3.2泥水加压和循环系统 - 图文

第三章 二、泥水加压和循环系统

泥水加压平衡盾构的特征之一是将泥水送往开挖面，通过对开挖面加压使其达到稳定，并用流体输送砂土。这一系统称为泥水加压、循环系统。在用高比重泥水来谋求开挖面稳定的泥水工法中，进一步考虑加压是泥水加压式盾构发展的技术进步。

泥水加压平衡盾构开始是用泥水来平衡水压和土压，并进一步研究了在松弛土层中加压，已能处理较广泛的土层。用加在密闭泥水中相同的压力值加压于开挖面，其压力关系见图49。

图49 开挖面压力关系图

泥水通过泥浆泵进行循环、加压、流体输送土砂，泥水分离后重新循环到开挖面。

用普通泥浆泵送入泥水并将掘削的土砂排放到地面，但也可以利用对该泵的操作进行开挖面加压。所用的泵有送泥泵和排泥泵(根据扬程、输送距离 决定使用台数)。对排泥泵应作出一定转数的规定(即规定流速)，对送泥泵应变化其转速，使其对开挖面进行加压。一般情况下，如果将储水槽设置在地面上，那 么从该位置起到开挖面的高程落差所产生的水压，即使不使用泵也可以对开挖面进行加压。因此，当考虑停泵以及故障的措施时，用高于地下水位2m的位置(等于

2

加压0.2kg/cm)，来防止因压力降低所引起的对开挖面的影响，但这一措施只在紧急时使用，对于自动控制要求，原则上使用送排泥泵。

使用管路进行泥水输送，若使用操作方便的轻量级管路，容易磨损，多数仍使用煤气钢管。

泥水加压和循环使用的泵，需要达到以下两个目的。 ①流体输送掘削出来的土砂(含砾石)； ②控制开挖面水压的稳定。

在泥水循环系统中，如输送的仅为砂、粉砂土、粘土，则可以认为是小土粒子在胶液中被悬浮后进行输送；如输送砾石，因砾石在管道内是边沉淀边沿管壁滑动，输送受到管径大小、泵的能力、泥水浓度等限制，所以仅能输送约50%管径的砾石。该系统的流程图见图50。

图50 泥水加压平衡盾构泥水循环系统

1泥水加压和循环系统设计

泥水加压和机械化系统的设计是考虑到在整个掘进中的最苛刻条件下进行输送加压而设计的。此外由于受到排泥泵能力的限制，故随掘进距离(输送距离)变长而要增设排泥泵数量。 (1)设计条件 ①参数设定

盾构掘进机外径D(m)； 最大输送距离L(m)； 竖井深度H(m)；

竖井到调整槽距离l1(m)； 竖井到处理场距离l2(m)； G.L到处理场输出口高度=h(m) 掘进速度VS(m/min)

开挖面水压控制范围 Pmin～Pmax(kg/cm2)

3

送泥水密度 γ1(kg/cm) 排泥水密度 γ2(kg/cm3)

最大砾径(mm)

②掘削断面积A(m2) A=

πD2(包括超挖部分)

③土体含泥率α(体积%) α=100-W′W′=含水率

④掘削土砂量G(m3/min) G=A×α×S

⑤送泥水浓度C1(体积%)

γ1由过滤试验、流变试验及其它因素决定。 (2)排泥管内临界流速的探讨

流入管路内泥水的流动式样因粒径、比重、流速而异。

若粒径、比重一旦变大，则在水平管内，由重力不同而产生管内上下部浓度差，形成不均质流动。若流速小，则会产生粒子沉淀。若高速运转，则粒子会因跃动而成为混流，接近均质流动。 杜朗德的临界沉淀流速公式：

式中：VL—临界沉淀流速(m/s2) FL—粒子浓度和粒径的常数 g—重力加速度=9.8(m/s2) D—管路直径(m) Gs—固体比重

γ—泥水密度(kg/m3)(送泥水) 排泥水时使用流速VZ VZ=1.2～1.25VL

(3)排泥管直径D2的决定

排泥管直径由排泥土最大砾径、泥水浓度等决定。通常，盾构掘进机直径和管路直径之间关系见图51。

图51 盾构掘进机直径和送排泥管直径之间关系

(4)排泥水密度γ2的探讨

3

①排泥水流量Q2(m/min)

②送泥水流量Q1(m3/min)

Q1=Q2-G

③排泥水浓度C2(体积%) 3

④排泥水密度γ2(kg/cm)

排泥水密度的使用范围在1.30～1.40左右。由于输送泥水密度超过1.40很困难，为了降低密度，就要增大管径，加大流量。 ⑤送泥水流速V1(m/s)

送泥泵为满足对开挖面加压所需的流量，常采用加大管径、减小流速以减少压力损失。一般与排泥水管径相同，或略大些。

式中：

V1—掘削时的送泥水流速(m/s) (5)压力损失与泵、电动机的选定 ①送泥管必要扬程H1(m) Hf1=L1×hf1 L1=L+H+l1+B

式中：

Hf1—送泥管损失水头(mm) L1—送泥管长(m)

hf1—相当于直径1m的摩擦损失水头(mm)

B—阀门、弯管接头、弯头管等相当于直管长(m)，见表15 λ1—摩擦系数，(λ1=

 )

V1—送泥水流速(m/s) g—重力加速度9.8(m/s2) D1—送泥水管直径(m) β1—泥浆系数(比重) C—管种系数100～120 由此得：

式中：

H—竖井深度(m)

相当于直管长(m) 表15

②排泥管必要扬程H2(m) Hf2=L2×hf2 L2=L+H+l2+B

式中：

Hf2—排泥水管损失水头(mm) L2—排泥水管长(m)

hf2—相当于1m直管的摩擦损失水头(mm) λ2 —摩擦系数

V2—排泥水流速(m/s) D2—排泥水管直径(m) B2—泥浆系数(比重) 排泥泵的必要扬程为

H2=Hf2+H+h-

③送排泥水泵的选定

用上述设定来选定适合的最经济的泵和电动机，见照片5、照片6，并由特性曲线表进行选定。但由于特性曲线表是清水时作出的，考虑因泥水浓度产生的扬程减少率后再做出选定。

H=y×H0 式中：

照片5 中间式排泥泵启动器

照片6 中间排泥泵

H—泥水必要扬程(H1，H2) H0—清水扬程 y—扬程减少率 Q2=x×Q0 式中：

Q2—泥水流量 Q0—清水流量 x—流量减少率

从上述条件中选定送泥泵P1，排泥泵P2，中继泵P3～N，并用以下公式求出满足Q2条件的台数来进行设置。

式中：

N—中继泵台数(台) HP2—P2泵扬程(m)

HPh—相当于一台中继泵的扬程(m) ④输送砾石

把砾石处理设备设置在盾构掘进机体外的后方时，需要加大至后方的管路直径，设置循环泵P0，因为从开挖面到砾石处理设备处的流速要加大。其临界沉淀流速可按下述杜朗德公式计算：

式中：

VL1—临界沉淀流速(m/s) FL—几乎为1.37；

g —重力加速度9.8(m/s2) D3—由砾径决定(m) G5—固体比重 γ1—送泥水比重 流量Q3(m3/min)为 Q3=

×(1.2～1.25VL1)

循环泵P0所需流量Q0为 Q0=Q3-Q2 式中：

Q0—P0泵流量(m3/min)

3

Q3—开挖面～砾石处理设备间流量(m/min) Q2—砾石处理设备以后的流量(m3/min)

用以上数值来选定P0泵。一般P0泵扬程为5～10m左右。 ⑤轴功率和电动机功率选定

选定符合各种泵的电动机时，由于各个厂商具有各自的特色，所以都不相同，但一般公式如下：

M′=1.25×M 式中：

M—轴功率(kW) γ—泥水密度

Q—泵流量(m3/min) H′—泵扬程(m) η0—泵效率 z—效率减少率

M′ 电动机功率(kW)

一般P1、P2泵采用变速电动机 ⑥其它注意事项

· 叶轮片形状、片数 · 耐磨损性

· 掘进速度、土砂量和管径

· 当开挖面压力变动时，泵能瞬时应变 · 水冷式电动机(或空气冷却)

2泥水输送设备规格计算实例 (1)设计条件

①盾构掘进机外径 D：—5850mm ②掘削距离 L：—440m ③竖井深度 H：—21m ④从竖井到调整槽距离 l1：—60m ⑤从竖井到泥水处理场距离 l2：—60m ⑥从GL到输出口高度 h：—5m

⑦推进速度 Vs：—5cm/min

⑧开挖面水压控制范围 p：—0.7～2.3kg/cm2 ⑨送泥水侧的液体规格 · 液体种类泥水

· 固体物真比重 ρ1：2.7 · 液体比重 γ1：1.15 ⑩土质条件

· 真比重 ρ2：2.7

· 含水率 k：61.83(体积%)(含水比60%) (2)送泥流量Q1，排泥流量Q2的探讨 ①掘削断面积

② 土体的含泥率

α=100-k=38.17%(体积) ③ 掘削土砂量 G=A×

=26.9×0.05×0.3817=0.514m/min

3

④ 排泥侧体积浓度 C2=20%(体积)

⑤ 求Q1，Q2公式

⑥ C2=20%(体积)时 Q1=2.19m3/min Q2=3.53m3/min

⑦ 送泥流量Q1，排泥流量Q2以及排泥浓度C2的决定考虑到管内临界沉淀流速，由下列公式决定。

VL—临界沉淀流速m/s D—管路直径m

γS—[DW]固体比重 γ—液体比重

g—重力加速度9.8m/s2

FL—常数(送泥侧0.7，排泥侧1.35) Q1=3.2m3/min

3

Q2=4.55m/min C2=1.75%(体积)

(3)管径d与管内流速V的探讨 ①送泥管直径200A(8B) 内径d1=204.7mm ② 排泥管直径150A(6B)

内径d2=155.2mm ③ 送泥管内流速

④ 排泥管内流速

(4)管内摩擦损失水头hf的探讨(弯头管的管内摩擦损失水头为40m) ①送泥管内摩擦损失水头hf1

式中：

g重力加速度9.8m/s2；

C由管路种类而定的系数120；

β由粒子种类和浓度而定的系数1.15； ②排泥管内摩擦损失水头hf2

(5)泵的特性探讨 ①送泥管最大长度

L1=L+H+l1+h′=440+21+60+40=561m ② 排泥管最大长度

L2=L+H+l2+h+h′=440+21+60+5+40=566m ③ 开挖面泥水压控制范围 P=0.7～2.3kg/cm2 ④ 排泥泵特性的探讨

·排泥管内摩擦总损失水头 Hf2=hf2×L2=0.095×566=54m · 排泥侧泵的总扬程 TH2=Hf2+H+h-

=54+21+5- ≒75m

式中：

γ2—排泥侧液体比重，开挖面水压P的最小值 · 从竖井到泥水处理场的扬程 竖井深度H=21m

从GL到输出口高度h=5m 管路长H+l2+h=86m

管内摩擦损失水头Hfv=hf2×(H×l2+h)=8.17m 吸入扬程Hfv=0m

Hv=H+h+Hfv+Hgv=34.2m ·P2泵扬程

转速控制范围1100～135rpm P2泵规格

型号 SPL-160C 流量 Q2=4m3/min

(Q≒4.8m3

0/min) 扬程 H2=34.2m (H0=37m) 泥水比重 γ2=1.35 转速 1100rpm 轴功率 β2≒58kW

%×0.83≒52%

电动机功率 75kW ·末端泵扬程 同步转速750rpm 泵规格

型号 SPL-200 流量 Q2=4m3/min

(Q30=4.8m/min) 泥水比重 γ2=1.35 扬程 H2=24m (H0=27m) 转速 740rpm 轴功率 46kW 电动机功率 55kW ·中间泵扬程

同步转速 1000rpm 泵规格

型号 SPL-160C

流量 Q3

2=4.0m/min (Q0=4.8m3/min) 泥水比重 γ2=1.35 转速 985rpm 扬程 H2=25m

(H0=28m) 轴功率 43kW

η=63

电动机功率 55kW ⑤送泥泵特性的探讨

·排泥浓度C2=8.8%(体积)的场合 送泥水量Q2=4.0

送泥管摩擦总损失水头Hf1′=hf1′×L1=0.019×561≈11m 全扬程TH1=Hf1′-H+P/γ1=10m 泵规格

型号 SPL-200

流量 Q2=4.0m3/min (Q0=4.34m3/min) 扬程 H2=10m (H0=11m) 泥水比重 γ2=1.15 转速 490rpm 轴功率 13.4kW 电动机功率 37kW

表16 项 目 单 位 泥浆泵 P1 P2 P3 P4 1 泵 型 号 SPL-200 SPL-160C SPL－200 2 液体种类 泥 水 泥水（含土砂） 3 浓 度 %(体积) 8．8 20．6 %（重量） 20．7 41．2 4 液体比重 1．15 1．35 5 流 量 M3/min 4．0 4．0 6 扬 程 M 10 34．2 25 24 37 清水流量 M/min 4．34 4．8 8 清水扬程 M 11 37 28 27 9 转 速 Rpm 490 1．100 62 52 10 清水效率 % 61 63 62 52 11 泥浆效率 % 56 52 51 43 12 轴 功 率 KW 13．4 58 43 46 13 电 动 机 可变速 可变速 定速 定速 14 转速控制范围 R·p·m 850～85 1．100～985 740 120 15 电 源 V-Hz 400V－50Hz 16 转出功率 KW 37 75 55 55 17 极 率 P 6 4 6 8 18 驱动方式 V皮带 直接连接 直接连接 直接连接 3泥水输送系统分析计算

在地面上的泥水处理设备对分离土砂后的泥水经调节比重由调整槽过选后，经送泥泵送到盾构密封隔舱，其主要目的是根据同排泥泵之间的平衡来确保开挖面的稳定及系统的循环流量。

盾构中，送泥泵由P1-1、P1-2及PH泵所组成参见图52。

图52 泥水输送系统图

P1-1以变速马达控制转速，输送泥浆，P1-2以定速马达实现一定扬程的增加。 PH作为开挖面保护泵，同P1-1泵一样，把泥浆从调整槽吸入送泥管，通过旁通管道，送到盾构后方的台车，通过阀门CV的控制，使开挖面的水压保持一定的标准，这是设置PH泵的主要目的。此外PH泵是由变速马达控制，随着掘进距离的延伸，旋转数增加，以此保持开挖面稳定的水压。

挖掘的土砂同送泥泵送进的泥浆形成混合泥水，通过排泥泵从盾构的密封隔舱下部的排泥管导出，按照P2、P3…Pn的顺序，被各排泥泵送到地面上的泥水处理系统。排泥管内的流速要保持在不使泥浆沉淀的速度以上，这是非常重要的。而沉淀的界限又是由挖掘的土砂的平均粒径、排泥浓度以及排泥管内径决定的。因此，为了确保排泥流量，P2泵的作用是不可缺少的，但是，与其他中间泵是由定速马达带动这一点不同，P2泵是由变速马达控制的。 由送泥泵保持开挖面水压和排泥泵确保排泥流量，两者之间的平衡是由中心自动控制而确定的。

送排泥泵是泥水输送系统的主要设备，所选用的各个参数是否匹配，将直接影响到盾构的掘进效率。

对于泥水循环系统、泵技术参数的选用，简单分析如下。 (1)盾构泥水输送系统各参数配置的依据

①盾构外径 Ds： φ11220mm ②掘进距离 Lo： 1200m

③隧道坡度 0～600m上坡 3.5%(+21m)

600～1200m下坡 3.5%(-21m) ④掘进速度 Vs： 3.0cm/min ⑤土体比重 ρs： 2.7 土体含水量 W： 45%

⑥竖井深度 ht： 175m ⑦调整槽到竖井的距离L1： 500m ⑧处理场到竖井的距离L2： 500m ⑨地下水排水高程 hd： 10m

⑩开挖面水压 Pc(min)： 0.049MPa

Pc(max) 0.134MPa(到达点) (11)送泥比重 γ1 1.2

(12)送泥管径 D1 12″(0.3047m)一路管系 (13)排泥管径 D2 8″(0.2047m)二路管系 掘进距离与开挖面压力关系见图53。

图53 中间泵设置位置图

(2)各参数验算 ①掘削全量

②掘削土砂浓度

③掘削土砂量 ④送泥浓度

CV1= ×100(母液比重1.0)=×100=11.8%

⑤送泥流量Q1、排泥流量Q2、排泥浓度CV2及管径D1、D2的关系 Q2=Qo+Q1

·排泥流量

Q2=14m3/min=Q2′×2 Q2′=7m3/min/泵

·送泥流量

3

Q1=Q2-Qo=14-2.965=11.035m/min(掘削时) 排泥浓度CV2=18.8% ·排泥泥浆比重 γ2=1+

(ρs-1)=1+

(2.7-1)=1.82(视母液比重为1.0)

·排泥管内流速

·送泥管内流速

(3)泵的数据验算 ①排泥泵 ·排泥流量

33

Q2=7.0m/min×2=14m/min ·实际扬程

+hd+hl=17.5-

+10=21.89m

ha2=ht-

其中Ds/2为以水泵轴位于盾构的中心计 ·吸入口扬程(开挖面的最小压力)

·排放口末端扬程 hP2=0(暴露在大气中) ·管径D2=8″

·相当于直线管道长度

PL2=(Lo+L2+ha2)×1.1=(1200+500+21.89)×1.1=1894m 其中1.1为允许的装配误差10% ·管内流速V2=3.55m/s ·1m直管中摩擦损失的水头 Jm2=0.0641m/m

·管内摩擦损失水头

hf2=Jm2×PL2=0.0641×1894=121.4m ·全扬程

H2=ha2-ha3+hp2+hf2=21.89-3.73+0+121.4=39.6m ·泵扬程的减低率HR2=093 ·泵需要的扬程

Ht2=H2/HR2=139.6/0.93=150m(到达终点时)

·始发推进时泵需要的扬程

其中ha2-s=21.89m hs2=3.71m hp2=0m

Jm2=0.0641m/m

PL2-s=(L2+ha2-s)×1.1=(500+21.89)×1.1=574m ·排泥泵主要参数 P2泵×2台

型号：10-8SCEOV/L3VM(0.85DF)

3

流量：7m/min 转速：max 1150rpm 扬程：max 29m 轴功率：83kW

电动机：132kW×4P×380V×50Hz(空冷式可变速型) P3～P6泵×2台总计8台 型号：10-8S-G石泵-WARMAN

3

流量：7m/min 转速：710rpm 扬程：25m 轴功率：74kW

电动机：90kW×8P×380V×50Hz Pe泵×2台

型号：10-8S-G石泵-WARMAN 流量：7m3/min 转速：710/535rpm 扬程：25/13.5m 轴功率：74/31kW

电动机：90kW×6/8P×380V×50Hz ②送泥泵 ·送泥流量

Q1=11.035m3/min(掘进时)

14.0m3/min(旁路循环时)

以下各参数的验算是在旁路状态，流量为14.0m3/min的条件下进行的。 ·实际扬程

ha1=-(ht- )-hl=-(17.5- ·吸入扬程hl1=0m ·末端吐出口扬程

)=-11.89m

Pc(max)为到达开挖面的压力最大值 ·管径D1=12″

·相当于直线管道长度

PL1(12″)=(hs1-L1+L0)×1.1=(11.89+500+1200)×1.1=1883m ·管内流速V1(12″)=3.2m/s ·1m直管中摩擦损失水头Jm1 Jm1(12″)=0.0303m/m ·管内摩擦损失水头

hf1=Jm1(12″)×PL1(12″)=0.0303×1883=57.06m ·全扬程

H1=hs1-hl+hp1+hf1=-11.89-0+11.17+57.06=56.34m ·泵扬程的减低率HR1=0.98 ·泵需要的总扬程

Ht1=H1/HR1=56.34/0.98=57.5m(到达终点时) ·始发推进时泵需要的扬程

其中，ha1=-11.89m hs1=0m

hp1=4.08m

(推进时最小压力为0.49kg/cm2左右) hf1-s=Jm1(12″)×(hs1-s+L1)×1.1=17.06 ·送泥泵主要参数 P1-1泵

型号：12-10FSE06VM 流量：1, , 4.0m3/min 转速：max 760rpm 扬程：max 45.5m 轴功率：181.0kW

电动机：250kW×4P×380V×50Hz P1-2泵

型号：12-10G-G石泵-WARMAN 流量：14.0m3/min 转速：max 460rpm 扬程：max 15m 轴功率：65kW

电动机：90kW×8P×380V×50Hz (4)分析

①根据各泵扬程的叠加，送泥泵总扬程 HP1=hp1-1+hp1-2=45.5+15=60.5m＞57.5m ②排泥泵总扬程

HP2=hp2+hp3+…hpe=29+25×4+25=154m＞150m

从这一结论得出，泵配置的总扬程是可行的，但是从各泵的设置位置可以看出，P2→P3→P4→P5泵的总扬程必须要将泥水输送到P6泵(参照图53中间泵设置)，将P6泵位置作为泥水到达点，则： ③实际扬程ha2=11.89m ④ 吸入扬程hs2=3.71m ⑤相当直管长

PL2′=Lo+ha2=(1200+11.89)×1.1=1333m ⑥管内摩擦损失水头

hf2′=0.0641×1333=85.45m

⑦全扬程H2′=ha2-hs3+hf2′=11.89-3.71+85.45=93.63m ⑧泵需要的扬程

Ht2′=H2′/HR2=93.63/0.93=100.68m ⑨各泵叠加扬程

Hp2′=hp2+hp3+hp4+hp5=29+25+25+25=104m＞100.68m

由此可见，根据设计条件，泵总扬程的配备是正确的，但是注意到原计算依据与实际工况有差距，要保证参数的匹配满足实际工况的需要，还必须根据实际工况来加以分析。 (5)实际工况

首先，这台盾构泥水输送系统各参数配置的依据与实际工况存在以下不同，实际的工况应为：

掘进距离 Lo： 1310m 隧道坡度 0～584m下坡 3.1164%(+18.2)

584～1310m上坡 2.8471%(20.67m)

掘进速度 Vs： 4.6cm/min 调整槽到竖井的距离 L1： 380m 处理场到竖井的距离 L2： 370m 地下水排水高程 hd： 3.8m

开挖面水压 Pc(min) 0.0407MPa Pc(max) 0.1257MPa 掘进距离与开挖面压力关系见图54。

图54 掘进距离与开挖面压力关系图

(6)各参数复算

各依据参数的变化将带来以下参数的变化。 ①掘削全量

②掘削土砂量

③送泥流量

Q1=Q2-Qo=14-4.548=9.452m3/min ④排泥浓度

⑤排泥液比重

⑥送泥水管内流速

(7)泵的数据复算 ①排泥泵

·实际扬程 ha2=ht-+hd+hl=17.5-+3.8+(18.2-20.67)=13.22m

·吸入口扬程

·相当于直线管道长度

PL2=(Lo+L2+ha2)×1.14=(1310+370+13.22)×1.14=1930m (其中1.14为考虑实际的管路装配误差) ·管内摩擦损失水头

hf1=Jm2×PL2=0.0641×1930=123.7m ·全扬程

H2=ha2-hs2+hf2=13.22-2.94+123.7=133.98m ·泵需要的扬程

Ht2=Ht2/HR2=133.98/0.93=144m ②送泥泵 ·实际扬程

·末端吐出口扬程

·相当于直线管道长度

PL1=(ha1+L1+Lo)×1.14=(9.42+380+1310)×1.14=1937.34m ·管内摩擦损失水头

hf1=Jm1×PL1=0.0303×19, 37.34=58.7m ·全扬程

H1=ha1-hs1+hp1+hf1=-9.42-0+10.475+58.7=59.756m ·泵需要的总扬程

Hf1=H1/HR1=59.756/0.98=60.98m (8)再分析

根据复算结果： ①送泥泵总扬程

HP1=hp1-1+hp1-2=45.5+15=60.6m≈60.98m ②排泥泵总扬程

Hp2=hp2+hp3+…hpe=29+25×4+25=154m＞144m

由此可见，配备的泵总扬程能够满足实际工况的需要，将P6泵作为泥水送达点进行复算，则：

③实际扬程ha2=9.42m

④吸入扬程hs2=2.94m ⑤相当于直线管道长度

PL2=(L0+ha2)×1.14=(1310+9.42)×1.14=1504.14m ⑥管内摩擦损失水头

hf2′=0.0641×1504.14=96.415m ⑦全扬程

H2′=ha2-hs2+hf2′=9.42-2.94+96.415=102.9m ⑧泵需要的扬程

Ht2′=H2′/HR2=102.9/0.93=110.65m ⑨各泵叠加扬程

Hp2′=hp2+hp3+hp4+hp5=29+25+25+25=104m＜110.65m 结论：泵的位置设置不能满足实际工况的需要。 解决方法：

·调整泵的设置位置，将P6泵位置移到竖井下(注：P6泵及管路已安装结束)；

·增加中间泵组数量(注：必须购买新的泵组，同时将影响动力配备及控制系统)；

·控制盾构掘进速度，同时调整各泵的设置位置。 考虑到掘进速度将直接影响到排泥浓度、排泥泥浆比重及管内摩擦损失水头，因此通过控制盾构掘进速度来保证泥水输送扬程是可行的。同时，考虑到盾构进洞阶段可以放慢掘进速度，因此，各泵位置的设置要保证盾构掘进全程的速度而仅在进洞阶段放慢掘进速度。 (9)调整

各泵的位置设置取决于各泵的输送能力。

①P2泵隧道下坡输送距离Lp21(P5泵安装前)及Lp22(P5泵安装后)。 Lp21×1.14×0.0641+Lp21×3.1164%+ha2=hp2×HR2+hs2

②P2泵隧道上坡输送距离Lp23

Lp23×1.14×0.0641-Lp23×2.8471%=hp2×HR2+hs2 ③P5泵输送距离Lp5

Lp5×1.14×0.0641+Lp5×3.1164%+ha2=hp5×HR2

④P4泵输送距离Lp4

Lp4×1.14×0.0641+Lp4×3.1164%=hp4×HR2

⑤P3泵输送距离Lp3

因为：584-Lp5-Lp4=584-132.73-223.13=228.14＞223.13m 所以：Lp3=223.13m

由此可见，当P5泵设置在132m处，P4泵设置在355m处，P3泵设置在578m处时，泥水输送系统的扬程配置能够保证盾构推进里程在1248m以内达到掘进速度3cm/min。而在盾构进洞阶段必须放慢盾构掘进速度。 通过以上分析可以得出以下结论：

·本盾构泥水输送系统泵设计位置参数必须调整；

·若按以上参数布置泵的位置，则盾构平均掘进速度必须控制在3cm/min； ·盾构在最后进洞阶段必须放慢掘进速度以保证泥水输送系统的正常工作； ·根据泵的性能及配备的功率，在泵的特性曲线范围内，可适当调整泵的主要参数以提高泵的扬程，从而在保证泵的总扬程的条件下，尽可能地保证盾构的掘进速度。

4管材、伸缩管、阀门

泥水加压平衡盾构中使用的管材，要求具有良好的耐磨损性和光洁度，大部分场合使用煤气管。由于泥水中的土砂砾石成分是在摩擦管壁的过程中被输送的，因而不适合使用螺旋钢管等薄壁管材。

管路的连接和切断工作是在掘削停止时，通过旁通管来防止压力下降的同时进行连接和切断。由于需要水密性能好，所以多数选用KK接头。在一环 掘削中，随着盾构的掘进需要延长管路，为此使用伸缩管。伸缩管为二重管，每当掘进工作推进到5.5m的管子长度时，缩回伸缩管，连接新的管子。为了在连接 管路时继续保持对开挖面加压，设置了装有相同的伸缩旁通管，在切换流路后进行管路切断与连接工作。将橡胶管弯曲使用也可以取代伸缩管。在关闭和流量调节时 需要使用阀门，且大部分都使用自动阀控制。

5调整槽及其它槽类(箱)

从开挖面排送到地面的泥水，经一次处理和二次处理的土砂分离后，分成土砂和水。土砂运往弃土场，水则再次循环到开挖面。当泥水被送往开挖面 时，需要调整其比重和粘度指标。为此，进行临时储水，利用仪器量测后，投放新泥或调整剂(比重、粘度等)。此外还需要储存溶解和混合化学药品用槽，因此设 有调整槽、剩余泥水槽、有机和无机凝集剂槽、有机和无机溶解槽、混合凝集槽、过滤水接受槽、清水槽、粘土溶解槽、储泥槽、稀释槽、过滤水槽、CMC溶解槽 和比重调整器等，见照片7。

照片7 泥水处理设备的贮存罐类

, , 4.0m/min

转速：max 760rpm 扬程：max 45.5m 轴功率：181.0kW

电动机：250kW×4P×380V×50Hz P1-2泵

型号：12-10G-G石泵-WARMAN 流量：14.0m3/min 转速：max 460rpm 扬程：max 15m 轴功率：65kW

电动机：90kW×8P×380V×50Hz (4)分析

①根据各泵扬程的叠加，送泥泵总扬程 HP1=hp1-1+hp1-2=45.5+15=60.5m＞57.5m ②排泥泵总扬程

HP2=hp2+hp3+…hpe=29+25×4+25=154m＞150m

从这一结论得出，泵配置的总扬程是可行的，但是从各泵的设置位置可以看出，P2→P3→P4→P5泵的总扬程必须要将泥水输送到P6泵(参照图53中间泵设置)，将P6泵位置作为泥水到达点，则： ③实际扬程ha2=11.89m ④ 吸入扬程hs2=3.71m ⑤相当直管长

PL2′=Lo+ha2=(1200+11.89)×1.1=1333m ⑥管内摩擦损失水头

hf2′=0.0641×1333=85.45m

⑦全扬程H2′=ha2-hs3+hf2′=11.89-3.71+85.45=93.63m ⑧泵需要的扬程

Ht2′=H2′/HR2=93.63/0.93=100.68m ⑨各泵叠加扬程

Hp2′=hp2+hp3+hp4+hp5=29+25+25+25=104m＞100.68m

由此可见，根据设计条件，泵总扬程的配备是正确的，但是注意到原计算依据与实际工况有差距，要保证参数的匹配满足实际工况的需要，还必须根据实际工况来加以分析。 (5)实际工况

首先，这台盾构泥水输送系统各参数配置的依据与实际工况存在以下不同，实际的工况应为：

掘进距离 Lo： 1310m 隧道坡度 0～584m下坡 3.1164%(+18.2)

584～1310m上坡 2.8471%(20.67m)

掘进速度 Vs： 4.6cm/min

3

调整槽到竖井的距离 L1： 380m 处理场到竖井的距离 L2： 370m 地下水排水高程 hd： 3.8m

开挖面水压 Pc(min) 0.0407MPa Pc(max) 0.1257MPa 掘进距离与开挖面压力关系见图54。

图54 掘进距离与开挖面压力关系图

(6)各参数复算

各依据参数的变化将带来以下参数的变化。 ①掘削全量

②掘削土砂量

③送泥流量

Q1=Q2-Qo=14-4.548=9.452m3/min ④排泥浓度

⑤排泥液比重

⑥送泥水管内流速

(7)泵的数据复算 ①排泥泵 ·实际扬程

+hd+hl=17.5-

ha2=ht-+3.8+(18.2-20.67)=13.22m

·吸入口扬程

·相当于直线管道长度

PL2=(Lo+L2+ha2)×1.14=(1310+370+13.22)×1.14=1930m (其中1.14为考虑实际的管路装配误差) ·管内摩擦损失水头

hf1=Jm2×PL2=0.0641×1930=123.7m ·全扬程

H2=ha2-hs2+hf2=13.22-2.94+123.7=133.98m ·泵需要的扬程

Ht2=Ht2/HR2=133.98/0.93=144m ②送泥泵 ·实际扬程

·末端吐出口扬程

·相当于直线管道长度

PL1=(ha1+L1+Lo)×1.14=(9.42+380+1310)×1.14=1937.34m ·管内摩擦损失水头

hf1=Jm1×PL1=0.0303×19, 37.34=58.7m ·全扬程

H1=ha1-hs1+hp1+hf1=-9.42-0+10.475+58.7=59.756m ·泵需要的总扬程

Hf1=H1/HR1=59.756/0.98=60.98m (8)再分析

根据复算结果：

①送泥泵总扬程

HP1=hp1-1+hp1-2=45.5+15=60.6m≈60.98m ②排泥泵总扬程

Hp2=hp2+hp3+…hpe=29+25×4+25=154m＞144m

由此可见，配备的泵总扬程能够满足实际工况的需要，将P6泵作为泥水送达点进行复算，则：

③实际扬程ha2=9.42m ④吸入扬程hs2=2.94m ⑤相当于直线管道长度

PL2=(L0+ha2)×1.14=(1310+9.42)×1.14=1504.14m ⑥管内摩擦损失水头

hf2′=0.0641×1504.14=96.415m ⑦全扬程

H2′=ha2-hs2+hf2′=9.42-2.94+96.415=102.9m ⑧泵需要的扬程

Ht2′=H2′/HR2=102.9/0.93=110.65m ⑨各泵叠加扬程

Hp2′=hp2+hp3+hp4+hp5=29+25+25+25=104m＜110.65m 结论：泵的位置设置不能满足实际工况的需要。 解决方法：

·调整泵的设置位置，将P6泵位置移到竖井下(注：P6泵及管路已安装结束)；

·增加中间泵组数量(注：必须购买新的泵组，同时将影响动力配备及控制系统)；

·控制盾构掘进速度，同时调整各泵的设置位置。 考虑到掘进速度将直接影响到排泥浓度、排泥泥浆比重及管内摩擦损失水头，因此通过控制盾构掘进速度来保证泥水输送扬程是可行的。同时，考虑到盾构进洞阶段可以放慢掘进速度，因此，各泵位置的设置要保证盾构掘进全程的速度而仅在进洞阶段放慢掘进速度。 (9)调整

各泵的位置设置取决于各泵的输送能力。

①P2泵隧道下坡输送距离Lp21(P5泵安装前)及Lp22(P5泵安装后)。 Lp21×1.14×0.0641+Lp21×3.1164%+ha2=hp2×HR2+hs2

②P2泵隧道上坡输送距离Lp23

Lp23×1.14×0.0641-Lp23×2.8471%=hp2×HR2+hs2 ③P5泵输送距离Lp5

Lp5×1.14×0.0641+Lp5×3.1164%+ha2=hp5×HR2

④P4泵输送距离Lp4

Lp4×1.14×0.0641+Lp4×3.1164%=hp4×HR2

⑤P3泵输送距离Lp3

因为：584-Lp5-Lp4=584-132.73-223.13=228.14＞223.13m 所以：Lp3=223.13m

由此可见，当P5泵设置在132m处，P4泵设置在355m处，P3泵设置在578m处时，泥水输送系统的扬程配置能够保证盾构推进里程在1248m以内达到掘进速度3cm/min。而在盾构进洞阶段必须放慢盾构掘进速度。 通过以上分析可以得出以下结论：

·本盾构泥水输送系统泵设计位置参数必须调整；

·若按以上参数布置泵的位置，则盾构平均掘进速度必须控制在3cm/min； ·盾构在最后进洞阶段必须放慢掘进速度以保证泥水输送系统的正常工作； ·根据泵的性能及配备的功率，在泵的特性曲线范围内，可适当调整泵的主要参数以提高泵的扬程，从而在保证泵的总扬程的条件下，尽可能地保证盾构的掘进速度。

4管材、伸缩管、阀门

泥水加压平衡盾构中使用的管材，要求具有良好的耐磨损性和光洁度，大部分场合使用煤气管。由于泥水中的土砂砾石成分是在摩擦管壁的过程中被输送的，因而不适合使用螺旋钢管等薄壁管材。

管路的连接和切断工作是在掘削停止时，通过旁通管来防止压力下降的同时进行连接和切断。由于需要水密性能好，所以多数选用KK接头。在一环 掘削中，随着盾构的掘进需要延长管路，为此使用伸缩管。伸缩管为二重管，每当掘进工作推进到5.5m的管子长度时，缩回伸缩管，连接新的管子。为了在连接 管路时继续保持对开挖面加压，设置了装有相同的伸缩旁通管，在切换流路后进行管路切断与连接工作。将橡胶管弯曲使用也可以取代伸缩管。在关闭和流量调节时 需要使用阀门，且大部分都使用自动阀控制。

5调整槽及其它槽类(箱)

从开挖面排送到地面的泥水，经一次处理和二次处理的土砂分离后，分成土砂和水。土砂运往弃土场，水则再次循环到开挖面。当泥水被送往开挖面 时，需要调整其比重和粘度指标。为此，进行临时储水，利用仪器量测后，投放新泥或调整剂(比重、粘度等)。此外还需要储存溶解和混合化学药品用槽，因此设 有调整槽、剩余泥水槽、有机和无机凝集剂槽、有机和无机溶解槽、混合凝集槽、过滤水接受槽、清水槽、粘土溶解槽、储泥槽、稀释槽、过滤水槽、CMC溶解槽 和比重调整器等，见照片7。

照片7 泥水处理设备的贮存罐类

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