o n t h em a i ni n n o v a t i v ep o i n t sa r ef o l l o w i n g ： ( 1 i tr a i s e s t h ea s y m m e t r ya n dc h a n g e a b l es c r e w - p i t c ha i g u i l l e ”i nt e r m so f t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t a n di ta l s og i v e st h ed ) n a m l cm o d e lo ft h ew o r k i n g p r o c e s st h r o u g ht h er e s e a r c ho f t h ed r i l l i n gp r o c e s s ( 2 ) t h et h e s i sd o e ss o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so ns o m ek e yt e c h n o l o g i e s w h i c hp r e l i m i n a r i l yp r o v et h a tt h em e t h o di sa d v a n c e da n df e a s i b l ea n dm a k ea n a c a d e m i ca n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：n o n - t r e n c h i n gd r i l l i n go fc i t yp l a n n i n gr o a d sc o n s t r u c t i o n ，n e wm e t h o d o fp n e u m a t i cc o n v e y i n gd r ys m e a rm u d ，t h ea c a d e m i ca n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i v w r i t t e n b y ：z h a n gj i a n s u p e r v i s e db y ：r u iy a n n i a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：乜幽蕉君期：竺! 兰：! 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：幽期： 导师签名：一 抛毽t s 。lf 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 地下管线是城市乃至更广泛区域基础设施的重要组成部分，它如同人体内的 “神经”、“血管 和“肠道”，日夜担负着传达信息、输送能量和流通物质的工 作，已逐渐成为人们赖以生存和发展的命脉，通常被人们喻为城市的“生命线。 地下管线的铺线状况，从某种意义上讲，标志着一个城市的经济发展状况和现代 化水平。 传统的地下管线施工方法被称为“明挖施工法 。“明挖施工法 就是在地表 面先挖一个沟( 槽) ，然后将管线放入沟( 槽 中，最后进行回填土方。这种方 法常被人们戏称为“开膛破肚的施工方法刀，其主要缺点是对地面交通影响极大， 使本来已经十分拥挤的城市交通雪上加霜，同时也给市民的工作和生活带来诸多 的不便。另外，“明挖施工法一使道路的质量变差、寿命变短、破坏环境：而且 地下管线被挖断的事故时有发生，经济损失较大。 随着全球经济的快速发展和人口数量的迅速增长，城市化进程不断地加快， 原有管线的设计容量和运行能力已不能很好的满足发展要求，管线需要不断地进 行新建、改建和修复。如果采用传统的“明挖施工法 ，不但会造成交通堵塞， 而且也会毁坏园林，有时还因为河道、水网、铁道、机场及建筑物的存在，根本 不能进行“明挖施工法”。 现代的非开挖旌工技术是指在不开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换 和铺设各种地下公用设施( 管道和电缆等) 的一种技术方法。与“明挖施工法 相比，非开挖施工技术具有不影响交通、不破坏环境、施工周期短、综合设施成 本低、社会效益显著等优点，可以广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流，以 及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等条件下进行供水、煤气、电力、 电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复。 1 2 国内外研究现状 非开挖施工技术虽然已有近百年的历史，但是其快速的发展是近十几年的 第一章绪论非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 事。近年来，非开挖施工技术在发达国家已经成为地下管线施工的主要方法之一。 据不完全统计，近年来在西方发达国家中，目前非开挖设备制造商和材料供应商 达4 0 0 多家，工程承包商达4 0 0 0 余家，各种非开挖施工方法达百余种。非开挖 管线工程施工量已占全部地下管线工程量的1 0 - 1 5 ，个别地区如柏林市已达到 4 0 左右。 非开挖管线施工技术的发展，大致可分为三个阶段： ( 1 ) 人工( 或用简单机械) 地下挖掘后再铺设管线阶段。这是非开挖技术发展 的初期，将地下挖掘与管线铺设分开进行，效率低、安全性差，只用于特殊场合 下的短距离管线工程； ( 2 ) 常规钻、掘机械挖掘、铺设阶段。这基本上是2 0 世纪7 0 年代以前的技 术，虽然在一定程度上将地下挖掘和铺管结合起来，但是无法控制管线铺设方向， 加之设备能力和施工技术水平的限制，效率仍然不太高，且难于适应城市道路管 线铺设。 ( 3 ) 采用专用设备和技术阶段。把地下挖掘和管线的铺设、更换等各项作业 有机地合成为一体，并能准确控制管线铺设方向，形成了现代的非开挖管线施工 技术。 现代的非开挖技术是7 0 年代末在西方发达国家兴起并逐渐走向成熟的地下 管线铺设、修复和更换的新技术，是地下管线施工的一项技术革命，它以独特的 技术优势和广阔的市场前景得到世界各国的极大重视。如美国克林顿政府在1 9 9 4 财政年度批准了为期七年、投资2 5 亿美元的“先进的钻探和掘进技术国家计 划 ，非开挖技术也被列入其内。 1 9 8 6 年国际非开挖技术协会( i s t t 一一i n t e r n a t i o n a ls o c i e t y f o r t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) 在英国伦敦的成立及其主办的国际非开挖会议促进了 非开挖施工技术的传播。小口径顶管法、定向钻进法和管道修复技术目前已在世 界各地被广泛用于铺设或修复污水管、自来水管、煤气管，以及动力电缆和通讯 电缆。 在国际非开挖技术协会的推动下，许多国家和地区相继成立了国家和地区性 协会( 约有2 0 多个，有的是几个国家联合组成一个协会) ，而且还发展了很多个 会员( 共2 0 0 0 多人，并且每年都在增加) 。国际非开挖技术协会每年还举办l 一2 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究第一章绪论 次国际性的技术交流会和设备展览会。同时，为培养该领域的专业人才，先后有 英国的曼彻斯特工业大学、美国路易斯安纳理工大学、德国波鸿大学等设立了非 开挖技术研究机构，从而使非开挖技术成为企业参与、政府支持、社会关注的一 个新的应用技术领域，使之在近2 0 年获得了飞速发展，已经成为发达国家中一 个新兴的产业( 机械制造业和工程承包业) 和技术。 我国非开挖施工技术和设备的开发和研制工作起步较晚，相应的科学研究与 试验尚处于初期阶段，与国外先进国家相比差距较大。但近2 0 年来我国的非开 挖事业的发展速度较快。非开挖施工技术的应用和发展进程，大致可以分为三个 阶段： 第一阶段( 1 9 5 3 年一1 9 8 5 年) 使用传统的非开挖技术阶段； 第二阶段( 1 9 8 5 年1 9 9 4 年) 引入国外现代非开挖技术与装备阶段； 第三阶段( 1 9 9 4 年一至今) 在弓 进的同时，自行研发非开挖装备与相应 技术阶段。 近年来，国内外具有代表性的非开挖施工技术及其泥屑输送方法如下： 1 导向钻进( g u i d e db o r i n g ) 铺管法 导向钻进铺管法是采用方向控制和以水射流破土为主的钻进技术，使用地表 放置的钻机，采用带斜面的钻头，通过对其回转状态的控制，按预先设计的轨迹 钻一个导孔，钻头的定位和导航通过采用手持式仪器测量钻头附近探头发出的电 磁信号来实现，然后在扩孔和回拉的同时铺入管线。 该方法适用于在松软地层中进行较小型的管线铺设。铺管直径通常在 3 5 0 m m 以内，铺管长度7 3 0 0 m ，铺管深度在1 5 m 以内。 由于钻孔的轨迹不是直线，不适合铺设直管。同时它采用水射流破土和输送 钻孔的泥屑，存在着环境污染和泥水分离的难题，因此，不适合在城市中采用此 方法铺设横穿马路及建筑物的管道。 2 水平定向钻进( h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n g ) 铺管法 该施工方法原理与导向钻进铺管法相似。与其不同之处是： ( 1 ) 采用螺杆马达和弯接头来进行定向钻进，通过弯接头的转与不转来完成 斜孔和直孔的钻孔工作； 一 -一 ( 2 ) 采用有缆式随钻测斜仪进行钻头的定位和导航； 第一章绪论非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 ( 3 ) 在进行大型穿越时，有时在导孔钻柱外加套洗钻柱，以此来减少导孔钻 进时的阻力和保证拉管施工安全。 该方法可以穿越中、大型河流或较大规模障碍铺设管线。最大铺管直径可达 1 2 m ，铺管长度可达1 5 0 0 m ，深度可达6 0 m 。牙轮钻头对地层的适应性强。但是， 钻孔的轨迹仍然不是直线，不能铺设直管。同时它采用高压水排泥，同样存在着 环境污染和泥水分离的难题，不适合在城市管线施工。 3 夯管( i m p a c tr a m m i n g ) 铺管法 该方法铺管是靠一个低频、大冲击功的气动锤( 夯管锤) 将欲铺设的管线 钢管在土层之外直接夯入地层。夯管锤夯击的是开口钢管，管柱前端接有管鞋， 铺管时有土芯进入钢管。土芯可通过压气或水以及螺旋钻掏土方法排除。铺设较 大钢管时，可在钢管外注入膨润土泥浆，以减轻土层与钢管间的摩擦。 该方法特点是简单易行、设备投资低、效率高，无后座力，无需巨大反力墙， 对地层的适应性较强，铺管直径很大，最大可达2 m ，但是它只能用于铺设钢管， 铺管长度也较短，在1 0 m - - - 9 0 m 之间变化。虽然有时也使用压力气辅助排泥，但 是只能用于将泥土向前推送一小段距离，主要靠螺旋钻掏土方法排除，这样排泥 效率低，而且相当的不方便。在大多数情况下通常采用水力排泥方法，因此，仍 然不适合城市市政建设道路施工排管。 4 水平螺旋钻( h o r i z o n t a la u g e rb o r i n g ) 铺管法 水平螺旋钻进法又称水平干钻法，它是一种使用得最早和最广泛的非开挖 铺管方法( 尤其在美国) ，并在使用过程中不断得到改进和发展。 施工时，先准备一个工作坑，然后将螺旋钻机水平安放在工作坑内。将欲 铺设的钢管套在螺旋钻杆之外，钻进时由螺旋钻杆向钻头传递钻压和扭矩，同时 钻机的顶进油缸将钢管向前顶进，套管内旋转的铰龙将钻头切削下来的土屑排到 工作坑。 该方法虽然铺管速度很快，工作效率高，但是钻进时需要相当大的顶进力， 同时顶进时距离越大，需要的顶进力越大，同时铰龙的长度是一定的，铺管距离 长了以后，管内的旋转铰龙排泥就会出现困难，因此它不适合长距离的铺管。而 且该方法所采用的设备也比较大，不适合城市的狭窄空间的管线施工。 5 微型隧道( m i c r o t u n n e l i n g 铺管法 4 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究第一章绪论 微型隧道铺管是一种遥控的、可导向的顶管施工。整个系统由钻掘系统、激 光导向系统顶管系统、泥浆润滑系统、出渣系统和操作控制系统6 部分组成。排 渣方式分为螺旋( 干式) 和冲洗循环( 湿式) 两种，但是螺旋干式输送方式仍然 只适用于短距离的泥屑输送。 该方法适用于地层范围广，在软至硬岩中皆可使用，并可在水下施工，可用 于铺设混凝土、铸铁、强化树脂、钢、p v c 等各种材质的管道。铺管直径较大， 一般为2 5 0m 3 0 0 衄，铺管长度一般为9 0 m - 2 0 0 m ，有时长达5 0 0 m 或是更多。 但是由于该系统较复杂，设备和施工的成本都比较高。 综上所述，可以看出虽然近年来国内外的非开挖管线施工技术与设备发展的 比较快，功能自动化程度也越来越高。但是大多数非开挖管线施工设备占地面积 都较大，通常约需长1 0 - 1 5 m 宽3 - 5 m 的施工场所，这类设备很难在城市道路和 人行道的旁边找到相应的施工场地。而且设备价格昂贵，购买设备的资金投入较 大。特别是采用高压水法进行排泥，存在着严重的环境污染问题和泥水分离的难 题。因此，研究开发适合城市的市政道路非开挖管线施工要求的( 孔径约4 0 0 h e n ) ， 越过障碍铺管距离达1 5 0 m ，可在人行道和花坛上开挖工作坑的非开挖市政道路 施工钻孔技术与设备是时代发展的需求。本课题通过前期研究，拟采用气力输送 方法对微型非开挖施工钻孔设备进行泥屑输送 ，解决目前国内外水力输送泥屑 存在的泥水分离难题。 1 3 本课题主要研究内容 ( 1 ) 首先通过对气力输送系统的学习和研究，针对非开挖钻孔过程中泥屑输 送特点的要求，去构建适合于市政道路非开挖钻孔气力输送系统技术方案。 ( 2 ) 针对构建的气力输送系统技术方案，研究构建气力输送系统动力模型。 ( 3 ) 对气力输送系统的关键零部件及其控制系统进行研究设计。 ( 4 ) 研究设计市政道路非开挖钻孔气力输送系统实验装置。通过实验研究对 钻孔泥屑气力输送系统相关参数进行验证和优化。 1 4 本章小结 本章通过对传统市政道路非开挖施工方法国内外现状的研究，认识到大多数 5 第一章绪论 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 非开挖技术均存在着泥屑输送问题，采用水力输送泥屑的方法，不但浪费水资源， 而且严重的污染环境，不适合城市市政道路非开挖施工。通过初步研究，提出了 适合我国城市市政道路施工钻孔要求的( 孔径约巾4 5 0 巾6 0 0 ) 的“非开挖市政道 路施工钻孔泥屑气力输送技术 的课题，并确定研究的主要内容。 6 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究第二章气力输送理论基础 第二章气力输送理论基础 2 1 气力输送机理 气力输送装置是在管道内利用气体作为承载介质，将物料从一处输送到另一 处的输送设备，也就是利用管道内的一定压力和一定速度的气流，来输送松散状 物料的一种输送装置。 气力输送是一门比较年轻的科学技术，从1 9 世纪后半叶才发展起来的。1 8 8 3 年在俄国彼得堡港出现了第一台用来卸船仓散装粮食的气力吸粮机。1 8 9 3 年英 国也出现了固定式吸粮机。后来世界各港口广泛采用气力输送装置来卸运粮食。 据统计，1 9 2 5 1 9 2 6 年间荷兰的鹿特丹港、德国的汉堡港海运粮食中，将近9 0 是用气力吸粮机，即用吸送方式装卸粮食。 近些年来，气力输送技术发展得很快，在粮食、水泥、粉煤灰、化工物料、 矿粉、食盐、面粉、玻塘配合料、型砂等各工业部门，得到了广泛的应用。随着 输送距离的增长，又发展了压送式气力输送装置。 我国铸造部门最早采用气力输送的是长春汽车制造厂。1 9 5 9 年我国进行了 热气流烘砂的工艺试验，取得一定成果，1 9 6 6 年又试验成功涡流式压送装置。 在水泥和粉煤灰的输送方面，已广泛采用仓式泵进行远距离( 约2 0 0 0 m ) 输送。 从流体力学的观点来说，如果所研究的流体介质是单一的，则叫做单相流， 如液体、气体单相流；如果所研究的是两种混合介质，则叫做两相流，如气固、 液固、气液两相流。本课题所研究的气力输送，混合介质是空气和泥屑，因而属 于气固两相流。所以气力输送所涉及到的是研究气固两相流定律。 气力输送具有的优点如下。 ( 1 ) 输送效率较高。 ( 2 ) 整个输送过程完全密闭，受气候环境条件的影响小。这不仅改善了操作 的工作条件，而且被输送的物料不致吸湿、污损或混入其他杂质，从而保证了被 输送物料的质量。 ( 3 ) 在输送的同时可进行诸如混合、分级、粉碎、烘于、选粒等制备工艺过 程，也可进行某些化学反应。 7 第二章气力输送理论基础非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 ( 4 ) 对不稳定的化学物品可用惰性气体输送，安全可靠。 ( 5 ) 设备简单，结构紧凑，占地面积较小，选择布置输送管线较易。 ( 6 ) 易于对整个系统实现集中控制和程序自动化。 它的缺点如下。 ( 1 ) 与其他输送设备相比较，能耗较高。 ( 2 ) 输送物料的颗粒、黏性与湿度受一定的限制。 除一些易破碎、黏附性强、磨琢性大、有腐蚀性和易弓 起化学变化的物料需 特殊考虑外，一般松散的颗粒状、粉状物料均可采用气力输送。 输送管道两端的气体压力差使管道中的气体流动，当气流的速度达到一定值 时，管道中的物料即在气流的动力作用下被送走。物料在管道中的流动状态，主 要是随气流速度及气流中所含的物料量和物料本身料性等的不同而显著变化。通 常，当管道内气流速度很高而物料量又很少时，物料颗粒在管道中接近均匀分布， 并在气流中呈完全悬浮状态被输送( 如图2 - - 1 ( a ) 。随着气流速度逐渐减小或物 料量有所增加，作用于颗粒的气流推力也减小，使颗粒速度也相应减慢。加上颗 粒间可能发生碰撞，部分较大颗粒趋向下沉接近管底，这时管底物料分布变密， 但物料仍然正常地被输送( 如图2 一l ( b ) 。当气流速度再减小时，可以看到颗 粒成层状沉积在管底，这时气流及一部分颗粒在它的上部空间通过。而在沉积层 的表面，有的颗粒在气流的作用下也会向前滑移( 如图2 1 ( c ) ) 。当气流速度 开始低于悬浮速度或者物料量更多时，大部分较大的颗粒会失去悬浮能力，不仅 出现颗粒停滞在管底，在局部地段甚至因物料堆积形成“沙丘 。气流通过“沙 丘一上部的狭窄通道时速度加快，可以在瞬间又将“沙丘”吹走。颗粒的这种 时而停滞，时而被吹走的现象是交替进行的( 如图2 1 ( d ) ) 。如果局部存在的 “沙丘刀突然大到充填整个管道截面，就会导致物料在管道中不再前进。如果设 法使物料在管道中形成短的料栓( 如图2 - 2 ( e ) ，则也可以利用料栓前后气流 的压力差推动它前进。通常，在料栓之间有一薄薄的沉积层。当料栓前进时，其 前端将沉积层的颗粒铲起，随料栓一起前移，同时尾端则发生颗料不断与料栓分 离溃散，留下来变成新的沉积层。从表面看来，整个料栓在移动，但其中的颗粒 却陆续被料栓前端铲起的颗粒所置换。因此，实际上物料颗粒只是一段距离、一 段距离地呈间歇状前移。同一时间内输送的物料量与输送所需要的空气量的比称 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究第二章气力输送理论基础 为料气比。比值高的通称“密相”，低的通称“稀相。 ( a ) ：乙：j ：f ：- jj f ： ( ”：一、：f ：三：- ：_ ：j o 7 ： ( c ) ：量：二垂皇亟羔蔓三薹妄遗三量曼兰主；垒蔓三 ( d ) 罄主釜量竖矗垂基叠蒌塞垂基鸶建交羹釜塞垂囊迸 = 趸薹錾三二= = 瑟( 剖盐2 主董鏊兰主墨：2 釜! 泣= ：垒墨盔叠：燮签 图2 - l物料在管道中的输送状态 以上所说的物料气力输送流动状态中，前三种属于悬浮流，颗粒是依靠高速 流动的气流动压被输送的，将这类流动状态也称动压输送。后两种属于集团流， 其中最后一种又称栓流，物料是依靠气流的静压推送的，第四种则动、静压的作 用均存在。从管道中物料的实际流动状态中，还可以观察到一些其他的流动形式， 它们不过都是上述几种典型流动状态的中间过渡状态。有些流动状态并不稳定， 在同一管道中的不同部位也可以同时有几种形式出现。 2 2 气力输送装置的类型和特点 气力输送装置根据在管道中形成气流的方法大致可分为吸送式气力输送装 置、压送式气力输送装置和混合气力输送装置三种。 1 吸送式气力输送装置 吸送式气力输送装置采用罗茨风机或真空泵作为气源设备，取料装置部件多 为吸嘴、诱导式接料器等，最常见的工艺布置系统如图2 - 2 所示。气源设备装在 系统的末端，当风机运转后，整个系统形成负压，由管道内外存在的压力差空气 被吸人输料管。与此同时物料和一部分空气便同时被吸嘴吸人，并被输送到分离 器。在分离器中，物料与空气分离。被分离出来的物料由分离器底部的旋转式卸 料器卸出，而未被分离出来的微细粉粒随气流进入除尘器中净化，净化后的空气 经系统中配置的消声器排入大气。 吸送式气力输送装置的特点是易于取料，但其一般工作真空度小于0 0 5 m p a ， 9 第二章气力输送理论基础非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 故输送量和输送距离不能同时取大值，该装置由于气源设备用于吸送膨胀了的空 气从而带来设备大型化，价格较昂贵，该装置适合气流干燥工艺过程输送，不适 合输送粘性较大( 如泥屑) 的物料。 灿1 厂 递 0 望 i 图2 - 2 吸送式气力输送装置系统 l 储料罐；2 旋转供料器；3 分离收尘器；4 输料管； 5 一吸嘴；6 紧急粉尘过滤器：7 _ 罗茨鼓风机 2 压送式气力输送装置 压送式气力输送装置有低压压送式气力输送装置、高压压送式气力输送装 置、流态化压送式气力输送装置及脉冲栓流式气力输送装置等各种类型。不论是 上述何种类型的装置，其气源设备均设在系统的进料端。由于气源设在系统的前 端，物料便不能自由流畅地进入输料管，而必须采用密封的供料装置。为此，这 种装置系统的供料部件较吸送式复杂。当被输送的物料被压送到达输送目的地 后，物料在分离器或贮仓中分离并通过卸料装置卸出，压送的空气则经除尘器净 化后排入大气。图2 - 3 为压送式气力输送装置系统。这种系统适合于从一处取料 向数处卸料。 ( a ) 低压压送式( b ) 高压压送式 图2 3 压送式气力输送装置系统 1 储料罐；2 一旋转供料器；3 一喷射供料器；4 气源；5 输料管；6 排放过滤器；7 _ _ 发送罐：8 料位计；9 进料阀；l f f - - - 出料阀 1 0 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究 第二章气力输送理论基础 3 混合式气力输送装置 将吸送式气力输送装置与压力式气力输送装置相结合称之为混合式气力输 送装置。例如，物料从吸嘴进入输料管吸送至【1 分离器，经下部的卸料器卸出( 它 又起着压送部分的供料器作用) 并送入压送输料管，从而分离器出来的空气经风 管进入风机，经压缩后进人输料管将物料压送到卸料地点。物料经卸料器排出， 而空气则经除尘净化后经风管消声器排入大气中。图2 - 4 为压送式气力输送装置 系统。 混合式气力输送装置兼有吸送式和压送式装置的特点。可以从数处吸料压送 到较远之处，但它的结构较复杂，气源设备的工作条件较差，易造成风机叶片和 壳体的磨损。 图2 4 混合式气力输送装置系统 l 储料罐；2 一旋转供料器；3 一喷射供料器；4 气源；5 输料管；6 排放过滤器： 7 - - 分离收尘器：8 一吸嘴；9 一紧急粉尘过滤器；l o 一罗茨鼓风机 2 3 气力输送状态的类型 2 3 1 铅垂管气力输送状态 利用输送风速和压力损失之间关系的状态相图，能对气力输送过程的实质做 出清晰的描绘，并有助于分类。 图2 5 为铅垂管气力输送的状态相图。图中横坐标为输送风速的对数坐标， 纵坐标为压力损失对数坐标。状态相图就表示气固两相流动时，输送风速与压损 的关系状态。相应的物料运动状态如图2 - 6 所示。 第二章气力输送理论基础 非开挖市政道路旖工钻孔泥屑气力输送方法的研究 o a b - 填 ab cd e 图2 - 6 垂直管内物料运动状态 由图2 - 5 可以看出：相图被c b d h s 连线划分为左右两部分。空气和物料两相 流动时是处于上述连线的左边状态时，物料是在气流内下沉；而在连线的右边时 为向上输送。图中o e g 是纯气流特性曲线。岛j l l 和6 2 也表示为悬浮输送时的不同 加料流率下输送风速与压力损失的关系曲线。运动状态相当于图2 6 a ，是g “时 的情形，用曲线b t h l 表示之，而相当于图2 6 b 即q ： _ q 的情形用如也表示。岛啊 和6 ：中的直线部分是除个别颗粒冲击管壁外，大部分物料颗粒在管道中均匀分 布、物料向上输送。 随着输送风速的降低，压力损失将减小。如果加料流率不变、处在气流中的 非开挖市政道路施工钻孔泥屑气力输送方法的研究第二章气力输送理论基础 物料速度减慢而浓度增加、遂使压力损失再增加，这时曲线出现表示压力损失最 小值的拐点，这时的输送风速称之为经济输送风速咋。无疑，当输送风速小于这 一点后，物料虽仍维持悬浮在气流中呈向上输送，但物料颗粒在气流中已不再是 均匀分布。故匕又称为均匀分布输送临界速度；当加料流率增大时，这个临界速 度值也增大。如果将不同q 时的。、1 ，。2 、“连起来，则s j 称为经济输送风 速曲线。 随着输送风速的进一步降低、物料的浓度迅速增加，物料在管道中的流动状 态不再呈均匀分布的悬浮输送。颗粒的运动出现了聚集状态，空隙不断减小，成 为不稳定的悬浮输送。按不同的加料流率g j ，和q ：相应于图2 6 中的c 和d 所 示。 当风速再降低，物料浓度继续增加到一定程度，物料充满了管道，此时管道 即为物料所堵塞，也即6 1 l l 和b ：h ：曲线中的啊及i 1 2 点，所以和a ：称之为噎塞点， 这时的风速称之为噎塞风速。 从物料噎塞管道时开始，流动状态很可能会转变为不易控制的栓状流动