高磨蚀复合地层泥水盾构排浆管路磨损分析与优化.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:王雪晨()男北京房山人工程师研究方向为盾构隧道施工(:.)通讯作者:刘泓志()男辽宁庄河人硕士工程师研究方向为盾构隧道施工(:.)基金项目:国家自然科学基金()高磨蚀复合地层泥水盾构排浆管路磨损分析与优化王雪晨 方应冉 李兴高 刘泓志(.北京市水务建设管理事务中心 北京 .北京交通大学 土木建筑工程学院 北京.中交隧道工程局有限公司 北京)摘 要:为解决泥水盾构环流管路的磨损问题以北京市某泥水盾构施工为背景对现场管路存在的典型问题进行分析 结果表明:()在砂卵石地层中弯头磨损速率约为 /环倾斜铺设的管路磨损速率约为./环小半径曲线段管路磨损率约为 /环直线段管路磨损率约为./环在全断面硬岩地层中管路磨损速率增大 倍()通过采用偏心耐磨弯头提前补焊耐磨钢板弯头替换弯头旋转 在役直管提前铺设备用管路等优化措施可有效解决管路磨损问题()冲蚀磨损仿真结果表明随着管路半径的增大磨损速率逐渐降低随着转弯角度的增大磨损速率逐渐变大实际工程中应控制管路转弯半径 为 倍内径 且转弯角度不宜超过 关键词:泥水盾构 排浆管路 冲蚀磨损 磨损速率 管路优化中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:()/././.()().第 期王雪晨等:高磨蚀复合地层泥水盾构排浆管路磨损分析与优化:泥水盾构泥浆循环系统主要由进浆泵、排浆泵、环流管路、控制闸阀、采石箱等设备组成是泥水盾构核心系统之一在开挖面维稳、渣土运输和隧道排污等方面具有重要作用 泥水盾构在大粒径砂卵石、全断面硬岩及断层破碎带等地层掘进时大粒径卵石、岩渣等在泥浆流场作用下在排浆管路中运移对排浆管路造成严重磨损尤其是弯头与管路对接处大大降低了排浆管路使用寿命为解决泥水盾构环流管路严重磨损的问题国内学者开展了大量研究 董伯让分析了泥水盾构在大粒径卵砾石地层中掘进时泥浆管路的磨损和振动产生原因并通过对排浆管采用偏心加厚设计、结合面整体铸造、冲刷面增加耐磨环以及管道连接处增加减震喉等方式对管路进行改进有效提高管路的使用寿命 王盟、唐琳琳等对重介选煤厂管路的磨损因素进行了分析认为运输速度、攻角和颗粒粒径等是影响管路磨损的主要原因 张慧君等以高压油煤浆输送管路为研究对象提出了一种耐磨性高的变形弯管 崔建等以京张高铁清华园隧道盾构段泥水平衡盾构为工程背景 对泥水平衡盾构泥浆输送参数进行统计分析并通过现场实测对输送管路磨损进行探讨 朱伟等分析了 个典型的长距离盾构隧道工程实例认为对管路冲刷面加厚处理、增加耐磨环等措施可显著提高管路的耐磨性能 孙善辉等建议对于直径 以上的大直径泥水盾构可在原有基础上新增 条备用排浆管路 夏鹏举等提出在弯头位置采用新型耐磨钢材以提高弯头寿命 叶忠改进了环流管路的采石箱装置通过直通管道自落式旁通采石箱有效解决了卵石粒径大导致的滞排和磨损问题 干聪豫等利用自主设计的室内渣浆磨蚀实验装置分析了泥水盾构管路材料在渣浆冲蚀下的磨损规律 在数值仿真方面杜晓超等通过 软件中的离散相模型()研究了液态铅铋合金()流体中颗粒物对管道壁面的冲蚀作用 董争亮等采用 数值模拟方法对石油运输管道冲蚀磨损进行了研究获得了颗粒直径、颗粒质量流率、流体速度、流体粘度、管道直径等因素对 弯管磨损的影响规律 黄子木等开展了一系列渣石冲击管路 仿真计算明确了泥浆参数和渣石粒径对管路磨损的影响综上所述尽管对于泥水盾构排浆管路的降磨已经提出了一定的措施但已有研究很少给出排浆管路在不同地层条件下的实际磨损速率且提出的管路降磨措施较为单一尚未从管路铺设的角度给出优化方法 本文以北京市南水北调团九二期某标复合地层泥水盾构施工为背景结合现场实测数据和数值仿真对泥水盾构排浆管路出现的典型问题进行了分析给出了砂卵石地层和全断面硬岩地层管路典型位置磨损速率并提出了相应的管路降磨优化措施 工程概况.工程简介北京市南水北调团九二期某标段区间单洞全长 区间采用 台开挖直径为.的泥水气压平衡式盾构施工盾构始发后自西南向东北方向掘进 大粒径砂卵石地层期间下穿京密引水渠随后掘进硬岩段 下穿并行京密引水渠最终掘进 全断面黏土地层后贯通 区间隧道最大纵坡坡度为 最大埋深.最小平面曲线半径 区间隧道纵剖面如图 所示?2#3#?848830333#63236K2+202688K2+890K2+905K3+050830145K3+880K3+91321?图 区间隧道纵剖面/该泥水盾构进浆管直径为 排浆管直径为 进浆流量为 /排浆流量为/所采用泥浆体比重为./左右马氏漏斗黏度为 不等.工程地质水文条件掘进区间砂卵石地层长度为 主要为上薄黏性土下卵石双层结构局部为圆砾夹砂层透镜体及粘性土薄层杂色湿 饱和多为密实上部局部呈中密状一般粒径 如图 所示 勘探揭露最大粒径约 亚圆形掘进区间硬岩段地层长度共 隧洞围岩岩性以二叠系石英砂岩、砂岩为主夹泥质粉砂 土木工程与管理学报 年岩、棕红色砂岩、碳质泥岩、砾岩等全强风化 弱风化为主岩石强度差异大揭露岩石饱和抗压强度从 不等粒径分布广破碎的岩渣粒径从 不等如图 所示图 筛分旋流后的卵石(a)?(b)?图 硬岩地层典型地质探孔.环流管路铺设规划与面临的问题掘进区间全长 因本标段施工场地有限无法设置泥水处理设备及渣土场借用临标已贯通隧道 将管路铺设在既有隧道内最终通过约 的地面架空管路与筛分、压滤设备连接环流系统管路布置规划如图 所示本工程中的环流系统场地规划措施有效解决了场地布置问题至少将始发工期提前半年同时由于管路铺设距离长、渣石粒径大等原因排浆管路磨损异常严重 对盾构始发到掘进至 环过程中管路磨损情况进行了统计主要出现的问题有管路磨穿、橡胶垫磨穿等如图 所示问题出现的频率如表 所示?(300 m)?(1711 m)?(842 m)图 泥浆环流系统管路规划图 排浆管路磨穿图 密封橡胶圈击穿表 延长管路出现问题及频率次问题既有隧路本标段隧道泥水处理厂累计管路磨穿密封橡胶垫磨穿累计 由表 可知在大粒径岩渣冲击作用下管路磨穿、橡胶垫击穿发生的频率都很高在前 环掘进过程中累积磨穿 次平均每掘进.环就需要停机修补管路 泥水盾构管路磨损问题已经严重影响施工进度分析管路磨损速率提出合理的优化措施减少管路磨穿和管路更换频率对于提高工程效益具有重要意义 现场管路磨损分析与优化.排浆管路磨损实测数据分析由于大粒径卵石、岩渣都是在排浆管路中运移其磨损极为严重在此选取了排浆管路中 第 期王雪晨等:高磨蚀复合地层泥水盾构排浆管路磨损分析与优化直角弯头、倾斜管路、小半径曲线段管路、直线段管路等典型位置对盾构始发到掘进至 环过程中各点位进行磨损监测 监测过程中监测点管路由于磨穿被多次更换本文统计磨损量为多次更换管路后的累积磨损量现场监测如图 所示磨损监测结果如图 所示图 管壁磨损现场监测02004006008001000-80-60-40-200?mm/?901o?902?o601?o602?o?1?2?1?2?图 排浆管路典型位置磨损变化趋势由图 可知在 环推进过程中弯头磨损最为严重两测点磨损量均在 左右倾斜铺设管路次之总磨损量为 小半径曲线段管路总磨损量为 直线段磨损量最小约为 同时可以发现在 环前各测点磨损速率相对较小弯头磨损速率约为 /环倾斜铺设管路磨损率约为./环小半径曲线段管路磨损率约为/环直线段管路磨损率为./环 环后地层由砂卵石地层变为全断面硬岩地层各测点磨损速率变大 倍分析原因认为全断面硬岩地层破碎的岩渣尖角更为锋利对管路造成的磨损更加严重.管路磨损优化.采用新型耐磨弯头所有弯头均采用偏心加厚耐磨设计如图 所示 弯管外侧厚度 内侧厚度 从图 偏心耐磨弯头物理方面增强管路抗磨性能且尽量减少 弯头的使用用 弯头代替以减小岩渣与管路之间的冲击角从而降低磨损.弯头处提前补焊钢板根据现场统计的典型漏点位置可在管路磨穿前提前加焊一层耐磨钢板如图 所示 加焊后弯头外侧厚度变为 本项目采用的偏心加厚弯头再加焊耐磨钢板后可确保在全断面硬岩地层中掘进约 环左右图 提前补焊耐磨钢板.旋转直管 重复利用在对现场漏点统计中发现直管磨损只存在于管路下半侧上半侧几乎无磨损 因此为节约成本可对排浆直管翻转 重复利用.提前铺设备用管路根据现场监测的管路磨损速率合理估算管路使用寿命在管路损坏前及时铺设好备用管路如图 所示待管路磨损至无法使用时可快速更换至备用管路减少停机时间?图 提前铺设备用管路 土木工程与管理学报 年 基于 仿真的管路铺设优化.计算工况选取现场采用的管路几何形式较为单一管路几何形式对磨损的影响尚不可知通过对现场管路磨损情况进行调研发现以下两种形式的转向弯头磨损异常严重如图 所示(a)?-?(b)?-?图 两种磨损严重的典型转向弯头分析原因认为大粒径渣石在这两种形式的转向弯头处运移时存在剧烈冲击管路壁面的现象因此造成管路磨损极其严重 中的离散相()冲蚀磨损模型可对类似颗粒冲击管路壁面的工况进行较好的仿真分析?L1L2R?图 模型几何示意模型几何示意如图 所示其中管道直径 入口端 设定为 出口端 设定为 为分析不同转弯半径 和不同转弯角度 对两种转向弯头磨损速率的影响分别对 时 和 时 工况下的弯头磨损进行仿真分析.模型建立与网格划分考虑到仿真渣石粒径较大介于 之间运移过程主要集中在直管底部边界层网格划分过于细致将导致无法准确计算颗粒受力本文管道截面均采用粗网格进行划分且对弯头位置进行网格加密不同工况下六面体网格单元总数介于 之间典型模型网格划分结果如图 所示(a)?(b)?图 网格划分与加密.计算原理对 进行流场计算条件的设置全局求解器为绝对坐标系下的压力基稳态求解方法重力加速度为./通过改变重力方向即可对两种弯头进行求解 湍流模型为 模型边界层采用增强壁面函数模型进行计算离散相模型中开启两相耦合计算和 冲蚀磨损计算 冲蚀磨损计算式为:.()()().()式中:为靶材布氏硬度取 为颗粒速度 为颗粒与壁面之间冲击角度为颗粒形状系数锐角砂粒取值.半圆形粒取.完全圆形砂粒取.本文取 为靶材和颗粒属性决定的常数对于碳钢取.模型边界条件如表 所示离散相的体积分数通过设置质量流量进行控制依据现场工况取泥浆流速为./动力黏度为 比重为 /渣石质量流量为./粒径分布为由现场筛分粒径进行 拟合得到如图 所示表 模型边界条件设定区域命名边界类型颗粒接触条件管道入口速度入口逃逸管道出口自由出口捕捉管壁壁面边界反射壁面边界的反射模型为得到广泛应用的 和 反射模型分为法向恢复系数与切向恢复系数计算如式()所示:.()第 期王雪晨等:高磨蚀复合地层泥水盾构排浆管路磨损分析与优化02040608010012014016000.20.40.60.81.0?/mm?Rosin-Rammler?dy=exp-(/70)2.09x图 拟合粒径分布式中:为法向恢复系数为切向恢复系数为保证计算速度和精度选择 算法求解方法均为二阶迎风式将各参数残差均小于作为收敛判别标准.计算结果分析两种典型弯头在不同工况下的磨损云图如图 所示 由图 可知随着管路半径 的增大和转弯角度 的减小两种转向弯头最大磨损速率均呈现快速降低的趋势不同工况下最大磨损率变化趋势如图 所示由图 可知随着管路半径 的增大磨损速率逐渐降低且当 后磨损速率下降较为缓慢由图 可知随着转弯角度 的增大磨损速率逐渐变大且当 后磨损速率急速增大7.606.846.085.324.563.803.042.281.527.60010101010101010101010-33333333345.885.294.704.113.532.942.351.761.185.88010101010101010101010-33333333343.262.942.612.281.961.631.319.796.533.25010101010101010101010-33333334441.351.221.089.478.116.765.414.062.701.35010101010101010101010-33344444442.892.602.312.021.731.441.168.665.782.89010101010101010101010-44444445553.122.812.502.191.871.561.259.376.253.12010101010101010101010-44444445553.773.403.022.642.261.891.511.137.553.77010101010101010101010-3333333344(a)=90,=oR D(b)=90,=oRD2(c)=90,=oRD3(d)=90,=oRD4(e)=15oRD=2,(f)=30oRD=2,(g)=60oRD=2,图 不同工况条件下水平 向下转向弯头磨损云图4.203.783.362.942.522.101.681.268.394.20010101010101010101010-33333333443.843.453.072.692.301.921.531.157.673.84010101010101010101010-33333333443.022.722.412.111.811.511.219.056.043.02010101010101010101010-33333334443.012.712.412.111.811.511.219.046.033.01010101010101010101010-3333333444(a)=90,=oR D(b)=90,=oRD2(c)=90,=oRD3(d)=90,=oRD45.16 104.644.123.613.092.582.061.551.035.160-4101010101010101010-4444444452.081.871.661.451.251.048.306.234.152.08010101010101010101010-33333344443.513.162.812.452.101.751.401.057.013.51010101010101010101010-3333333344(e)=15oRD=2,(f)=30oRD=2,(g)=60oRD=2,图 不同工况条件下竖直 水平转向弯头磨损云图 土木工程与管理学报 年综合考虑管路铺设占用的空间和磨损速率实际工程中应控制管路转弯半径为 且转弯角度不宜超过 D2D3D4D00.0020.0040.0060.008?-?kg/m.s)2/()?-?图 最大磨损率随转弯半径变化趋势1530609000.0010.0020.0030.0040.0050.006?/()o?-?-?kg/m.s)2/()图 最大磨损率随转弯角度变化趋势 结 论本文以北京市南水北调团九二期某标复杂地层泥水盾构施工为背景对复杂地层条件下排浆管路磨损速率和降磨优化等问题进行了总结分析主要结论如下:()在砂卵石地层中弯头磨损速率约为/环倾斜铺设的管路磨损速率约为./环小半径曲线段管路磨损率约为/环直线段管路磨损率约为./环地层由砂卵石地层变为全断面硬岩地层后由于破碎的岩渣尖角更为锋利管路磨损速率增大 倍()通过采用偏心耐磨加厚弯头弯头位置提前补焊钢板弯头替代 直角弯头旋转直管 重复利用和提前铺设备用管路等管路优化措施可有效降低管路磨穿次数提高掘进效率()由 冲蚀磨损仿真结果可知对于本文两种磨损严重的典型弯头随着管路半径的增大磨损速率逐渐降低随着转弯角度的增大磨损速率逐渐变大 实际工程中应控制管路转弯半径为 且转弯角度不宜超过 参考文献 霍 滨 徐朝辉 胡相龙 等.砂卵石地层泥水盾构施工技术难点及控制措施分析 以兰州地铁穿黄隧道工程为例.隧道建设(中英文)():.黄 波 李晓龙 陈长江.大直径泥水盾构复杂地层长距离掘进过程中的泥浆管路磨损研究.隧道建设 ():.董伯让.泥水盾构泥浆管路磨损与减振处理技术.隧道建设 ():.王 盟 唐琳琳.选煤厂重介管路耐磨材料简介及选用.煤质技术():.张慧君 董俊华 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