泥浆管路保护技术

摘要：长距离泥水盾构在硬岩施工时，渣土对泥浆管路磨损非常严重。总结出管路磨损的规律和使用寿命，对于制定泥浆管路保护方案有着十分重要的意义。最终达到延长管路寿命，节约维修时间和施工成本的目的。

关键词：泥水盾构、管路磨损规律、管路保护

1. 工程概况

狮子洋隧道位于广深港客运专线东涌站――虎门站区间，为全线控制性工程。它是我国第一座采用盾构法施工的铁路隧道，由2条长10.8Km的圆隧道组成，衬砌后内径达9.8m，内净空有效面积达65m2，采用4台复合泥水加压平衡盾构机在地中进行对接，隧道最大坡度2％，最小坡度0.3％。大直径盾构隧道穿越水体下复杂地层在我国铁路建设史上是一个里程碑。

2．环流系统磨损现象

盾构隧道通过软、硬、半软半硬等多种地层，穿越基岩（W2）、半岩半土、第四系覆盖物地层的长度分别为6830m、1258m、1252m，分别占推进长度的73.1%、13.5%、13.4%。砂层及基岩石英含量高。岩石天然抗压强度为6.54～82.6MPa，标准值为26.19MPa。饱和抗压强度为3.1～78.7MPa，标准值为22.56MPa。由于环流系统承担着施工中的渣土运输，这样在掘进中渣土不可避免的会对泥浆管路产生不同程度的磨损。长距离的泥浆输送，70%以上的硬岩地层施工，使得管路磨损就成了环流系统的主要问题。

管路保护的常规措施包括补焊和更换泥浆管。这不仅仅需要大量的人力、物资（泥浆管、焊条、钢板），还需要占用很多时间。补焊和更换管路是我们盾构施工中最主要的非故障停机原因之一，下表是2009年下半年每月环流问题所占时间表。

时间 环流问题停机时间 （小时） 占停机时间百分比（%） 占总施工时间百分比（%）

7月 188.5 46.6 25.3

8月 166 46.4 22.3

9月 175.5 42.2 24.4

10月 107 26.6 14.4

11月 101 31.1 14.0

12月 103 26.1 13.8

表2.12009年下半年环流停机统计表

从表中可以看出09年下半年，平均每月环流问题停机时间为140.2小时，平均占总停机时间的36.5%。这些就更进一步说明泥浆管路保护在我们长距离、硬岩盾构掘进中有着重要的意义！

环流系统是泥水平衡盾构机非常重要的系统，它主要担负着运输刀盘切削下的渣土的作用。主要包括进浆管路、浆管路、接力进出浆泵、各种动力闸阀。图2.1泥浆管路

图2.2环流系统泵站及管路示意图

以工程左右线，目前每条线环流系统共有进浆泵2台、出浆泵5台、泥浆管路进出浆管各4800m。

3. 管路磨损规律分析

环流问题最主要的就是渣土对泥浆管路的快速磨损，使我们不时的需要更换和补焊泥浆管路。而管路磨穿的不确定性，使得处理环流问题的时间经常占用掘进施工时间，影响我们隧道施工的进度。

就目前的施工，浆管担负着主要的出渣作用，磨损也是最严重的，以下我们主要分析浆管磨损问题。4800米的泥浆管路，不同的部位，不同的使用时间也存在着磨损差异，只有找到管路的磨损规律我们才能抓住处理环流问题的关键。

根据2年来对不同部位管路磨损的更换记录和磨损探伤，我们分了以下几个重点部位进行对比分析，其包括：不同泵站出口弯头磨损情况；两泵站间管路磨损情况；单个泥浆管磨损情况，力求可以典型的分析出泥浆管路的磨损规律。

3.1 不同泵站出口弯头磨损情况

在施工的不同阶段，我们陆续安装了P2.1泵、P3泵、P2.3泵、P2.2泵、P2.4泵5个浆接力泵，每个泵站出口管路安装形式是完全一样的，随着使用环数的增加，其磨损情况见下表：

从统计表和磨损曲线图我们可以很清楚地看出，各泵站出口弯头的寿命都在170环～200环之间，除P3泵磨损较小外，其他各泵站磨损速率基本一致。这就说明在出口弯头安装形式相同，泵站功率和扬程一样的情况下，出口弯头的磨损速率和寿命基本相同。

3.2 两泵站间管路磨损情况

隧道内浆接力泵之间都有一定的距离，而泥浆管距离泵站的远近也会使管路产生不同的磨损情况。P2.4泵与P2.2泵之间相距700环（它们分别位于1650环和950环），是隧道内相距最远的2个接力泵，我们以此段管路为例分析

表3.1泵站出口弯头磨损情况统计表：

使用的环数 10环 20环 30环 40环 50环 60环 70环 80环 90环 100环

P2.1泵 1.2mm 2.5mm 4mm 4.9mm 6.3mm 6.9mm 7.4mm 8.6mm 9.1mm 11.2mm

P2.2泵 1.1mm 2.7mm 3.4mm 3.8mm 4.9mm 6.2mm 6.8mm 7.8mm 10mm 11.3mm

P2.3泵 0.9mm 2.9mm 3.3mm 4.1mm 4.9mm 5.7mm 7.1mm 8.8mm 9.6mm 10.9mm

P2.4泵 1.3mm 2.2mm 2.9mm 4.3mm 8.1mm 8.8mm 10.2mm 12.3mm 13.9mm 15.1mm

P3泵 1.4mm 1.9mm 2.2mm 2.9mm 3.6mm 4.4mm 4.9mm 6mm 6.7mm 8.1mm

使用的环数 110环 120环 130环 140环 150环 160环 170环 180环 190环 200环

P2.1泵 13.6mm 14.9mm 16.3mm 18.2mm 20.6mm 22.4mm 25.8mm 30mm

P2.2泵 12.9mm 13.8mm 15.8mm 17.9mm 20.1mm 23.6mm 27mm 28.3mm 30mm

P2.3泵 12.3mm 14.5mm 15.9mm 17.8mm 23mm 26.6mm 30mm

P2.4泵 15.9mm 17.2mm 18.9mm 20.3mm 22.6mm 25.1mm 27.4mm 29.1mm 29.8mm 30

P3泵 9.9mm 10.6mm 12.2mm 13.9mm 15mm 16.7mm 18.1mm 19.9mm 21.6mm 24.3mm

注：弯头管壁厚30mm，此次统计是在弱风化泥质粉砂岩掘进中进行的，岩石强度20～50Mpa，此地层占隧道总长度的70%。

表3.2P2.4泵与P2.2泵之间管路磨损情况统计表：

使用的环数 50环 100环 150环 200环 250环 300环 350环 400环 450环 500环 550环 600环 650环 700环

P2.2泵进口（950环） 1.1 1.8 2.3 3.6 4.5 6 6.6 8.1 9

953环 0.9 1.7 2.5 3.3 4.7 7.1 8.8 9

956环 1.2 2.0 2.7 4.1 5.2 6.6 7.9 8.4 9

959环 1.0 1.6 1.9 2.8 3.4 4.6 5.2 6.7 7.3 8.2 9

962环 0.7 1.3 2.6 3.1 3.9 4.8 5.6 6.4 6.6 7.8 8.9 9

965环 0.3 0.8 0.9 1.5 1.8 2.1 2.4 2.9 3.6 4.3 5.2 6.4 7.1 8.6

1000环 0.4 0.9 1.4 1.8 2.4 2.7 3.1 3.5 4.2 4.8 5.3 6.0 6.7 7.8

1200环 0.3 0.7 1.1 1.6 2.0 2.6 3.2 3.4 3.9 4.4 5.1 5.8 6.6 7.5

1400环 0.4 1.0 1.5 1.9 2.4 2.9 3.3 4.0 4.7 5.1 5.6 6.4 7.1 7.7

1600环 0.5 0.9 1.3 1.6 1.9 2.5 2.9 3.6 4.1 4.8 5.5 6.4 7.2 7.9

1644环 0.6 0.9 1.4 1.9 2.5 3.2 3.5 4.1 4.6 5.2 5.8 6.7 7.6 8.2

1647环 0.8 1.2 1.7 2.2 2.8 3.3 3.9 4.4 5.1 5.7 6.3 7.1 8.2 9

P2.4泵出口

（1650环） 0.9 1.3 1.8 2.4 3.1 3.6 4.5 5.2 5.9 6.6 7.3 8.1 9

注：次泥浆管路壁厚9mm，磨损厚度取所测泥浆管平均磨损；此次统计是在弱风化泥质粉砂岩掘进中进行的，岩石强度20～50Mpa，此地层占隧道总长度的70%。

我们可以清楚地看出，在P2.2泵与P2.4泵之间，磨损最快的是P2.2泵进口，其次是P2.4泵出口，中间管路的磨损情况大体一致。导致这种结果是因为P2.2泵进口距离P2.4泵出口将近700环（正常浆泵在坡度为0.3%的情况下，有效输送距离为600环），此处泥浆流速已非常缓慢，大量渣土沉积在泥浆管路底部，使此段管路磨损最快。

3.3 单个泥浆管磨损情况

在单一的泥浆管中，泥浆对管路的磨损情况也是不同的。下面是我们对隧道中段1000环左右取一根泥浆管，对其使用500环(即安装后盾构掘进施工500环)后的磨损情况统计。

表3.3996环处泥浆管使用500环后磨损情况统计：

部位（cm） 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600

泥浆管磨损度（mm） 7.2 6.5 3.1 3.5 2.9 4.2 3.6 4.1 3.9 4.3 5.2 6.6 8.1

注：泥浆管长度为6m，泥浆管管壁厚9mm，以上厚度为泥浆管底部厚度，顶部磨损较小可忽略不计。

上面图、表中显示，单个泥浆管中管道中部和两端的磨损程度是不一样的，泥浆管两端的磨损速度是其他部位的2倍左右。一根泥浆管除去其几处薄弱部位，单侧的寿命在700环～800环。在单个泥浆管检测时我们还发现，由于泥浆所带渣土多沉积在管路中下部，所以管路底部磨损远大于顶部磨损。在使用500环后大多管路顶部几乎没有磨损。见图3.4： 图3.4泥浆管管道磨损图

4. 环流泥浆管路保护措施

充分利用我们对浆泥浆管的磨损统计规律，针对管路磨损块的局部部位进行补焊和加厚处理，充分使用每一根泥浆管路，减少对泥浆管的更换。具体方法如下：

⑴ 对于各泵站出口，由于此处泥浆流速快，又多为弯头，磨损非常快。针对这一特点，我们在出口弯头薄弱处提前加焊钢板，延长它的使用寿命。正常弯头的厚度为10mm在加焊两层钢板后，其厚度变为30mm，可以使图3.5泥浆管加焊钢板图

用200环左右。

⑵ 对于单个泥浆管，我们可以提前加焊、补焊其两端法兰盘根部磨损较快处，使单个泥浆管的使用寿命提高，加焊后的泥浆管可以保证700环内不用再补焊，充分使用每一根泥浆管。

⑶ 针对测量统计中发现的泥浆管磨损只是发生在底部，顶部几乎很少磨损的特点，对一侧使用完的泥浆管我们还可以进行翻管使用另一侧，从而提高泥浆管一倍的使用寿命（一根泥浆管使用可以到达1400环）。

⑷ 对与上下两侧都磨损的泥浆管，还可以充分利用进浆管。由于进浆管没有渣土通过，环流使用时磨损非常小，在浆管磨损完全后，进出泥浆管还可以进行倒换，浆管变为进浆管、进浆管变为浆管。这样一段泥浆管可以使用2800环，远超过了我们隧道的长度，达到了不用更换一根管的目的。

⑸ 以上提到的补焊由于掌握了管路的磨损规律，可以在安装泥浆管之前提前进行。虽然没有节省补焊的材料，但却节省了停机补焊时间，从而可以很大程度上增加盾构掘进的时间，提高施工进度。

⑹ 对不同磨损位置的管路进行分级管理。磨损最快的部位归为一级，此处泥浆管要进行每日的检查，提前准备补焊或更换；磨损一般的分为二级，此类的管路部位是最常见的也是最多的，进行每周一检的频率，提前发现薄弱处并进行补焊；最后就是磨损极少的部位，一般为管路中段和进浆管，只要每月进行例行检查即可。

5. 日常检测与维护

我们在总结管路磨损规律的同时还要清楚地认识到，规律并不能预判出所有的管路磨损情况。根据使用的经验，总还是要有异常磨损的部位，这样就要求我们加强日常的检测。其包括：

① 对磨损快的部位（即使用不超过200环就需更换的部位）进行跟踪检测，每日进行测厚工作，并作出磨损速率表，为更换和补焊提供依据；

② 对磨损一般的部位（即使用不超过700环就需更换的部位）进行每周检测，及时发现管路薄弱的部位并能提前安排补焊或其他保护工作；

③ 对磨损较小的部位（即使用超过700环的部位）进行每月检测，对局部磨损较薄处进行补焊处理。

6. 应急处理

施工过程中不可避免的会出现突然磨穿管路的现象。此时正是在掘进施工中，需要我们快速的进行处理，节省时间，保证施工顺利进行。具体的应急处理措施如下：

① 磨穿处很细小（只是渗水或滴水），这时我们采用快速水泥封堵的办法。不停止掘进，用水泥将其暂时封住，等管片拼装时再进行补焊处理。

② 磨穿处有压力水喷出但穿孔较小（孔径不大于1公分），这时我们采用临时包箍加橡胶垫处理。也是不停止掘进，用契合泥浆管壁的弧形钢板内垫橡胶封堵磨穿处，钢板外用铁丝或绳索固定在泥浆管上，达到临时封堵的目的。等到有较长时间停机时，再去掉包箍重新进行补焊。

③ 磨穿处穿孔很大（孔径大于1公分）或破损位置无法进行临时处理的，及时停机进行快速补焊。