0 引言
泥浆循环系统是泥水平衡盾构施工的重要组成部分［1］，直接关系到开挖面的稳定与渣土的及时排放，以及泥水盾构施工的工效及成本控制。不同地区、不同项目的地质水文情况存在较大的差异，特别是在上软下硬地层及砂卵石地层中，泥浆管路的磨损会对盾构泥浆循环系统造成较大的影响［2 － 4］。泥水盾构掘进过程中，刀盘切削下的渣土与送进开挖舱的泥浆形成混和浆液，通过排泥管排出至地面泥水分离工厂实现固液分离。由于泥浆中携带有卵石、砾石甚至是大漂石等不同成分的固体颗粒［5］，泥浆在管道的输送过程中必然会造成管路的磨损，进而可能引发管路破损喷漏浆液、爆管，以至造成盾构掘进非正常停机，最终造成施工效率降低和成本增加。因此，必须足够重视泥水盾构在复杂地层长距离掘进过程中的泥浆管路磨损［6 － 8］。如国内狮子洋隧道，因为泥浆循环系统的故障问题，停机时间占总停机时间的36． 5%，见表1。
降低管路磨损、提高管路的耐用性直接关系到项目的完成效率、成本，并能有效提高施工安全的可靠性。以上调查表明，国内对泥水盾构在复杂地层长距离掘进过程中的泥浆管路磨损问题所做的研究，多是通过室内试验、从管路的单一性质( 如管道材料、强度等) 或者从整个泥水盾构设备配套的角度进行分析，均未对现场泥浆管道的实际磨损情况进行深入分析。因此，本文从泥浆管路现场监测数据出发，结合南京地铁10 号线盾构隧道工程实例，对泥浆管路的磨损进行研究，提出减小泥水盾构管路磨损的技术措施，为泥浆循环系统的合理设计提供参考。
表1 2009 年下半年狮子洋隧道环流停机统计表( 掘进4 000 m以后)
1 工程概况
1． 1 穿越地层地质情况
南京地铁10 号线中间风井—江心洲站区间隧道全长3 600． 074 m，为单洞双线断面。线路平面线型为直线，竖曲线半径为5 000 m，最大纵坡坡度为28‰，隧道顶部覆土厚度为11． 4 ～ 40． 5 m。图1 为越江隧道区间纵断面图。
区间隧道采用泥水平衡盾构进行施工，盾构开挖直径11． 64 m，管片外径11． 2 m，内径10． 2 m。盾构隧道穿越的地层主要以粉细砂、卵石、圆砾地层为主，其中盾构掘进困难的卵石、圆砾地层长达1 780m，占隧道总长的近50%，属于长距离穿越卵石、圆砾地层。
图1 南京地铁10 号线越江隧道区间纵断面图
1． 2 泥浆循环系统的设置
泥浆输送系统是泥水平衡盾构区别于土压平衡盾构的特征，泥浆输送系统具有2 个基本功能，一是稳定掌子面，二是排出渣土。泥浆循环系统由送排泥泵、送排泥管、延伸管线和辅助设备等组成。送泥泵将调制好的泥浆通过送泥管输送到泥水舱，而排泥泵则将携带渣土的泥浆排出，并通过排泥管输送到地面的泥水处理设备中进行分离。
1． 2． 1 泥浆回路设置
本工程中拟选择排泥泵的流量不低于2 000m3 /h; 送排泥管选用直径为450 mm 的输送管，管道采用Q345B 材质螺旋焊管，管壁厚度10 mm，每根管道长度10 m。送排泥泵和送排泥管都具有较强的抗磨损能力，泥浆回路如图2 所示。
泥浆输送方案为: 过江隧道掘进时，从北岸始发，竖井深25 m，隧道内水平输送长度为3 600 m，泥浆输送采用1 台送泥泵、3 台排泥泵。其中，送泥泵站P1． 1位于地面上，位置固定; 主排泥泵站P2． 1 位于盾构后配套拖车上，随盾构推进而前进; 中继排泥泵站P2． 2在盾构推进到隧道中部时安装; 接力泵站P2． 3 安装在隧道掘进1 /3 处。
1． 2． 2 泥浆输送系统参数计算
泥浆输送系统参数的设计对泥浆输送效率、盾构掘进进度、泥浆管道选材、管路布置设计和管道磨损等有着重要的影响。因此，在泥浆系统和管路设计之前应对泥浆输送要满足的参数进行计算。表2 为泥浆系统参数计算条件。
根据表2 的计算条件，计算得出满足施工要求的泥浆输送参数见表3。
管内沉淀临界流速
式中: vL为临界沉淀流速，m/s; D 为管路直径，m; γs为地层固体密度，t /m3; g 为重力加速度，取9． 8 m/s2; FL为常数，送泥侧取0．7，排泥侧取1． 35; γ 为泥浆密度，盾构送进泥浆密度为1．1 t /m3，排出泥浆密度为1．3 t /m3。
图2 开挖模式的泥浆循环回路
表2 泥浆系统参数计算条件
表3 泥浆输送系统参数
根据式( 1) 计算得出，送泥管与排泥管内沉淀临界流速分别为1． 98 m/s 和3． 14 m/s。
2 泥浆管道磨损机制
2． 1 泥浆管道磨损力学模型
2． 1． 1 浆体中固体颗粒的运动形式
在送泥管道中，流动的是调配的膨润土泥浆，而在排泥管道中，除了泥浆外还有含碎石的渣土，属于非均质浆体。根据固体颗粒与管壁的接触情况，在非均质浆体中，固体颗粒的运动可分为悬移质、跳跃质和推移质3 种［9 － 10］。其运动形式如图3 所示。
图3 浆体中固体颗粒的运动形式
在3 种运动形式中，悬移质与泥浆管道不接触，其对管壁的磨损程度最小; 跳跃质与泥浆管道会有短暂接触，对管壁的磨损程度稍大; 推移质与管壁的作用时间最长，因而对管壁的磨损程度也最大。固体颗粒在泥浆中的3 种运动方式取决于颗粒在管道中的轴向运动速度和径向运动速度。轴向运动速度主要由运动浆体对固体颗粒的推动力决定，径向运动速度取决于固体颗粒沉积速度和浆体脉动速度之差，主要和固体颗粒粒径、形状、密度、浆体黏度和质量浓度有关。
2． 1． 2 固体颗粒与管壁的碰撞模型
固体颗粒与管壁发生碰撞的模型如图4 所示。法向碰撞力p 使壁面材料产生局部变形、破碎和剥离，切向摩擦力N 则引起表面刮痕冲刷。壁面磨损是p 和N共同作用的结果，磨损量与颗粒质量、碰撞接触时间、入射角、固体颗粒运动速度和壁面摩擦因数等有关［11］。
图4 碰撞模型
就单个固体颗粒来说，管道的磨损量δi可以表示成颗粒质量mi、颗粒运动速度v、入射角正弦sin α、摩擦因数μ 和颗粒表面几何形状φ 的函数。
δi = f( mi，v， sin α，μ，φ) 。(2)
管道磨损实质上是固体颗粒群碰撞的结果，是每个固体颗粒对壁面磨损的积累。设单位时间内管道中固体颗粒质量总量为M，单位时间内管道磨损量δ 可通过对式( 2) 进行求和来表示。
δ =Σδi = f( Σmi，v， sin α，μ，φ) =f( M，v， sin α，μ，φ) 。( 3)
其中质量M 可以通过泥浆流速v'、管道截面积S和固体颗粒质量浓度C 三者之间的乘积来表示，即
M = v'•S•C。( 4)
由于颗粒的运动速度由管道的流速决定，即总磨损量δ 可表示成
δ = f( C，S，v， sin α，μ，φ) 。(5)
2． 2 管道磨损影响因素分析
从式( 5) 得知，总磨损量与泥浆流速、管道截面积、固体颗粒质量浓度、碰撞接触时间、入射角、泥浆中固体颗粒运动速度和壁面摩擦因数等有关。本文针对其中几个可控的影响因素进行分析。
1) 摩擦因数。摩擦因数与固体颗粒的硬度、管道壁面材料的硬度、颗粒的表面几何形状、管道粗糙度等因素有关。实验表明，当固体颗粒的硬度不大于管道材料的硬度时，管道的磨损程度不明显; 随着固体颗粒的硬度增加，管道的磨损程度也在增加。此外，固体颗粒的表面形状对管道的磨损影响也比较大，一般认为圆球形、棱形、尖角形块石对管道的磨损量依次增大，棱形和尖角形块石对管道壁的磨损最严重。图5 为泥浆中携带的棱形块石。
2) 浆体的流速。试验研究表明，考虑到管道内的水头损失，加大浆体输送速度，其所需动力及管道磨损量均会明显增大。所以，管道输送中要严格控制输送速度，但流速不能无限制降低，至少需要保证浆体正常流动和固体颗粒不出现沉积，也就是大于临界流速。
3) 浆体中固体颗粒形态及粒径。泥浆中携带的不同形状、不同大小的卵石、圆砾等如图6 所示，其形态多呈多棱形、多面体，颗粒大且硬度大，阻力较大。在硬岩地段掘进时，泥浆携带的渣土中含有大量的砂砾石等，会对泥浆管管壁造成冲击，加大管壁的磨损量。
图5 泥浆中携带的棱形块石
图6 泥浆中携带的卵石、圆砾
4) 浆体的质量浓度。阻力损失随质量浓度的增大而增大，固体物料的水力输送是借助于运载体( 水流) 对输送介质( 固体颗粒) 复杂的力学作用的结果，即随着浆体质量浓度增大，浆体中固体颗粒含量随之增大，管道磨损量也相应增大。
5) 管道材料。泥浆管的选择应综合考虑上述各因素，选择能满足施工要求、耐磨性能好的管材以减小泥浆输送过程中块石对泥浆管壁的磨损量，延长其使用寿命。
钢管用于流体运输，必须进行流体压力试验。其静水压力
p = 2Sσs /D。( 6)
式中: p 为试验压力，MPa; S 为公称壁厚，mm; σs为规定屈服点的60%，N/mm2 ; D 为公称外径，mm。
由不同材料钢管的力学性能( 见表4) 和静水压力计算公式可知，螺旋钢管足以满足环流系统对压力的要求。
表 5 为不同材料钢管化学成分表。在化学成分中，C 含量主要影响材料的硬度，Si 含量和Mn 含量影响材料的耐磨性，S 含量和P 含量影响材料的韧性。参考表5，45# 无缝钢管的耐磨性能最好，同时其他钢管的耐磨性能也均能满足要求，而无缝钢管的价格明显高于螺旋钢管。综合考虑经济成本和材料性能，本工程选用Q345B 螺旋钢管作为泥浆管。
表4 不同材料钢管的力学性能
表5 不同材料钢管化学成分表
6) 浆体的腐蚀性。不同类型的浆体产生的磨蚀速度不同，在磨蚀过程中，管道的磨蚀与磨损作用是密切相关的。地下水及泥浆中往往含有一定的有腐蚀性的物质，因此，在配置泥浆时应对泥浆的pH 值进行测定，同时对排出的泥浆进行pH 值测定，判断其对泥浆管管壁的腐蚀性。
3 管壁厚度现场实测数据分析
盾构施工过程中对泥浆输送管道壁厚进行定期检测，以掌握管道磨损情况，对磨损严重的地方进行合理设计或者加固处理，避免泥浆管磨破引起泥浆泄漏，影响施工进度。在本工程中，采用超声波测厚仪进行泥浆管管壁测厚，精度0． 1 mm。超声波测厚仪及测点布置如图7 和图8 所示。图8 中仅图示凹面测点布置，凸面测点布置在背面，从上至下依次为凸3、凸2、凸1。
图7 超声波测厚仪测管壁厚度
图8 测点布置
图9 为地面泥浆管管壁在2012 年12 月—2013 年1月的厚度变化曲线。由图9 可以看出，管壁厚度实测值较管壁厚度稍大，这可能是由于泥浆到达地面的时候泥浆流速较小，泥浆管内有一定的沉积物残留。总体来说，地面泥浆管管壁厚度的变化量较小，在25 d 的监测时间里，管壁厚度减小最大值为1． 2 mm。因此，可以说明地面泥浆管管道磨损量小，管道的使用寿命长。
图9 2012 年12 月—2013 年1 月地面泥浆管管壁厚度变化
图10 为盾体排泥管管壁在2012 年10—12 月的厚度变化曲线。由图10 可以看出，整体上来看，管道壁厚没有明显变化。盾体排泥管凹面厚度在12 月1日突然增大，比初始管道壁厚值大，这可能是由于泥浆在此处沉积造成; 而凸面管道壁厚整体呈现减小趋势，但壁厚减小很少，管道磨损量为0． 5 mm。排泥管管壁磨损量小的原因是泥浆到达排泥管的流速较小，颗粒物对管壁的冲击小。
图10 2012 年10—12 月盾体排泥管管壁厚度变化
图11 为P2． 3 泵出口管管壁在2012 年10—12 月的厚度变化曲线。由图11 可以看出，管道壁厚在11月22 日前基本没有变化，在11 月22 日之后管道壁厚有明显的减小。其中，管道的凸面壁厚减小量明显大于凹面，这是由于泥浆流速在凸面对管壁的冲击较大，因此磨损量也大。截至2012 年12 月7 日，管道壁厚减小量最大值为1． 5 mm。
在该时期内，盾构掘进施工正处在江底砂卵石地层中，泥浆中含有大量的砂卵( 砾) 石，但是由于P2． 3泵处在距盾构竖井较近的位置，距盾构掘进开挖面较远，泥浆到达此处的压力较小，对泥浆管道管壁的冲击较小，管壁磨损量也较小。
图11 2012 年10—12 月P2． 3 泵出口管管壁厚度变化
图12 为P2． 1 泵出口弯头管管壁在2012 年10—12 月的厚度变化曲线。由图12 可以看出: 在11 月22 日之前管道壁厚没有明显变化，在11 月22 日之后管道壁厚明显减小，且管道凸面壁厚减小速率明显大于凹面; 到12 月1 日管道凸面壁厚减小至2． 5 mm，即磨损量为7． 5 mm，磨损速率为0． 68 mm/d; 凹面管道壁厚减小至7． 5 mm，即磨损量为2． 5 mm，磨损速率为0． 23 mm/d，即凸面的磨损速率是凹面的2． 96 倍。
该期间盾构正在江底砂卵石地层中掘进，且P2． 1排泥泵位于盾构尾部配套台车附近，泥浆流经此处的速度较大，泥浆中含有大量的砂卵( 砾) 石，对泥浆管壁造成了严重的冲击，使得泥浆管管壁磨损严重。
图12 2012 年10—12 月P2． 1 泵出口弯头管管壁厚度变化
4 泥浆管路磨损保护措施
根据泥浆管路磨损的机制、影响管道磨损的因素、现场管道壁厚实测数据和工程案例可以看出，泥浆管道磨损主要与泥浆流速、泥浆中所携带的固体颗粒、泥浆管的布置和管道的形状等因素有关。弯管磨损量比直管磨损量大，管道的凸面磨损量比凹面大，距泥浆泵近的管道磨损量比距泥浆泵远的管道磨损量大，管道底部磨损量比管道上部和侧面的大。因此，在泥浆管路的设计中应对磨损量较大的薄弱部位进行特殊处理，以提高其使用寿命。
1) 对于各泵站出口，由于此处泥浆压力大，又多为弯头，磨损速度非常快，因此，在出口弯头薄弱处提前加焊钢板( 如图13 所示) ，延长它的使用寿命。
图13 泥浆管弯头加焊钢板
2) 本工程项目隧道全长3 600 m，其中卵石、圆砾地层长1 780 m。因此，泥浆管管路比较长，泥浆中携带的渣土含有大量的卵石和圆砾石等，会对泥浆管管壁造成严重冲击，致使管壁磨损量大。为此，应对泥浆管路的薄弱部位进行加焊、补焊或者进行特殊设计，以保证泥浆管道的正常使用，减小因泥浆管路维修以及更换对施工进度产生的影响。例如，对于单个泥浆管，对管道两端法兰盘根部磨损较快处进行补焊，以延长单个泥浆管的寿命。
3) 在盾构掘进至砂卵石地层时，应对前面使用的泥浆管进行仔细检测，特别是对薄弱部位进行检测。若存在磨损量较大的管道应对其进行维修或者更换，避免在砂卵石地层掘进时卵石、砾石对管壁产生强烈的冲击，而引发管壁渗漏等现象。
4) 对于水平直管，泥浆管磨损量为底部最大，两侧次之，顶部最小，因此，在实际应用中，为了延长水平管道的使用寿命，过一段时间将管道底部与顶部倒转方向使用，可以提高泥浆管1 倍的使用寿命。图14 为水平泥浆管。
图14 水平泥浆管
5) 对于上下两侧都磨损的泥浆管，可以充分利用送泥管。由于送泥管不携带渣土通过，环流使用时磨损量较排泥管小很多，因此，在排泥管磨损较严重的时候，将送排泥浆管进行倒换，这样可以提高泥浆管的使用寿命。图15 为送排泥浆管。
图15 送排泥浆管
6) 泥浆流速对泥浆管道的磨损有着重要的影响，在大于临界流速的情况下，泥浆流速越大，对泥浆管壁的磨损越大，因此，泥浆流速以保证管路不发生沉淀的最低流速为佳。掘进时先尝试以较低的泥浆流速循环，若在管路循环时出现掘进流量逐渐降低的情形，则说明管路有淤塞现象，出现了沉积物，此时应适当提高泥浆流速。
5 结论及建议
本文从泥浆管道的磨损机制、影响泥浆管道磨损的因素、现场泥浆管道磨损监测数据以及工程实例等方面对泥浆循环系统管路的磨损规律进行了分析，在此基础上结合本工程项目提出了一些减小管道磨损的保护措施。主要结论如下。
1) 地面排泥管和盾体排泥管的磨损量最小，整个施工过程中不需要修补或更换，使用寿命满足要求。
2) 弯管的磨损量较直管的磨损量明显增大，且弯管的凸面磨损量大于凹面磨损量。泥浆泵出口弯管凸面的磨损速率约是凹面的3 倍。
3) 盾构在砂卵( 砾) 石地层中掘进时，距盾构掘进面较近的P2． 1 泵两侧的泥浆管管壁磨损量较大，距掘进面越远磨损量越小。因此，对P2． 1 泵两侧的泥浆管应进行特殊处理，并加强管壁厚度检测。
4) 根据泥浆管道磨损规律，结合工程实际，应对管道磨损严重的部位进行特殊设计，施工过程中对管道壁厚进行定期监测，以掌握管道的磨损情况，及时采取保护措施。
摘自：隧道建设