泥水盾构出渣量及出浆比重计算

长沙市南湖路湘江隧道泥水盾构泥水处理 对于泥水平衡盾构掘进来说，最重要的一点就是保持进出浆动态平衡，以及掘进速度与进出浆比重匹配。

一 泥水动态平衡

进（出）浆流量为Q,进浆比重ρ1，出浆比重ρ2，掘进速度ν，盾构直径为D ，围岩比重ρ3,不同岩层原状土比重分别ρa3,ρb3,ρc3.....，下面为正常掘进动态平衡式： ()2

3122D Q Q ∏=-υρρρ (1) Q-进（出）浆流量，单位m3/h

ρ1-进浆比重,单位,KG/m3

ρ2-出浆比重单位,KG/m3

ν-掘进速度,m/h 盾构机的掘进速度一般情况都是mm/min,而不是m/h

ρ3-围岩比重,KG/m3

D-盾构外壳直径,m

此计算式表示单位时间匀速掘进一定进尺，实际出渣量、理论出渣量与进出浆比重的匹配关系。

二 盾构掘进状态

1 按掘进状态是否连续可分为正常掘进状态和非正常掘进状态。

1）正常掘进状态

正常掘进状态为在掘进施工中建立科学合理的泥水压力，并保证进浆泥浆具有良好的携渣性能，各项指标均符合要求，掘进当中不出现压力非正常

波动情况，按照方案设定速度保持相对均匀速度连续掘进，掘进中盾构机相关设备运转正常，不出现停机情况。

2）非正常掘进状态

非正常掘进状态是因为某些因素如泥浆站泥浆池满浆、设备故障导致掘进不连续,此种不连续掘进状态增加了非正常的工序如泥水管循环?掘进速度的变化不利于出渣判断。

三掘进出渣量计算及相关参数

泥水盾构掘进中出渣的多少关系到地表沉降、隧道成型及隧道稳定。所以在掘进中如何科学合理的控制出渣尤为重要，下面根据掘进参数对出渣量的相关问题的进行分析。

1 出浆比重计算

根据以上计算式(1)可得出浆比重：

ρ2=

()

Q

Q

D

1

2

32

ρ

υ

ρ+

∏

(2)

=

()

1

2

32ρ

υ

ρ

+

∏

Q

D

（3）

进（出）浆流量为800m3,ρ1=m3，中风化圆砾岩ρ3=m3,盾构外壳直径为，掘进速度取ν=10 mm/min,即ν= m/min，得：

ρ2=

()

800

30

.1

800

2

65

.

11

14

.3

6.0

43

.22⨯

+

⨯

⨯

=m3 此处的掘进的速度的单位应当为mm/min 或者为m/h,应当保持单位的统一性；还有盾构机在正常掘进的时候的流量绝对不会是800m3

根据以上计算与实际掘进中实测进出浆泥浆比重相符合。

而通常掘进岩层比重，盾构机直径及进浆比重可视为给定值，则（3）式可简化为如下：

ρ2=1ρυ

+Q K （4）

系数K-- K=232⎪⎭

⎫ ⎝⎛D πρ 而通常在不同地层当中，围岩比重可根据所占百分比取其平均值，不同岩层原状土百分比分别为A,B,C,....,比重分别ρa3,ρb3,ρc3.....,则ρ3按下式计算：

ρ3=....333+++C B A c b a ρρρ

根据以上计算可以得出以下结论：

（1）在流量一定的情况下，出浆比重是由进浆比重和掘进速度决定的，通过泥浆站调配合理比重的进浆，来保证泥浆具有良好的携渣能力，同时通过控制掘进速度来控制出浆比重，防止出浆堵管和降低对泥浆泵及相关设备的损耗，同时泥浆比重过大会导致泥浆流量降低，单位时间出渣量减少，影响掘进进度。

（2）根据（3）式可以看出，进浆比重可以通过泥浆站制调浆系统调制，掘进速度一定时，增加流量也会降低出浆比重，而增大流量会极大的增加泥浆泵负荷，尤其对于比重较大的情况下，容易造成泥浆泵等重要泥水水循环系统设备发生故障，所以一般情况流量都是根据泵的负载能力和泥浆泵配备设定的。

2、出渣量计算

泥水盾构掘进出渣是指在进出浆动态平衡保持掌子面平衡状态下，通过

具有一定比重和良好携渣能力的进浆，进入泥水仓经刀盘转动搅拌形成比重较大的泥浆将刀盘切削下来的围岩通过出浆管携带出仓实现掘进的过程。

通过上述定义可以将出渣理解为在进出浆流量相同的情况下，通过比重不同的泥浆来携带出渣实现掘进的过程。而实际掘进中由于泥水压力建立不合理、掌子面失稳或掌子面涌水导致出浆流量要比进浆流量高出60~100m3流量。此种情况也可理解为在比重不能保证出渣顺畅时可通过增加出浆流量来增加出渣以保证出渣顺畅。则在此种情况下出渣计算可表示如下： 31122)(ρυρρV l

Q Q =⨯- (1)此处的小l 代表的是什么，大L 又代表

什么什么呢） 则出渣量为：υ

ρρρ31122)(L

Q Q V ⨯-= （2） 实际出渣量表示为：()υl D V ⨯∏=202 （3）

通过实际出渣与理论出渣可判断是否存在超欠挖，实际出渣为单位时间掘进一定进尺的空间，而理论出渣是根据掘进速度及进出浆状态计算而得。

（1）超挖情况：V V >0，会导致地面沉降，隧道不稳定。(超挖只是有可能导致地面沉降，也可能导致塌方，具体要看是在什么样的地质之下)

（2） 不超挖不欠挖情况：V V =0，理想的掘进状态。

（3）欠挖情况：V V <0，会导致地面隆起。

以上的情况只是在理想的状况下的计算公式，其实在实际的掘进中，很多时候都不是这种状况，都是要从实际出发，然后再根据盾构机掘进的事实参数，对比这些参数之后按照统计学的方法取掘金中的有效值才行。再者，计算出渣量的时候还要把理论计算的出渣量与实际的出渣量进行对比，以便