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泥水盾构泥浆管路磨损与减震处理技术（到底是减震还是减振，文中出现了振动，两个是否为专业术语，建议稍加区分）董伯让（中铁十四局隧道工程有限公司）摘要：大粒径卵砾石地层会导致泥浆管路磨损异常严重，所以本文对排浆管路弯管部分进行了防磨损处理，采用普通耐磨钢管内衬,并通过高铬钼抗磨合金钢浇筑形式，使之具有较高的抗磨性、机械强度和抗冲击性能；同时对震动较大的部位采取减震措施，施工结果表明该防磨损与减震技术效果十分明显，能够有效保障了下穿黄河段的连续施工，给类似工程施工提供了借鉴经验。关键词：泥水盾构；泥浆管路；磨损；减震0引言泥浆循环系统[1-4]主要由进、排浆泵、进、排浆管路、控制阀门、采石箱和管路延伸机构等组成，是泥水盾构的核心系统，在开挖面维稳、渣土运输和隧道排污等方面具有重要作用。泥水盾构在卵砾石地层中掘进时，大量掘进产生的石块需通过泥浆循环管路运送至隧道外部。在此过程中，石块与泥浆管路内壁之间的相对运动会造成管路内壁的严重磨损[5-6]，在弯管与接头处，由于石块运动方向的改变，还将对管路造成剧烈冲击，引发强烈振动[7-8]。本文以兰州市城市轨道交通1号线某标段泥水盾构施工为对象，对泥水盾构泥浆管路的磨损与减震处理[9]进行分析探讨，并提出了相应的解决措施。1工程概况1.1工程简介兰州市城市轨道交通1号线某标段区间左线长984.791m，右线长982.250m。区间采用1台开挖直径6.48m的泥水平衡盾构机施工，盾构机始发后自西向东下穿黄河，下穿黄河段长度约为317m。区间隧道最大纵坡坡度为27‰。线路埋深为12.8～35m，最小平面曲线半径为500m。1.2工程地质水文条件区间自始发到接收穿越为全断面3-11卵石层，卵石层呈灰黄色、青灰色，饱和，局部夹有薄层或透镜状砂层，广泛分布于河漫滩及二级阶地下部。据颗分资料及现场勘探，该层粒径大于200mm的漂石、卵石平均含量占64.53％，一般粒径20mm～60mm（如图1所示）；漂石含量较少，最大粒径为500mm；粒径2mm～20mm的圆砾平均含量占14.82％。卵石、圆砾母岩成份主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙质泥岩和燧石等。级配不良、磨圆度较好、分选性较差。泥质弱胶结，局部呈钙质弱胶结，胶结特点为：该层顶板附近300mm～600mm厚的钙质胶结层，卵石呈半成岩特征，据钻孔岩心局部可形成柱状岩心，其下胶结较弱。该层分布稳定，层顶埋深10.0m～17.60m，厚度大，勘探最大深度60m，未揭穿该层。据区域资料得知该层厚度可达200m～300m。图1地层卵石大小2泥浆管路磨损与振动分析该标段所采用的泥水盾构泥浆循环管路的直径为300mm，进浆流量为900m3/h，出浆流量为950m3/h，所采用泥浆的比重为1.16g/cm3，苏式漏斗粘度为20~35s。盾构机气垫室底部安装有一台碎石机，用于大粒径卵石的破碎。2.1泥浆管路磨损与振动情况盾构机始发（业内术语？能否改成启动？）之后，自西向东掘进。该段地层中卵砾石含量占80%，在泥水盾构环流系统的整个管路中，以排浆管路的磨损最为严重，其主要表现为接触疲劳磨损及冲击磨损。当盾构机始发掘进至246m时，六号台车换管器直角弯管被磨穿，掘进至321m时，六号台车上部S管被磨穿，其管路磨损情况如图2所示。由于破石机破碎周期长，无法对大量卵石进行充分破碎，仍有超大粒径进入泥浆循环系统，对管路与排浆泵造成剧烈冲击，从而引起强烈振动。因此在从始发到300环掘进的过程中，2个排浆泵泵壳遭到损坏。图2六号台车直角弯管磨穿采用TT3000型超声波测厚仪（测量范围0.75~30mm，分辨率0.01mm）对泥浆循环系统的关键部位的管壁进行了测量。测量时对每个位置进行4次测量，取测量最小值作为该处的管壁厚度。可以得到各部位管壁厚度与时间的关系如图3所示。由图可知，泥浆循环系统各关键部位的管壁磨损量与时间基本成正比关系。同时，从图中还可以明显看出，管壁磨损速度与管道形状有关，六号台车直角弯管与排浆泵出口弯管的磨损速度较大，每周平均磨损量分别为1.4mm和1.1mm，采石箱进口直管与六号台车S弯管磨损速度较小，每周平均磨损量分别为0.8mm和0.9mm。图3泥浆循环管路壁厚与时间的关系2.2泥浆管路磨损与振动原因分析盾构机在卵砾石地层掘进过程中，盘形滚刀对掌子面上的大粒径卵砾石进行初次破碎，然后通过刮刀将其刮入开挖仓内。卵砾石在泥浆流动与重力作用下，聚集于气垫仓底部，在接受破石机的二次破碎后，最终进人泥浆循环系统中。管道磨损实质上是管道与固体颗粒碰撞产生的冲击力和摩擦阻力共同作用的结果。在泥浆管路渣土运输过程中，掘进产生的石块以一定的角度和速度与管道内壁进行接触，一方面对管壁产生冲击，导致管壁材料发生变形、破裂和剥落，并引起强烈振动；另一方面石块与管壁产生摩擦，造成管壁表面的刮痕冲刷。特别是在碎石机破石后，有些砂卵石被碎石后多个断面呈尖锐角，在运行过程中特别对排浆管路形成切削运动，并且因卵石颗粒大，含量比例大，在浆液运行过程不能形成悬浮状态，运输过程中加大对管壁的撞击力度，所以对整个排浆管路的弯头等部位的耐磨耐冲击性能要求很高。3管路磨损与减震改进措施3.1磨损改进措施1）对所有排浆管路采用偏心加厚设计，从物理机能上加强耐磨性。石块在泥浆管路运输过程中，其运动轨迹较为固定。因此，根据经验确定将会出现剧烈磨损的管壁位置，对其进行偏心加厚，如直管的底部、弯管的外侧（冲刷面）等。2）所有的结合面采用整体铸造方式，有效地避免了焊缝长期受到撞击加速磨损。3）在排浆管路所有的冲刷面，加装防磨环，这样一方面对物料的冲刷起到防磨作用，另一方面改变的物料的流向，减小物料与管壁之间的冲击角，降低对冲刷点长期不间断的撞击冲刷磨损。4）管路内壁内衬抗磨合金钢。耐磨管路的外壁采用Q235普通耐磨钢管，内衬采用高铬钼抗磨合金钢（KMTBCr20Mo2Cu1），热处理硬度HRC＞58，既保证泥浆管道的焊接性能，又使得泥浆管道具有高合金钢的高抗磨性、高机械强度和高抗冲击性能（摘要里面放这句就没有问题了），大大延长了泥浆管道的使用寿命（是普通耐磨材料A3、16Mn使用寿命的5～12倍）。Q345耐磨管材与双金属耐磨管材材料和金属性能对比如表1所示。材料代号抗拉强度（Mpa）冲击韧性(J/cm2)内壁硬度(HRC)双金属耐磨管道KMTBCr20Mo2Cu1800～8605～855～60Q345/16Mn470～660--12～14表1弯头材料的机械性能对比3.2减震改进措施减震喉（术语？）是用于金属管道之间起挠性连接作用的中空橡胶制品，可有效降低振动及噪音，目前已广泛应用于各种管道系统。根据泥浆管路结构分析，在可能出现较大振动的排浆泵出口排浆管和排浆三叉管处设置了减震喉，以减小震动伤害，如图4所示。掘进施工400m过程中排浆泵出口及连接桥三叉管震动较小，未出现部件损坏，效果明显。图4P2.1泵出口及三叉管减震改造4结束语现阶段国内大部分泥水盾构机泥浆管路都采用Q345耐磨管材内层冲刷面加耐磨丝堆焊方式，通过对排浆管路弯管设计改造成双金属耐磨管，大大提升了管路的使用寿命。在震动较大的排浆泵出口以及排浆三岔管处设置减震喉，施工结果表明，减震效果明显，大大降低了工人劳动强度和维护成本，对本标段下穿黄河提供了有效保障，提高了运行稳定及整体综合效益。参考文献[1]汪海,钟小春.泥水盾构泥水分离系统除渣效率对泥浆的影响[J].隧道建设,2013,11:928-932.[2]王承震.扬州瘦西湖盾构隧道工程施工关键技术[J].隧道建设,2015,08:828-833.[3]李凤远,陈馈,陈启伟.盾构环流系统地质适应性改造[J].建筑机械化,2011,09:63-64.[4]江旭,钟志全.泥水盾构环流系统的升级扩容[J].建筑机械化,2012,03:95-97.[5]张继军,桂晓莉.浆体管道磨损机理研究[J].甘肃科技,2011,01:60-62+86.[6]张义,周文,孙志强,周孑民.管道内气固两相流冲刷磨损特性数值模拟[J].金属材料与冶金工程,2011,01:11-15.[7]任建亭,姜节胜.输流管道系统振动研究进展[J].力学进展,2003,03:313-324.[8]党锡淇,黄幼玲.工程中的管道振动问题[J].力学与实践,1993,04:9-16.[9]赵子琴,李树勋,徐登伟,吴寿敬.管道振动的减振方案及工程应用[J].管道技术与设备,2011,03:54-56.