泥水盾构主机推进速度与泥浆系统能力的匹配

在泥水平衡盾构选型和采购中，厂商提供的技术性能参数表会注明主机的最大推进速度cm/min，同时还提供泥浆输送系统的进浆流量和排浆流量m3/h。盾构的实际掘进速度取决于这两个参数中其中较小一个的参数值。一般来说，泥浆输送系统所达到的输送量对应的盾构掘进速度小于主机的最大推进速度，当选用的泥浆流量过小时，主机标定的最大推进速度是不可能达到的。盾构用户有时候可能会忽略这一差别，结果导致盾构掘进能力储备不足，当施工工序发生延误时，设备没有足够的能力弥补工序延误带来的时间损失，掘进不能满足预期的指标。另外，泥浆系统的流量是否能够达到的掘进进度指标还与地层性质有关系，在不同的地层中，同样的泥浆流量，输送的碴土量会不同，掘进进度也不一样。因此在盾构采购时应注意这一问题，保证采购的设备满足工程进度要求。本文试分析泥浆系统流量与盾构掘进进度关系，为盾构采购用户提供一些参考。

1 盾构主机的推进速度

 盾构主机的推进速度一般按照隧道工程的总工期安排的月掘进进度计划，根据施工工序确定的纯掘进时间并考虑一定的储备系数，以每分钟掘进的行程××cm/min标定。但在目前盾构技术水平条件下，盾构主机能够达到的掘进速度也有一个合理值，因此经常是综合设备的购买成本、使用成本、其他各施工工序在现有的技术条件下能够达到的工序进度水平等因素来考虑，现行的提出的盾构掘进速度一般均在在6～8cm/min之间，该速度范围适合于目前大多数地铁盾构隧道综合的进度指标。

该范围内的盾构掘进速度，由适合于具体工程地质条件的刀盘刀具参数、刀盘转速、扭矩以及相应的功率、推进油缸的推力及推进液压系统的功率来获得。在盾构选型中，这些参数是盾构用户比较关注的。

2 泥浆输送系统流量计算

以开挖直径为φ6300mm的地铁隧道为例，按照主机推进速度8cm/min试计算泥浆输送系统的能力。

2.1 排碴量的计算

设推进速度为8cm/min，则排碴量为Qg＝π×R2×V×60/100    （式1）

其中：Qg－排碴量（m3/h）、R－隧道开挖半径（m）、V－推进速度（cm/min）

得：Qg＝π×R2×V×60/100＝π×3.152×8×60/100=149 m3/h

注：泥水输送计算不须考虑松方系数。

该排碴量折合为隧道进尺延米时为每小时掘进4.8m，因此主机的推进速度是相当惊人的。如果每天纯掘进时间为10小时，每月工作25天，则每月的施工进度可达1200m。硬岩掘进机，包括敞开式掘进机和双护盾掘进机，由于每天纯掘进时间可超过10小时以上，能够达到甚至超过这一月进度指标，但盾构机很难达到。

2.2 泥浆输送系统的能力计算（参照海瑞克公司提供的计算方式）

2.2.1定义

设：进浆密度 ρ1＝1150kg/m3、排浆密度ρ2＝1300kg/m3、岩土密度ρg＝2000kg/m3

进浆流量 Q1 m3/h、排浆流量 Q2 m3/h 、Qg m3/h

为计算方便设地层含水率为0％

2.2.2泥浆流量计算

由：容积等式：Q2＝Q1＋Qg （式2）（排浆容积等于进浆容积加碴土容积）

重量等式：Q2×ρ2＝Q1×ρ1＋Qg×ρg（式3）（排浆重量等于进浆重量加碴土重量）

得：进浆量： Q1＝Qg（ρg－ρ2）/（ρ2－ρ1）（式4）

Q1＝149（2000－1300）/（1300－1150）＝695 m3/h

排浆量 ： Q2＝Q1＋Qg（式5）

Q2＝695＋149＝844 m3/h

2.2.3泥浆流量分析

在上述计算中，按照以上假设的条件，如盾构满足8cm/min的掘进速度，则泥浆系统理论进浆流量695 m3/h，为排浆流量为844 m3/h。

假设进浆密度为1100kg/m3，代入（式4）、（式5）则泥浆系统理论进浆流量521 m3/h，为排浆流量为670 m3/h。

假设进浆密度为1100kg/m3，但碴土密度为2300 kg/m3，代入（式4）、（式5）则泥浆系统理论进浆流量745 m3/h，为排浆流量为894m3/h。

假设进浆密度为1150kg/m3，碴土密度为2300 kg/m3，代入（式4）、（式5）则泥浆系统理论进浆流量933 m3/h，为排浆流量为1142m3/h。

   可以看出，当地层密度越大，满足8cm/min的掘进速度时需要的泥浆流量越大。因此，根据地质条件的不同，泥浆系统理论进浆流量和排浆流量有较大不同。

3泥浆输送系统流量选择

3.1根据实际施工进度选择

以上述计算为例，当主机的最大推进速度为8cm/min时，按照该推进速度来选择泥浆系统的流量应该是偏大的，主机在大多数情况下达不到最大推进速度，而泥浆系统在大多数情况下基本上能够达到输送量要求，同时，由于泥浆输送系统配置的功率很大，当隧道区间长度超过2000m时，泥浆系统的功率相当于甚至超过泥水平衡盾构机主机的驱动功率。因此应该根据工程的综合情况提出实际需要的掘进进度选用泥浆输送系统的参数。以求在满足实际综合能够达到的掘进进度前提下，降低泥浆系统的采购费用和使用成本。根据经验，按照3～4cm/min的推进速度来选择泥浆流量比较合理。

在盾构选型中，厂商会根据他们的经验提出泥浆系统流量配置的数据。但为了降低整机价格，有的厂商提供的参数偏于下限，在理想的条件下刚好满足工程进度指标要求，但实际施工中，理想状态在大多数时候都不能实现。用户在选购设备时应根据具体工程地质条件进行大致的分析计算，以便对厂商提供的泥浆输送系统参数进行复核，防止偏低。

3.2根据工程的地质情况选择

3.2.1临界沉降流速

  大粒径的颗粒在管道浆体中必须依靠浆体紊流来保持悬浮状态，这就要求管道浆体有紊流流速，需要输送的碴土平均粒径的对于不同的隧道工程地质有很大的差别，需要根据碴土的平均中值粒径计算泥浆管路中的临界沉降流速。但这类流体计算对于盾构用户来说是很困难的。盾构厂商一般不会提供这样详细的资料供用户审核，或者这类计算实际误差很大，完全根据试验数据和经验，所以厂商本身也不能提供。国内泵类资料提供的一些计算公式中，中值粒径多以毫米计算，对于沙层地质来说有参考价值，但少有针对隧道工程中的大粒径碴土泵送计算的资料。因此作为用户来说，只能进行类比计算。

   在盾构选型过程的技术交流中，不同的厂商会提供泥浆系统的流量和管径，因此用户可以拥有本工程关于泥浆系统的管道流速数据，厂商提供的最低流速可视为本工程泥浆系统最低流速底线，以此作为标准的下限。

以开挖直径φ6300mm的某地铁隧道工程为例，地层以砂砾层为主，2mm以上颗粒占总重量的45％，中值粒径暂按1.0mm计算，各盾构厂商提供的泥浆系统局部参数如下表所示：

按照国内泵类资料提供的公式试进行复核如下：

   由凯夫公式：VL＝1.04×D0..3×（S－1）0.75×Ln（d50/16）×【Ln（60/CV）】0.13

   其中：VL－流速（m/s）、S－砂砾比重（2.3）、d50－中值粒径（1000μm）、

CV－体积浓度（23％）、D－管道直径（m）、进浆比重（1.1）、排浆比重（1.3）

当管径为φ254mm时排浆计算临界沉降流速VL＝3.78m/s

当管径为φ304mm时排浆计算临界沉降流速VL＝3.95m/s

   在上述复核计算中，只有海瑞克公司的参数能够满足，显然这是不可能的，因为上述公司均为具有成熟技术的盾构生产商，只能说明本文按照国内泵类资料提供的公式进行的复核可能不准确。但承建该工程的盾构用户已经要求投标的盾构厂商加大了泥浆系统的流量以增加流速。不过在实际输送过程中，很大颗粒的卵砾石在泥水盾构的管道输送中并非处于完全悬浮状态，经常听到大卵石在管道中滚动的声响，说明大卵石在管道中处于不完全悬浮状态在管道底部被输送，卵石的速度低于浆体的速度，卵石靠与浆体的速度差获得的浆体动量作用力被输送，这种状态也是可以满足输送要求的，但实际输送碴土量要减少。特别在垂直管道上升的过程中这种作用非常明显。如右图所示：

   由于只是为了说明这种作用，右图是一简化近似计

算的模型图，设石块为正方体，尺寸是10cm×10cm，

体积为1000cm3，重量为2.6kg，减去1.1比重浆液

对其的浮力1.1kg，剩余1.5kg的重量由

浆液的动量提供，求浆液托起其剩余重量

所需要的速度差。

应用有关流体射向平板的动量方程：

F＝γ/g×AV2（式5）

其中：F－流体对平板的作用力（1.5kg）

     γ－流体的重度（1100kg/m3）、

A－平板面积（0.01m2）

      V－流体速度（m/s）

得：V＝【（F×g）/（γ×A）】－2＝【（1.5×9.8）/（1100×0.01）】－2＝1.15 m/s

假设管道内浆液得流速为4 m/s，那么卵石上升的速度为4－1.15＝2 .85m/s左右，在实际输送实例中，约4 m/s的浆液速度，φ304mm管径，输送过φ140mm×200mm的高密度卵石，甚至连破裂后的1/4弧度的滚刀刀圈也被输送过。因此，用户复核的计算临界沉降速度只是作为参考。但如果地层中卵石的粒径较大时，应采用较高的流速。

3.2.2泥浆输送系统通过的粒径

   泥浆输送系统通过粒径的能力主要由管径、泵来确定。一般管道最大能够输送其管径2/3的卵石块，泵的通过粒径可以选择，当管道的直径为φ254mm时，泵的最大通过粒径可以达到220mm。泵的通过粒径应大于管径的2/3，避免石块在泵轮处卡住。

4结束语

   泥浆输送系统是泥水平衡盾构机重要的系统，该系统的功能、性能参数几乎是泥水盾构掘进进度指标的底线。主机性能参数达到某一指标并不表示盾构整机就能达到这一指标。主机性能参数是盾构用户非常关注的部分，但有时会忽略泥浆输送系统的选择。虽然主机达到最佳状态的不确定因素较多因而能力储备较大，相对来说泥浆输送系统问题少一些因而其能力储备少一些，经常在满负荷状态工作。但一旦选择不对，对地质的适应性不佳或能力太低，那么泥浆输送系统的问题反过来会成为盾构掘进的主要问题。

   泥浆输送系统选型中还有很多须考虑的地方，与欧洲机型还是日本机型、与刀盘、主机、后配套结构和布置及其他系统还有紧密的联系。盾构选型时应给予充分的关注。