泥水盾构泥水系统技术.doc

泥水盾构泥水系统技术 傅德明 上海申通地铁集团公司 2010.31 泥水盾构简介n 1818年，英国的布鲁诺从蛀虫钻孔得到启示，提出盾构掘进隧道设想。n 1825-1843年，布鲁诺在伦敦泰吾士河下用盾构法修建458m长的矩形隧（11.4m6.8m）。n 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助解决隧道涌水。1874年Greathead提出泥浆盾构专利1896年，开始应用刀盘式盾构掘进机不n 20世纪60年代初，穿越不稳定和含水地层的隧道工程辅助技术有：降水法、气压法、地层加固法和冻结法。n 气压法最经济有效，由于安全和健康等原因，希望有一种能不干扰地面和使工人不在气压下施工的隧道掘进机，欧洲国家提出 “局部气压方法”，但这种对工作面不能提供不变的和有规则的支护 。n 英国隧道专家建议在隔舱板前用喷水“水力盾构”，但水不能支护开挖面，无法阻止开挖面不停地流动。这种情况与充满水的挖槽相类拟，从而提出在开挖面用类同槽壁法的支护，这样就诞生了泥水加压盾构掘进机。n 1967年，英国开发成功首台泥水加压平衡盾构。n 1974年，日本开发成功首台土压平衡盾构。n 1987-1991年，英国、法国采用11台盾构掘进深50km长的英法海峡隧道，创造单台盾构连续掘进21km的记录。n 1989-1996年，日本采用8台世界最大直径14.14m泥水加压盾构，掘进东京湾海峡隧道，2条隧道各长9.4km。英国体系泥水盾构n 1964年英国Mott, Hay和Anderson的John Bartlett 申请了泥水加压平衡盾构掘进机原理专利(英国专利号1083322)。 n 1971年开挖直径4.1m、长140m的试验段。英国体系泥水加压平衡盾构掘进机与同类德国体系相对照，其研制的特征是有长槽的鼓轮状的切削头、提取来自压力室的泥浆，有粗和细两套分离装置，以及以控制弃土出口压力(阀或泵)的方法保持开挖面的压力。当时，英国由于缺乏能适合促进这种技术的隧道工程，这种技术的发展受到了限制。日本体系泥水盾构n 日本工程师相信液体支护隧道开挖面的原理、他们称为“泥水加压平衡盾构”(即泥水加压平衡盾构)。n 1970年日本铁建公司在京叶线森崎运河下，羽田隧道工程中采用了直径7.29m的泥水加压盾构施工，土质为冲积粉砂土层和洪积砂层，N值为2-50，施工长度为865 2条=1712延米，见图1。n 直径7.29m泥水加压盾构掘进机，在隧道施工中获得了极大的成功，它是当代时最大直径的泥水加压平衡盾构。n 纵观日本在近30年的泥水盾构发展，自日本泥水盾构问世以来，泥水盾构一直持续发展。n 在20世纪70年代，还不到十年的时间里，日本就用直径的泥水盾构施工了20km隧道。n 就当时技术发展水平来说，认为日本对于一切的细颗粒土地层较丰富的经验，日本泥水盾构常利用开挖出来的泥土作为开挖泥浆，并只要加上膨润土或其它材料就可调制成用于泥水盾构的泥浆性能、而当时英国的经验仅仅局限于膨润土这一种泥浆材料。n 1986年日本研制世界上第一台双圆泥水加压式盾构，由日立造船株式会社为日本熊谷组承包商制造。n 这台双圆泥水加压式盾构是由两个直径为7.42m的盾构组合而成，盾构横向总宽度为12.19m，刀盘呈半重叠状。n 1988年用于日本新建京叶线的京桥双线隧道施工，长度约620m，这是日本首次使用MF Multi-ple Facc ) 盾构修建隧道。n 90年代中，日本又研制成世界上第一个三圆泥水盾构，并成功地作大阪市地铁7号线“商街公园”车站工程施工。n 商街公园地铁车站(Bsaka Business Park) 是大阪地铁7号线工程中施工难度最大的一个车站，深约32m，长155m。位于IMP 摩天大楼及盾构施工大断面下水道隧道 的正下方，处在深度大、水压高易塌方地层中。 全用球墨铸铁管片，共计105环(105m),日掘进23环，于1994年1月4月就完成了约107m在完成一次衬砌，立柱的托换亦于同年1011月顺利完工。 法国NFM公司 Framatome14.87名泥水气平衡盾构,n 泥水盾构，带有泡沫空气 n 主要参数:n 盾构1900 tons 直径 = 14,87 mn 后挂系统1420 tons, 总计3320 tons, 长度 120 mn 盾构功率3,500 kW, 扭矩= 136 000 KNmn 总顶进压力184,000 tonn 泥水流率2,500 m/hr2 泥水系统的作用和组成2.1泥水系统的作用n 一是及时向开挖面密闭舱提供掘进施工需求的泥浆，用优质膨润土配制的泥浆的比重、粘度等技术指标必须满足在高透水砂层中形成泥膜和稳定开挖面的要求；n 二是及时把切削土砂形成的混合泥浆输送到地面进行分离和处理，再将回收的泥浆调整利用。n 泥水系统与盾构机的选型、掘进速度、地质条件等紧密联系在一起的，不同的地质工况条件取决了不同的泥水系统模式。支护泥水作用支护泥水在泥水盾构掘进中起着重要作用： n 在开挖面土体表面形成泥膜，泥膜厚度随渗透时间增加而增加，从而有效提高渗透抵抗力。n 支承、稳定正面开挖面土体。n 盾构借助泥水压力与正面土压产生泥水平衡效果，有效支承正面土体。n 对刀盘和刀头等切削设备有冷却和润滑作用。泥膜形成基本要素 支护作用的好坏，泥水形成的泥膜质量至关重要n 泥水最大粒径对泥膜形成效果有很大影响，根据土层渗透系数K的不同要求，泥水最大颗粒粒径也不同，其间需互相匹配n 颗粒级配 n 泥水浓度提高能使泥水屈服值升高，稳定性增强 n 增加泥水压力可提高开挖面的稳定性 泥水配比设计主要由膨润土、CMS、纯碱和水组成， n 膨润土的作用提高泥水粘度、比重、悬浮性、触变性n CMS（缩甲基淀粉）的作用降低失水率、增加粘度n 纯碱（碳酸钠）调节PH值、分散泥水颗粒 泥水的技术指标n 泥水比重 为达开挖面上的稳定，须将开挖面的变形，要控制在最低限度以内，希望泥水比重要相当高。但比重高的泥水使得送泥泵处于超负荷状态，将招致泥水处理上的困难；而比重低的泥水虽具有减低泵的负荷等优点，但却产生了逸泥量的增加、推迟泥膜的形成。 一般的泥水比重d在1.051.3范围内较适宜。n 泥水的粘度 可通过将泥水从漏斗形容器流出的时间来判定泥水的粘性，表示出外观的粘性(在清水中500cc漏斗形粘性是19秒)。通常是采用2540秒/500cc左右值的泥水。泥膜形成机理n 类型1：几乎不让泥水渗透过，仅形成泥膜。n 类型2：地层土的间隙较大，仅让泥水渗透过去，没有形成泥膜。n 类型3：是上述两种类型的中间状态，边让泥水渗透过，边形成泥膜。泥膜试验装置上海越江隧道新浆常用配比表（以m3计）：膨润土% CMS%纯碱%（s）（g/cm3）适应土层10160.10.480.20.48201201.0651.205、7控制泥水成本途径新浆n 控制膨润土掺入比n 控制CMS掺入比n 控制纯碱掺入比调整浆n 新浆+回收浆n 新浆+回收浆+CMSn 新浆+回收浆+HEFn 回收浆+CMSn 回收浆+HEFn 回收浆+膨润土+碱控制泥水成本途径新浆n 控制膨润土掺入比n 控制CMS掺入比n 控制纯碱掺入比调整浆n 新浆+回收浆n 新浆+回收浆+CMSn 新浆+回收浆+HEFn 回收浆+CMSn 回收浆+HEFn 回收浆+膨润土+碱22泥水系统的组成 泥水盾构的泥水系统由四大部分组成 造浆分系统 输送分系统 处理分系统 泥水监控分系统 2.3 泥浆伴制和浆液调整分系统2. 3.1 泥水拌制分系统n 当盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构刀盘面，形成一定厚度的泥膜便于刀盘切削。n 当旧浆液浆量不足使需要及时补充新鲜浆液，造浆系统根据浆液的粘度、比重等技术指标进行调整。及时向盾构正面刀盘面补充浆液，使刀盘正面快速形成泥膜，便于盾构顺利进行掘进施工。n 伴制泥浆的主要材料是膨润土、CMS等。n 泥水拌制系统由新浆槽、新浆泵、新浆搅拌器、新浆贮备槽、CMS搅拌槽、CMS搅拌器、CMS泵、分配阀和加水设备组成，n CMS搅拌槽贮存化学浆糊、新浆槽贮存膨闰土等材料，分别由搅拌器进行搅拌，将搅拌后的CMS化学浆糊送入新浆槽进行混合搅拌制成新鲜浆液 2.3.2浆液调整分系统n 调整槽分系统具有新旧浆液搅拌调整功能，同时也起到贮存浆液作用.n 回收的浆液经过盾构机反复应用后，浆液的比重、粘度指标会不断发生变化，需要再次把切削土砂形成的混合泥浆通过新浆分系统分配的新浆重新进行浆液技术指标的调整。n 浆液调整系统由调整槽、剩余槽、调整槽拌器、剩余槽搅拌器、调整泵、剩余泵、密度泵、送浆泵、补液泵、分配阀和加水设备组成，n 调整槽对新旧浆液进行调整、剩余槽贮存新旧浆液，分别由搅拌器进行搅拌，由密度泵进行密度检测，而后由送浆泵将调整好的浆液送往盾构机，n 当盾构处于停止掘进模式进行管片拼装时，为了确保刀盘面正面土压力平衡，由补液泵进行循环补液。 浆液调整分系统组成图 2.4 泥水输送分系统n 泥水输送系统是将新浆和调整浆通过泵与管道输送至盾构开挖面；n 刀盘切削下来的干土和水合成的泥浆，通过泵与管道将泥水送往地面的处理系统进行调整。 n 泥水输送系统主要由泵、阀、管道及配套部件等组成，通过泥水监控系统进行自动化操作。 2.5 泥浆分离和处理分系统n 泥浆分离和处理分系统的作用是将盾构切削土砂形成的泥水进行颗粒分离和处理后，再将回收泥浆泵入调整槽。n 采用振动筛作为首道初级分离比较合适，振动筛的作用始对泥水作预处理，去除团状和块状等粗大颗粒。粗颗粒的分离采用三层振动筛， 10mm粒径颗粒通过第一层振动筛进入第二层，6mm粒径颗粒经振动后进入第三层振动筛，3mm泥浆颗粒物下料振入沉淀池，振动筛所有的物上料排至堆土场地。 泥浆分离分系统（振动筛）示意图沉淀池平面图 n 旋流处理分系统的主要功能是将经过分离以后的中细颗粒浆液再次进行细化处理，逐次降低浆液粒径，处理系统一般采用多级旋流器进行处理。 n 旋流器的工作原理是依据水动力高速旋转产生的离心力达到处理目的，利用旋流泵在旋转过程使旋流器产生负压力，迫使旋流器内部悬浮的细微颗粒，通过离心作用产生螺旋式上升，通过上溢口被负压力挤出，浆液中粗重颗粒在自重的重力作用下落入下溢口弃浆槽内。n 旋流器不同的内径和颈长比以及不同的工作压力，会起到不同的处理效果。 旋流器工作原理简易图 n 调整槽和剩余槽均有减速搅拌器、液位计、搅拌叶、差压式密度计、密度泵、循环泵以及相应的泵（调整泵、剩余泵）组成 .n 槽内的浆液由搅拌器搅拌，调整的浆液技术指标由密度计进行检测， 。n 为了防止槽内浆液的满溢及浆液虚空 ，安置高低液位计来控制浆液液位，n 调整槽与剩余槽之间采用溢流管连通，以确保泥水系统由足够的送浆量，当两个槽体内的浆液指标不能满足技术要求时，利用调整泵和剩余泵互相进行补充再次进行调整。n 调整槽结构与剩余槽结构一致， 调整槽（剩余槽）结构示意图 泥水分离和处理分系统图2.6 泥水监控分系统泥水处理监控系统在泥水平衡盾构施工时一个十分主要组成部分，所有的泥水系统的运行和操纵由泥水监控系统来实现和完成。它具有系统各运行数据与盾构数据采集系统的通讯功能盾构施工管理信息系统的泥水处理系统软件界面的分成。所有泥水处理系统的监控系统都由PLC程序实现。通过泥水监控系统的运用，随时为盾构施工中央控制室提供可靠的信息和采集泥水系统的技术数据。同时通过控制系统中的显示屏和触摸屏及时了解和掌握相关的泥浆处理技术指标。采用中央集中控制和就地控制两级控制的模式，即自动、半自动和手动操作相结合的监控系统。根据泥水处理系统工艺流程及各分系统、进行现场设备的合理布置及简便操作。根据泥水分离和处理系统模式，对主循环系统设备控制、调整分系统和取水分系统；优先考虑采用中央自动/中央手动控制，弃浆分系统设置为自动运行中央控制手动开启、停止，为了考虑工程成本，在处理过程中的加水、加浆控制则采取操作人员根据泥浆配比要求进行人工判断操作；制浆分系统设计为就地手动控制配料配方，自动制浆。均可选择中央自动运行或在就地手动操作。泥水处理系统监控系统以掘进模式控制、停止模式控制和循环模式控制三种不同的工程状态进行监控，掘进模式监控系统 停止模式监控系统图 循环模式监控系统图 3 泥水系统的设计依据泥水物流平衡的计算31设计依据n 地质资料：土质、N值、考虑比重、粒度特性、粒度构成、考虑最大粒径，含水比。n 盾构外径、衬砌宽度、掘进长度，隧道坡度、掘进速度。n 调整槽距竖工作竖井井口距离、沉淀池距竖工作竖井井口距离、始发出洞井盾构中心切口水压、终止进洞盾构中心切口水压。n 送泥比重、送泥排泥管径及电源。n 切口水压 北岸出洞时切口水压 最大值Pcmax14.1kg/cm2 最小值Pcmin13.1kg/cm2 南岸进洞时切口水压 最大值Pcmax1-0.25kg/cm2 最小值Pcmin1-1.25kg/cm2n 送泥浆的数据 固体比重 12.70 泥水比重 11.20n 地质数据 含水比 W1527.7 % 泥颗粒真比重 22.62.81 粒径分布 Q4砂层34.7% 砾石30.6% Q2粉质壤土34.7%32泥水物流平衡计算：n 送泥流量Q111.035 m3/min，n 排泥流量Q214.0 m3/minn 送泥水配比：n 土颗粒重量Ww1441.37 T/m3n 水分容重Wv1=367.79 m3/m3n 送泥水管路扬程损失率HR10.95n 排泥水管路扬程损失率HR20.93n 送泥管径 d1250mmn 排泥管径d2300mmn 原土中值粒径 d600.05mmn 泥水处理场地与竖井的高差ht03.3 送排泥流量的计算n 切削截面面积AD2/492463.6m2n 地层含泥率 K100（1002W）100% 100（1002.7121.35100% 63.35 vol%n 掘削土砂量 qAv10063.624.51002.86m3/minn 掘削土的干砂量 GqK1002.8663.351001.81m3/min3.4 排泥泵数据计算 n 排泥流量Q2 18 m3/min，排泥管相当直管长度 (阀门、弯头按直线管道长度5 %计) L2 =(L+HD/2+l2+=(4251+44.69/2+200+2) 1.05= 4717.8 mn 排泥管的总抵抗损失 （Hf2 m） 排泥管每米损失扬程 Jm210.6(c2)-1.8d2-4.8(Q2/60)1.82 10.6(140)-1.80.3-4.8(18/60)1.81.34 =0.058 m/m Hf2Jm2L2= 0.05814717.8=274.1n 吸入扬程 （Hs2 m ） 盾构到达终点时切削面水压为零，所以 Hs20 mn 全扬程 H2 = Hf2 +HD/2+hHs2 =274.1+44.69/2+20316.2 mn 排泥泵扬程的减低率 HR2=0.93n 排泥泵工作时的全扬程 HT2= H2 / HR2=316.2/0.93=340 mn 始发时排泥泵需要的全扬程 HT2S 始发时排泥管相当直管长度 Lt2=(HD/2+l2+h) =(44.69/2+200+2)1.15=278.4 始发时排泥管阻力损失扬程 Hf2S=Jm2Lt2 b=0.0581278.4=16.18 m 所以始发时排泥泵需要的全扬程 HT2S=(HD/2+h+ Hf2S Hsv2)/HR2 =(44.69/2+2+16.183.110/1.34)/0.93 =37.8 （ Hsv2为盾构始发时的吸入扬程） n 排泥泵扬程的减低率 HR2=0.93n 排泥泵工作时的全扬程 HT2= H2 / HR2 =316.2/0.93=340 mn 始发时排泥泵需要的全扬程 HT2S 始发时排泥管相当直管长度 Lt2=(HD/2+l2+h) =(44.69/2+200+2)1.15=278.4 始发时排泥管阻力损失扬程 Hf2S=Jm2Lt2 =0.0581278.4=16.18 m 所以始发时排泥泵需要的全扬程 HT2S=(HD/2+h+ Hf2S Hsv2)/HR2 =(44.69/2+2+16.183.110/1.34)/0.93 =37.8 （ Hsv2为盾构始发时的吸入扬程） 3.5 送泥泵数据计算n 送泥流量Q115.14 m3/min， n 送泥管相当直管长度 (阀门、弯头按直线管道的5 %计) L1 =(L+HD/2+l1) =(4250+44.69/2+180) 1.05 = 4693.6 mn 送泥管的总抵抗损失 （Hf1 m） 送泥管每米损失扬程Jm1=0.0459 Hf1Jm1L1=0.04594693.6 =215.4 mn 排出扬程 （ 分二种情况计算） a. 盾构到达3450m时，切削面最大水压为3.55kg/cm2 Hp1a=Pcmax10/1 =3.55510/1.2=29.63 mn b. 盾构到达终点时，此时切削面水压为零 Hp1b=0 mn 全扬程 （分二种情况计算） a. H1a = Hf1H+D/2+ Hp1a+hf0 =204.93 m b H1b = Hf1H+D/2+ Hp1a+hf0 =213.35n 送泥泵扬程的减低率 HR1=0.95n 送泥泵工作时的全扬程 HT1= H1b / HR1=224.6 mn 始发时送泥泵需要的全扬程 HT1S 始发时送泥管相当直管长度 Lt1 Lt1=(HD/2+l1) =(44.69/2+180) 1.15=253.1 m 始发时送泥管阻力损失扬程 Hf1S Hf1S=Jm1Lt1=0.0459253.1=11.6 m 所以始发时送泥泵需要的全扬程 HT1S HT1S=(HD/2+ Hf1SHv1)/HR1 =5.96 m Hv1为盾构始发时的抵抗扬程 4.6 送泥泵数量及位置的确定 送泥泵选用石家庄水泵厂生产的WARMAN渣浆泵（12/10GG），根据送泥流量Q115.14 m3/min，查得此时泵的扬程为H50m，泵转速R800 r /min，功率P600kw，设P1.2的位置为X1.2n 实扬程 ha1.2 =HD/20.002 X1.2 X1.2 mn 相当直管长度 PL1.2 =(l1+HD/2 + X1.2) 1.05 =（180+44.64.5+ X1.2）1.05=231.1+1.05 X1.2 mn 扬程送泥管的总抵抗损失 （Hf1 m） 送泥管每米损失Jm10.0459 m/m (见43)n 抵抗扬程 Hv1.2Pcmax10130.83 mn 全扬程 HT1.2 =（ha1.2+ Hf1.2Hv1.2 ）/0.95 n 送泥泵的扬程为50 m，则有 (40.10.002 X1.2+10.61+0.0482 X1.2+30.83)/0.95=50n 经计算需要5台送泥泵 。3.7 排泥泵数量及位置的确定 排泥泵选用石家庄水泵厂生产的WARMAN渣浆泵（14/12GG），根据排泥流量Q218 m3/min，查得此时泵的扬程为H49m，泵转速R600 r /min，功率P600kw。 n 实扬程 ha2.6=HD/2h0.002 Y2.644.69/22+42.10.002 Y2.6 m 相当直管长度 PL2.6 =(l2+HD/2h + Y2.6) 1.05n 送泥管的总抵抗损失 （Hf2.6 m） 送泥管每米损失扬程 Jm2 = 0.0581 m/m Hf2.6PL2.6Jm2=(254.2+1.05 Y2.6) 0.0581 n 吸入扬程 Hs2.6Pcmin1022.7101.3420.15 mn 全扬程 HT2.6 =（ha2.6+ Hf2.6Hs2.6）/0.93n 排泥泵的扬程Pe49 m，P2.149 m，则有 (42.10.002 Y2.6+14.77+0.061 Y2.620.15)/0.93=492n 经计算需要6台排泥泵 。4 穿黄隧道泥水系统设计针对南水北调中线穿黄隧道工程所含饱水中细砂层、透水砂层、粉质壤土层，局部粗砂层，并有砂砾、孤石和古树等的特殊地质条件情况，参照国内外泥水盾构掘进施工的经验，本着尽可能降低施工成本的原则，通过缜密的比选和构思，提出如下泥水系统的技术方案。系统的设计思路在于分离和处理 大于0.074mm粒径泥浆颗粒，小于0.020mm粒径范围内泥浆浆液进行回收利用。降低工程成本，提高工程效率。 泥水处理系统的模式以集成模块化产品为主，以沉淀池为辅。n 泥水处理系统分成“处理子系统、调整子系统、新浆自造子系统、弃浆子系统”。4.1 集成模块化泥水处理设备分别由振动筛为初级处理，除砂器循环处理为一级分离处理，除泥器（清洁器）为二级分离处理设备组成。形成一整套处理设备，其处理能力为500 m3/h。 由盾构排泥管排出的浆液，经过振动筛的筛分作用，5mm颗粒排至弃渣土堆场。将5mm颗粒的浆液通过筛网送入除砂器槽体，通过除砂器的下方的脱水筛使除砂器反复循环处理，将0.020mm颗粒排至弃渣土堆场。0.020mm颗粒的浆液送入除泥器（清洁器）槽体，利用除泥器再次处理，使0.020mm颗粒的浆液送入调整池，经过新旧浆液调整的指标达标后通过送浆泵将浆液送往盾构刀盘面。 初级处理设备采用USL3.6X5.25G型直线振动筛，可满足处理0.074mm粒径浆液;其工作额定流量为8.33m3/min（500 m3/h）。 一级处理设备采用FX-350型除砂器，由6只旋流器和一台泵组成，可满足处理0.074mm粒径浆液;每只旋流器工作额定流量为1.39m3/min。每组处理能力达500 m3/h，旋流器上液口浆液流往除泥器泥浆槽。 二级级处理设备采用FX-125型清洁器，每组由42只旋流器和泵组成，每只旋流器处理量为0.2 m3/min。每组处理能力达500 m3/h。 脱水筛采用USL3.6X5.25G型直线振动筛，脱水筛网眼目数为100目。要满足盾构排放1500m3/h的需求量，每条隧道盾构施工需要三套集成模块化泥水处理设备。系统应急设施沉淀池辅助处理系统， 沉淀池目的在于一旦处理系统设备发生故障或个别设施损坏时，为确保盾构正常施工而采用的手段。由盾构排泥管的浆液排至沉淀池，在自流的过程中，将大于0.03mm(盾构排放的浆液比重约在1.35以上)粒径的浆液，在自重的作用下，逐渐沉淀。小于0.03mm粒径浆液处于悬浮状态，随着液体流动往后道滤池流去。根据施工场地状况，沉淀池采用迷宫式5节滤池，盾构排放的浆液以20%的速率递减，随后再经过一级处理和二级处理形式达到分离处理目的。 经逐次沉淀的浆液通过泵送至调整槽进行调整。沉淀