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土压式顶管的泥水输送方式

采用水力运输法时，需将废土倾入水中，然后连同水一起被抽吸出去。在这种情况下，水便是运输手段，或者也可叫作载土流体。因此，水力运输并非所谓的水力挖掘，后者是指通过喷射水流将泥土从工作面前壁上冲刷下来的一种掘进方法。
   下图显示了一个水力运输系统的工作原理。电动机驱动的输送泵位于整个系统的中心点。废土可用人工方式或人工与传送带相结合的方式投入水槽，也可以完全用机器来投人水槽，输送泵应由输送泵提供的输送量，可作为输送管道截面与输送流速的乘积算出。
    管道中的流速必须大到足以带动泥砂前进而不致发生沉积。一般这一条件获得满足的前提是：
       2＜V＜4[ 米／秒]

更大的流速不仅没有必要，甚至是有害的，因为管道中的阻力将随速度的平方而增大。并且管道的磨损也将按照一个尚未查明的规律随速度的提高而显著地加剧起来。
    管道阻力的增大，就要提高输送泵的功率，从而增高能源费用。管道磨损的加剧也将导致折旧费的提高，而且有时造成管道在顶管施工中损坏，以致不得不停止推顶，以便更换管道。
    输送管道的截面大小，决定于土壤的粒度。首先应该在倾上水槽上设置一个筛网，以筛出较大的石块。此外，由于筛出的石块等需用人工运出，故而筛号的选择，应以最大标准颗粒尚能被流水运送出去为度。作为基准值，输送管道的内径可规定为；
                5·d最大颗粒＜D内管道＜8·d最大颗粒
    由此可算出应由输送泵提供的输送量为：
               Q泵 =[（D2内·π）/4] ·V [升/秒]，
式中D内。以分米为单位，V以分米／秒为单位。
    作为设计输送管道的另一个标准，是要求达到预期的运输效率，显而易见，向作为运输手段的水中倾倒废土的数量是有一定限度的。这一限度则取决于土壤的粒度。作为极限数值，可以假定如下的比率：
                  废土/水≤1/5至1/10，

    如果所要求的泵送量固定不变，即可算出应能达到的扬程为：
              H总= H位＋H管阻十H型阻＋H动。
式中H。——位差压头，沉淀水槽水位与倾土水槽水位之间的高      度差；
    H管阻——管道阻力，取决于流速和管道长度；
    H型阻——型件阻力，为各型件中取决于流速的阻力之和；
    H动——动压头，取决于流速。
    因此，只有位差压头是一个固定不变的数值，而管道阻力、型件阻力以及动压头皆取决于流速。H管阻、H型阻和H动都随流速平方而上升。所以，根本不可能规定出一个固定不变的管道阻力。这一阻力通常只能作为流速或流量的函数而表现为一条二次曲线。这便是所谓的管道特性曲线。
    此外，随着顶管施工的进展，输送管道的长度不断地改变着因而管道阻力也随推顶长度的增大而上升。管道阻力的上升与管道长度成正比。与此相应。管道特性曲线也会发生变化，这就是说，对应于每一顶进长度，都有一条具体的管道特性曲线。由于推顶是一个连续进展的过程，所以从理论上来说，在推顶长度的上下极限值之间，即零与最后达到的长度之间，存在着无限多的特性曲线。然而在实际应用中，画出两个极限值以及若干个中间值的特性曲线也就够了。
    不仅每条管道都有既定的特性曲线，而且对每一台输送泵来说，各自也有着若干相应的特性曲线，用以表示输送量与扬程之间（Q—H）、输送量与效率之间（Q一ŋ）以及输送量与功率消耗之间（Q—N）的相互关系。泵特性曲线的重要
特点在于，一方面各自一条Q—H曲线、一条Q一ŋ，曲线和一条Q—N曲线互相配合，而另方面互相配合的Q—H、Q一ŋ和Q—H曲线则又只相应于一个既定的转数n。一旦转数改变，三条互相配合的泵特性曲线也将随之改变。
    关于特性曲线，应由制造厂家提供资料，并保证其准确无误。一般情况下，尤其是如果订货方未提出特殊要求，特性曲线是以泵送容重为1000吨／米3 的净水为根据来绘制的。然而在泵送水与废土混合的泥浆时，容重却已大为不同。按照废土倾人数量的多少，容重可达
                1．0＜γ＜1．5［吨／米3］
    在任何情况下，输送泵、传动系统和驱动电动机的规格，都必须根据最大顶管长度条件下的最高扬程以及所要求输送量条件下的泥浆最大容重来设计。这样，当顶进管路未达到最大长度和因倾人废土较少致使泥浆容重未达到最高数值时，就必然造成输人功率过高及因此而输送量过大的现象。
    旋转泵有一个优点是，可以通过调节转数来改变扬程。由此，可以通过减少转数来降低扬程。与此同时，功率消耗也将随之降低。
    因此，在顶管施工中采用水力运输系统时，为了适应经常变化着的扬程数值H以及输送流体的容重数值γ，输送泵的转数必须是可变的。由沉淀槽通往倾土槽的回流管道的尺寸设计，可以不必参照输送管道的尺寸。输送管道中运送的是废土与水混成的泥浆，因而流速必须相当高，以免发生沉积，而在回流管道中流动的则是相当纯净的水。因此，为了减少流动损失，流速可以大为降低。在回流
管道的尺寸设计中应该考虑的是，必须保证沉淀槽水位与倾土槽水位之间的有效差高足以补偿管道损失并有富裕。根据这一要求，应有：
           H管阻+H 型阻+H动≤H位/S
其中安全系数S至少应为1.3 。因为向倾上槽送回的水量，必须刚好等于输送泵抽出的水量，故而回流管道的尺寸计算，应以输送泵能够输送的最大水量为依据。在计算时，必须按照各种不同的标准内径，相应地求出最大推顶长度下的管道损失，并验明
S= H位/( H管阻+ H型阻+ H阻)≥1.3
为了避免废土沉积，倾上槽的构造必须保证水流通过其中时不产生旋涡和死水区。水位可借助回流管道上的阀门（通常以人工方式）加以调节。这种方式的调节，要求经常有人照管，而且必须全神贯注地监视水位。更有效和更经济的办法，是采用全自动化的水位调节装置。为此，供水阀门上需装有一个电动式的或油压式的伺服驱动器，驱动器的控制脉冲则来自监视水位的仪器。这样，水位的监视既简单又可靠，而且几乎无需照管，完全借助所谓水泡导入式仪器即可达到预期效果。在这种仪器上，经由探测头将少量的空气导入水中，然后通过所谓压力天平将这种情况下产生的压力转换为控制脉冲。
沉淀槽的尺寸设计，必须保证废土有足够的时间沉淀下去。此外也要有足够的备用容积来贮存沉下的废土。清槽时可以使用挖泥机，这样，在清除淤泥之前，最好是将淤泥上面的水放出。由于废土的沉淀和清槽工作互相干扰（沉淀时要求槽中的水静止，而清槽时却必然要搅动槽中的水），所以至少需备有两个沉
淀槽，以便反复交替地使用其中一个灌入泥浆，另一个则进行清槽。沉淀槽如果采取贮泥井的结构形式，则可省去挖泥机的折旧费和运转费。在采用贮泥井的情况下，除了有效地排水和回流系统外，还要注意留有足够的沉淀和贮存空间。
实际经验证明，水力运输是一种效率很高而且极为可靠的运土方法。而且在具备一定的前提条件时，这种运输方法也能取得良好的经济效果。
采用水力运输法时，要求为所需的各种设备付出为数不小的一笔投资或折旧费用。运输设备的安装和拆卸以及必要时由一个顶压坑搬移到另一个顶压坑去，都需要一定的时间以及与此相关的费用。需要进行非生产性输送的水量，至少五倍于废土。这便导致了能源费用的相应提高。尽管使用耐磨强度很高的钢材，输送泵和管道的磨损仍然很严重，而且有造成损坏的危险。因此设备的维修费用也相当高。         因此，应用水力运输法的经济前提，即在于有必要按照工作阶段进度计划图表所规定的时间将大量废止由顶进管路中运送出去。采用这种方法的另一个前提，则是要求尽可能经常而且均匀地将废土倾入专门为此准备的水槽，以使整个设备处于良好的荷载状态。
到底哪种运输方式更为经济，干法运输或是水力运输？这一问题只能通过对比计算来得出答案，其中需要考虑设备的投资或折旧费用以及包括安装和拆卸等等在内的运行费用。
在采取压缩空气排水法的顶管施工中应用水力运输系统最有好处，因为与干法运输比较之下，空斗车入闸和斗车装满废土后出问所需的时间皆可省去。由于不需要过闸，也可以省去斗车出入闸室时所需的压缩空气耗量。此外，在充有
压缩空气的管路中采用水力运输法时，由于输送泵的扬程缩小，其功率消耗将大大低于在大气环境中运转时的消耗。在大气环境的条件下，按照图所示，扬程即是沉淀槽水位与倾上槽水位的差高。与此不同的是，在利用压缩空气排水的顶管施工中，扬程则缩小为沉淀池水位高度与管路通过区域水位高度之差。扬程缩小的原因是，倾土槽水位之上已有了一定的空气压强，这一压强等于由盾构底部算起的水柱高度。因此，空气压强已经作为入口压力作用于输送泵的吸入侧。图中显示了一套水力运输设备在充有压缩空气的管路中应用的工作原理。
综上所述不难看出，在大气环境条件下进行顶管施工时，水力运输的经济效果可能优于干法运输，而在采取压缩空气排水法进行顶管施工的情况下，其经济性较之干法运输又有进一步的提高，所以应予优先采用。

然而水力运输法必须在全部有关的前提条件得到满足的情况下方能应用。最重要的前提乃是土壤的性质。所有未掺杂大量碎石的非粘性土壤或弱粘性土壤都适于采用水力运输法。反之，所有在倾土槽水流中不能松解的土壤，都不适宜采用这种运输法。例如粘土和壤土砂等等强粘性土壤皆属于此类。
    在温度低于零度的情况下，应用水力运输系统运送废土时，必须采取专门的保护措施，以防止沉淀槽或贮泥井以及管道等遭到冻结。