盾构掘进泥浆控制文档格式.docx

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然而，要形成泥膜必须满足下列四项基本条件。

（l）泥水最大粒径——泥水最大颗粒粒径对泥膜形成的效果有很大影响。

根据土层渗透系数K的不同要求，泥水最大颗粒粒径亦不同，它们之间必需相互匹配，其关系见表。

泥水最大粒径与K值关系参考表

土层名称

地层渗透系数K（cm/s）

泥水最大粒径（mm）

粗砂

1～9×

101

0.84～2

中砂

100

0.42～0.84

细砂

10-1～-2

0.074～0.42

粉砂

10-3

＜0.074

（2）颗粒级配——颗粒级配对泥膜形成具有很大的影响，最佳的泥水颗粒粒径分布形式必须通过大量实验来确定。

（3）泥水浓度——泥水浓度提高能使泥水屈服值升高，同时能使泥膜稳定性增强。

试验证明高密度的泥水可以产生高质量的泥膜。

（4）泥水压力——虽然渗透体积随泥水压力上升而上升，但它的增加量远小于压力的增加量，而增加泥水压力将提高作用于开挖面的有效支承压力。

因此，开挖面处于高质量泥水条件下，增加泥水压力会提高开挖面的稳定性。

1.2.3掘进速度与泥膜的关系

泥水加压式盾构处于正常掘进状态时，刀头并不直接切削土体，而是对刀盘正前方的泥膜进行切削。

在切削后的一瞬间，又形成了下一层泥膜。

由于盾构机的刀盘转速是一定值，而且盾构机推进速度最大能力又受到一定限制，因此掘进速度只和切入土体的深度有关，而和泥膜无关。

但是当泥水加压式盾构在不正常掘进状态时，特别当泥水质量和切口水压达不到设计要求时，泥膜需经过较长时间才能形成，这样就约束了掘进速度。

高质量泥水形成泥膜的时间为1～2秒。

转速为2.6转/秒

1.3掘削面稳定性研究

1.3.1开挖面稳定的判断方法

泥水加压式盾构在掘迸过程中，泥水不断循环，开挖面的泥膜因受刀盘的切削而处在形成→破坏→形成的过程中。

由于地层的变化等因素，开挖面的平衡是相对的。

为保持开挖面的稳定，在泥水加压式盾构掘进施工中开挖面稳定就成为最重要的管理项目之一，它直接影响着隧道施工质量。

合理地进行泥水管理、切口水压管理和同步注浆管理，控制每环掘削量是开挖面稳定的必要保证。

由于泥水加压式盾构在掘进过程中，开挖面充满泥水，泥水室前侧是切削刀盘，后侧是密封隔墙，四周是盾构壳体，施工操作人员是不可能用肉眼直接观察到开挖面稳定状况。

为此，通常采用下述方法对开挖面的稳定状况进行判断。

（1）土砂量掘削控制

根据地质情况进行理论性的每环掘削量土砂计算所求得的理论掘削量将作为控制每环实际掘削土砂量的大致目标。

1）实际掘削土砂量

实际掘削土砂量是通过中央控制室的掘进管理系统，直接显示在计算机屏幕上，它能较真实的反映实际掘削过程中的掘削土砂量。

但由于设置在泥水输送管路系统中用以测定泥水密度和泥水流量的密度计、流量仪等仪器的误差，使实际掘削土砂量因测量精度而产生误差。

为了将系统误差缩小到最低度（控制在测量仪表正常精度范围内），需在旁路运转时，定期检查校正设备。

2）实际掘削土砂量W'

（干砂量）与偏差流量△q的关系

偏差流量△q瞬时计算式:

△q=Q1一（A·

Vs十Q0）

式中:

△q一偏差流量（m3/min）

A一盾构刀盘面积（m2）

VS一推进速度（m/min）

Q0一进泥流量（m3/min）

Q1一排泥流量（m3/min）

上式变换可得到排泥流量计算式:

Q1=（A·

VS+QO）十△q

由此可见，实际掘削量W'

（干砂量）与偏差流量轴的关系，偏差流量为正值时，盾构处于“超挖”状态，干砂量比标准值大;

偏差流量为负值时，盾构处于“溢水”状态，干砂量比标准值小。

3）掘削量的判断方法

每掘进50～100环后，统计10～50环泥水质量较好、每环掘进盾构切口上方地面沉降量较小的掘削量，并将统计值输入计算机。

在掘进过程中，动态观测本环掘削量曲线与统计曲线的变化情况。

当发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、粘度和切口水压。

此外，也可以利用探测装置，调查土体坍塌情况，在查明原因后应及时调整有关参数，确保开挖面稳定。

（2）溢水量检查

泥水质量的好坏将直接影响泥膜形成的时间和开挖面的稳定。

溢水量是测定泥水浆液质量的一个较好的方法。

当掘削停止时，中央控制室观测单位时间内的累计值，如果泥水溢水量大于己6.2A（l/㎡·

A），A为掘削断面积（㎡），则应检查泥水质量和管路系统泥浆情况。

（3）利用探测装置进行土体崩塌检查

为保证开挖面稳定，有必要利用安装在盾构顶部的探测装置定期进行检查，判断盾构前上方的上体有无松动。

一般要求每天进行2～3次的检查，并做好探测记录。

如发现土体有可能崩塌时，应首先对探测结果进行综合分析，并适当增加泥水密度和进行泥水循环。

（4）地表沉降与信息反馈

地表沉降也是反映盾构正面稳定的一个方面。

因此需在盾构掘进沿途布置沉降测点，跟踪测量因盾构掘进而引起的地表沉降情况。

一般每天需对盾构前10～20m、盾构后30～50m轴线区域内的各沉降点进行监测。

同时，也应对30～50n，以后的各点进行定期测量，直至沉降稳定为止。

开挖面不稳定而产生的地表沉降往往发生在盾构切口前方，这时应检查泥水质量及切口水压。

当盾构后方发生较大沉降时，多数是由于同步注浆不足所致，这时应提高同步注浆率，改善注浆效果。

（5）开挖面水压信号检查

在检查开挖面水压时，应注意检查开挖面水压信号传感器，有时会因为管路堵塞而影响正常采集数据。

1.3.2开挖面稳定计算

泥水加压式盾构由于是依靠泥水来达到开挖面隐定，以流体输送土砂为特色，并且开挖面经常充满受到水压和比重等控制的泥水，所以必须考虑在密闭加压状态下，由泥水产生的开挖面稳定压力。

泥水加压盾构施工时开挖面是垂直直立着的土壁，刀盘不断对其切削，不断出现新的开挖面。

此外，泥水是循环的流体，具有流动的动态性质。

在这些方面，它和地下连续墙的保护面处于静态的泥水状况是不一样的。

一般泥水盾构工法是将泥壁（泥浆护壁薄膜）作为媒体，由泥水压力来平衡土体压力，对泥水不作任何调整是很难适用的（优良的泥壁是在一分钟内生成厚度达lmm左右）。

然而在刀盘切削时，当泥壁尚未形成以前，泥水仍然会不断地渗透列土体中，这种渗透壁较原有土体良好。

泥水加压盾构对开挖面的稳定是由于:

1）良好的泥水在受到加压后所产生的流休力学和土力学上的力;

2）大刀盘产生的机械推压等力。

由于这些受力情况是随土质、地下水情况以及特性的不同而有很大差异，所以就经常采用泥水加压盾构施工地层的稳定进行试验。

1.4.泥浆循环控制

1.4.1泥水压力调节

泥水盾构机，其掘进操作的一个关键部分是泥水循环操作，泥水循环的控制，有几个因素的控制是至关重要的，其中包括盾构机的泥水进排泥浆管循环流量、泥浆泵进出口压力、泥水仓压力、泥水仓液位等，具体对泥水系统的操作叙述如下：

（1）气垫仓压力的设定

泥水加压平衡盾构是用泥水仓压力来平衡地层水土压力，而泥水仓压力是依靠气垫仓的压力提供，所以气垫仓的压力设定直接关系到土仓压力的大小，也关系到工作面的稳定，所以气垫仓压力的设定尤为重要。

压力设定的大小，可以根据所处位置的地质和埋深进行计算。

更为直接的方法是将盾构停止，气垫仓压力升高，直至升高到一个稳定值，此时，盾构掘进的气垫仓压力设定值可参照该稳定的压力值并比该值高0.2～0.5bar。

气垫仓压力的设定是通过盾构上的启动的压缩空气自动调节系统完成，一旦设定，掘进过程中不再变化。

当地层水压力变化后再重新设定气垫仓压力。

（2）气垫仓液位的控制

为保证气垫仓内足够的空气，并确保空气形成密闭的气垫仓，对气垫仓内的泥水液位进行控制。

气垫内泥水液位测量有两种方式，一种是液位高度测量（能准确测量液位高度），一种是点位测量（整个盾构高度方向分为五个点，能显示液位在哪两个点位之间）。

操作时，通过调节进出浆液的流量，控制气垫仓的液位保持在中间位置。

该位置高于隔板底部的连通口和出碴口。

（3）泥浆流量和泥浆泵压力的控制

1）泥浆流量的控制主要考虑以下几个方面的因素：

首先，泥浆流量要保证泥浆管内流速大于沉淀临界流速。

其次，为了得到更快的推进速度并控制排浆比重。

盾构配套的泥浆泵的流速调节是无级调速的，能够满足在能力范围内任意需要的流量。

2）泥浆泵压力的控制：

为了得到盾构掘进相匹配的泥浆流量，泥浆泵需要一定的泵出口压力。

泥浆沿程损失越大，需要泥浆泵的泵出压力越大。

1.4.2泥水循环控制

（1）泥水平衡盾构机泥浆循环操作介绍

泥浆循环系统是由5个循环回路组成，通过5个循环回路的操作达到泥浆循环。

泥浆循环系统包括2个进浆泵（P1.1、P1.2）、3个排浆泵（P2.1、P2.2、P2.3）、52个气动阀和相应的泥浆管路组成。

盾构开始推进前必须有一个畅通的回路，一般选大循环开挖模式；

检查其余回路是否畅通。

泥浆循环系统如图所示。

1）盾构机开挖：

掘进开始时：

首先启动进浆泵、排浆泵（施工中将根据掘进里程选择需要开启的进、排浆泵的个数），将泵的转速调到最小，关闭V30、V32、打开V31、V50、V51、循环第一个旁通回路，将P1.1、P2.3泵转速逐渐调大，循环几分钟后，将V32打开，将泥浆仓的液位抽到约中间位置，打开碎石机，然后依次打开（V11、V12、V17、V20、V21、V3、V4、V7）最后关闭V31，同时随时调节泵的转速，开始推进，保持液位在中间位置，达到掘进状态。

2）旁通模式泥浆循环：

掘进完成时：

首先打开V31旁通回路，依次关闭（V11、V12、V17、V20、V21、V3、V4、V7）逐渐调小泵速至零，关闭V30，V32，最后关闭V31。

最后关闭所有的泵。

这个模式是待机模式，特别是用于安装管片时的情况。

3）隔离模式泥浆循环：

这个模式使隧洞里的泥浆管道系统与地面系统处于完全隔离的状态，设在地面的分离厂和调浆池之间的回路仍保持连通，这种模式常用于隧洞泥浆管道延伸时的情况。

各排泥泵停止运转，送泥泵P1.1仍保持运行。

4）停机模式泥浆循环：

在停机模式下，所有送排泥泵都停止运转，掌子面压力由压缩空气回路来控制。

当气垫室泥浆的液面高程低于预定的低限时，便进行自动校正。

5）逆行模式泥浆循环：

这个模式使开挖室里的泥浆逆向流动。

仅用于一些特别的情况，特别是用于清理排碴管道的堵塞。

平衡仓中7个液位灯，颜色依次为红、黄、绿、绿、绿、黄、红.当上面红灯亮的时候P1.1泵不能启动，当黄灯亮的时候.P1.1可启动但V30、V3、V4、V1、V5气动阀打不开，这说明液位太高，可参照液位表。

如果第一个绿灯亮了，已经到了安全位置，可打开V3、V1、V30即形成了回路3，液位表在±

1.0米以内，观察各压力表显示是否正常，到了第二个绿灯，一切正常，开始推进，一般刀盘向左转，即打开右边的V4，时间久了也打开V3（防止V3堵）；

到了第三个绿灯亮的时候，就要强行补充液位了。

（2）补充液位的方法

1）、打开P1.1往下输送足够泥浆；

2）、打开V4、V5气动阀使工作面的泥浆充足，观察进浆管的压力表和平衡仓的压力表数值，如很接近，应调大P1.1，不然内外压力平衡，容易堵住气动阀；

3）、调节P2.3、P2.1使排浆管的出浆量减少。

这三种方法都是可行的，根据现场情况灵活操作。

如果不小心是黄灯亮了，系统会自动出于保护模式，循环模式自动调到回路2，如黄灯熄了，应立即关掉V32迅速的切换到回路2，以免工作面液位抽空而使排浆管进空气，那样是比较危险的，轻则泥浆管的震动很大，重则是泥浆管由于压力突增而爆裂。

（3）气动阀的功能及作用

V61、V60、V62这组气动阀作用是以防泥浆管爆裂，更换泥浆管时使用。

如果泥浆管突然爆裂，应立即打开V61、V60、V62是形成回路1。

V3、V4气动阀作用是根据刀盘的转向而定的。

V1打开可以减低扭矩，V3是冲洗碎石机。

（4）泥浆泵的作用及泵口压力

P1.1进浆泵作用是往工作面输送泥浆；

根据液位等而调节其流量。

P2.1、P2.2排浆泵作用是将切削的碴土与泥浆的混合物进行隧道内水平输送。

P2.3排浆泵作用是直接把泥浆输送到泥水分离站处理。

（5）更换刀具时泥浆循环系统操作

1）、首先关掉进浆管最近的手动阀，启动P2.1、P2.3泵，打开V32气动阀抽水，当液位降低到第三个绿灯时，打通平衡仓和开挖仓的闸阀，泄压，控制P2.1、P2.3泵使刀盘的涌水和排水形成平衡，各压力表显示正常，即打开仓门，检查刀具的磨损量，确定更换刀具。

2）、当操作人员正在换刀当中，泥浆泵突然不工作时，应立即关掉V32气动阀按响警示号，操作人员及时出仓，关闭人员仓门，然后检查泥浆泵。

3）、当观察涌水可能大于120m3/h，可打开盾构中体底部的排水阀。

1.5泥水循环系统管理

1.5.1泥水循环系统概述

泥水循环系统是指由进浆泵将调配好的泥浆由管路送入盾构隧道泥水仓保持泥水压力平衡，同时，送入的泥水与刀盘切削下来的碴土混合后，由排浆泵通过管路输送到地面泥水分离站，泥水分离设备将泥水浆液中的碴土分离，分离掉的部分形成弃碴，剩余的泥水在通过制浆系统调配合格后又重复使用，这样形成了一个闭合的泥水循环系统。

泥水循环系统由以下几个关键的部分组成：

（1）泵送系统

泵送系统有泥浆泵和管路组成。

泥浆泵分为进浆泵和排浆泵，穿黄工程泥水循环系统，配套了3台排浆泵和2台进浆泵。

泥浆泵的配置要求是满足流量、扬程和通过颗粒的直径。

排浆泵功率为450KW，扬程为74m。

进浆泵2台，功率400KW，扬程为73m。

泥浆管直径选择DN350的螺旋焊管，连接方式为法兰连接。

进排泥浆泵的配置形式如下图所示。

（2）泥水分离站

泥水分离站是将带泥水中的碴土分离出来使分离后的泥浆能够重复使用的一套系统。

对应不同地质，分离设备的选型有所不同。

针对穿黄工程地层特点，粉细砂、粉质粘土含量高，所以对分离设备的分离方式和精度要求比较高。

我们采用了国内性能最优越的泥水分离设备即可达到分离效果。

（3）调浆系统

为得到高质量的泥浆，以利于盾构开挖工作面的稳定以及泥浆的输送，施工过程中需不断的制备浆液、调整浆液，使浆液能够尽可能多的循环利用。

在软土地层中，对于调浆系统要求较高。

调浆系统包括制浆设备、膨润土堆场、储浆池和调整池以及相关设备。

（4）辅助设施

辅助设施主要包括泥浆沉淀池。

沉淀池的作用是将未分离掉的小颗粒通过减缓流速，延长路径使其沉积，从而利于进浆性能指标的保证。

未分离掉的小颗粒随着不断沉积只会增加泥浆比重而对浆液的粘度影响很小，所以需定期对沉淀物进行清理。

1.5.2泥水循环系统的基本原理

泥水盾构的碴土输送方式为流体输送，碴土通过管道输送到地面，在地面进行处理以后，再将处理后的浆液送到盾构上循环使用，这个过程是泥水盾构的主要特征。

所以，作为地面上浆液处理的泥水分离设备，对于整个盾构施工显得也尤为重要，其工作的好坏也直接关系到盾构施工的成败。

（1）泥浆系统主要参数的确定

根据盾构机的结构和掘进性能参数，对应的配套泥浆循环系统是不同的，但是不同盾构机的相应选型是不同的。

结合穿黄工程所使用盾构机的情况，下面对泥水系统的所有系统进行理论分析和计算。

1）盾构掘进参数

泥浆流量的确定与盾构机的切削量、掘进速度、地层的比重和泥浆性能有关。

在盾构选型，有几个参数，对盾构机的性能至关重要，同时对于泥浆系统的配套也是至关重要，它们是盾构机最快掘进速度V和刀盘切削直径D。

这样有盾构最大掘进出碴量Qs：

Qs=3.14*（D2/4）*V

D为盾构刀盘开挖直径；

V为盾构最快掘进速度。

对于穿黄工程的盾构，D=9.03m，V=3.6m/h，所以Qs=230m3/h

2）浆液中泥浆和碴土体积比n值的确定

n值的确定如下式：

n=（ρs-ρm）/（ρm-ρb）

其中ρs为掘进地层固体比重；

ρm为掘进时排出污浆最大比重；

ρb为进入盾构机的膨润土浆液比重；

上式由污浆比重的计算公式：

ρm=（ρs-n*ρb）/（1+n）转化得来。

针对穿黄工程，ρs=2.6，ρm=1.35，ρb=1.1

根据公式得出n=5，也即每排出1m3的碴土，需要5m3的泥浆。

以上公式可以从：

Q排=Q进+Q掘；

M排=M进+M掘；

这两个等式中导出。

其中Q为流量，M为质量，进表示进浆，掘表示切削地层，排表示排浆。

3）泥浆流量的确定

排出污浆流量Qo的确定对泥浆泵的选型、泥浆管管径的选择，以及配套泥浆系统的所有参数的确定至关重要。

盾构排出污浆流量计算如下：

Qo=Qs*（1+n）

Qs为盾构掘进最快出碴量；

n为污浆中泥浆和碴土的体积比；

相应的进入盾构的膨润土浆液的流量为：

Qi=Qs*n

针对穿黄隧洞工程：

n=5，Qs=230m3/h；

穿黄隧洞工程盾构泥浆系统排浆流量Qo=1150m3/h；

4）泥浆管直径的选择

泥浆管直径的选择必须合理，泥浆管道选择太细，则泥浆延程阻力太大，对泥浆泵送元件的要求就高，不经济。

泥浆管道选择太粗，则管内流速太低，低于沉淀临界流速，碴土容易沉淀造成管道堵塞。

管内临界沉淀流速，由下列公式决定。

.

VL——临界沉淀流速m/s

D——管路直径m

γs——固体比重

g——重力加速度9.8m/s2

FL——常数（送泥侧0.7，排泥侧1.35）

γ——液体比重（送1.15，排1.35）

为保证管道直径选择的经济性，有：

QL=3.14*（D2/4）*VL*3600<

Q（Q为进浆或出浆流量）

带入公式，由此可以得出直径

D<

（4*Q/（3.14*FL*（2*g*（γs-γ）/γ）0.5））0.4

针对穿黄工程项目，盾构机排浆管D<

309mm，进浆管D<

354mm。

针对进排泥浆管的通用性，选择盾构进出泥浆管直径均为350mm。

同时计算排浆临界流速为VL=3.85m/s，临界流量为1045m3/h。

但是实际操作时，流量有时会低于该值，也不会出现堵管现象，这是因为，盾构机掘进速度不能达到6mm/min,因此此时的临界流速要低的多，所以也不会出现堵管现象。

（2）管路配置要求

泥浆管路材料的选择需满足压力和耐磨要求。

泥浆管路的连接方式、法兰和垫子的选择也要考虑泥水压力等要求。

1）铺设泥浆管路原则：

①、尽可能的减少泥浆管路延程阻力。

②、考虑管道正常磨损或集中磨损，特别是弯头处。

③、避免泥浆回路中的冲击现象。

2）管路铺设注意事项：

①、减少延程损失措施：

场地布置方案进行优化，尽量减少泥浆管拐弯的数量，以避免增加泥浆的延程损失。

在管路拐弯时，选择的弯头必须考虑选择大曲线半径的弯头，根据经验需要选择常规选择5R以上的弯头，这样一方面可以减少流体延程损失，另一方面降低弯头磨损速度。

②、减震的措施：

在盾构机掘进时，当隧道线路比较长时，整个泥浆管路的线路在流量变化时会出现一定的冲击现象，管路内最大压力突然迅速增大，通常的结果是软管爆裂。

为了减小这种冲击压力，可以在隧道内、竖井口、弯头处、泵的进出口等布置泥浆软管或减震器以减少震动。

③、减小磨损的措施：

泥浆输送过程中，输送管路的磨损比较频繁，特别对于石英砂含量高的地层，因为对某些部位的集中磨损，情况更加明显。

整个管路中，磨损比较严重主要在泥浆流向变化、流速变化的位置，主要表现在泥浆管的弯头、管道变径、分流管等位置，另外在泥浆管的底部的磨损相对顶部也严重。

针对这种情况，在弯头和变径选型上，选择壁厚更厚的型号。

另外对所有容易磨损位置的管道进行加厚处理。

在管道底部磨损严重时，采取的措施是将管道转动1800使用。

④、管道堵塞的措施：

由于泥浆管路输送的是容易沉淀的固体颗粒，所以容易产生管道堵塞情况。

对于针对这种情况，在掘进时确保管道流速不低于临界流速，在停泵之前，增加循环时间，避免管道内淤积太多固体颗粒。

对于泵的堵塞，有时是不能避免的，通常是在泵的前面管路上预留一个可以打开的开口，便于堵塞后清理。

竖井内的管道，在突然停泵时，容易堵塞，在底部设管道侧面开口，布置一个闸阀，以便于清理。

同时为了便于检查隧道管路堵塞或压力，可以在管道内布置一些压力表。

⑤、管路分流的措施：

管路分流时，需要考虑分流角度和分流后内流速。

管路分流容易出现分流后颗粒分流不均，即分流后一个管道内输送大颗粒一个管道输送小颗粒，这样容易造成大颗粒管道堵塞，同时分流后如果不考虑管道内的流速，分流后流速降低，低于管道内沉淀临界流速，也容易造成堵管。

所以分流时必须考虑分流角度对称，并确保分流后流速高于沉淀临界流速。

1.5.3泥水处理设备的选型及工作流程

泥水处理设备选型的主要依据是能够配套盾构掘进施工，并能适应掘进地质情况，所以对于泥水盾构施工，泥水分离设备的选型和设备性能，直接影响到工程的成败。

关于配套盾构施工的泥水处理设备，国内生产厂商起步晚，经验少，正处于发展阶段