液压气动与密Ｊｄ＇／２０１６年第０７期 ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００８—０８１３．２０１６．０７．０１７ 泥水盾构泥浆环流系统管路压力损失分析与计算 秦邦江 ，夏毅敏 （１．中南大学机电工程学院，湖南长沙４１００８３；２．中国铁建重工集团有限公司，湖南长沙４１０１００） 摘要：泥水平衡盾构中，泥浆环流系统是利用管道输送渣浆的系统，主要利用泥浆的流动带走盾构机切削下来的渣土，达到盾构机 出渣的目的。盾构机施工时，随着盾构机的掘进，隧道长度逐渐变长，输送泥浆的管道也必须相应延伸，同时管路上阀门、弯头数量也 会逐步增多，这也必将导致输送系统的管路压损逐步增加。管路的压力损失直接影响到输送系统渣浆泵扬程的选择。文章从管道直 径、流量、渣浆密度，以及阀门、弯头等因素出发，对管路压力损失的影响进行分析，根据计算公式，对整个输送系统的扬程损失进行计 算，并根据计算结果最终确定渣浆泵的扬程。在设计沈阳地铁泥水平衡盾构时，根据沈阳地铁施工的地质条件，按文章中的计算方 法，得出泥水盾构泥浆环流系统的泵扬程参数，经过与实际施工参数的对比，理论计算数据与实际施工数据基本吻合。 关键词：泥水平衡盾构；泥浆环流系统；压力损失；计算 中图分类号：ＴＨ１３７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—０８１３（２０１６）０７—００５２—０４ Ｔｈｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｓｌｕｒｒｙ Ｓｈｉｅｌｄ ＱＩＮＢａｎｇ－ｊｉａｎｇ ．ＸＩＡ Ｍ－ａｒｉｎ’ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆＣｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｖｙ．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｓｈｉｅｌｄ，ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｓｌｕｒｒｙ ｗｈｉｃｈ ｔａｋｉｎｇ ｏｕｔ ｔｈｅ ｅａｒｔｈ ｃｕｔ ｄｏｗｎ ｂｙ ｔｈｅ ｓｌｕｒ－ ｒｙ ｓｈｉｅｌｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｆｌｏｗ．Ｗｉｔｈ ｓｌｕｒｒｙ ｓｈｉｅｌｄ ｗｏｒｋ ｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｗｉｌｌ ｂｅｃｏｍｅ ｌｏｎｇｅｒ，ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｏｆ ｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｌｔｓｏ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｌｏｎｇｅｒ， ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｖａｌｖｅｓ ａｎｄ ｂｅｎｄｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ＣＯｒｒｅｓｐ０ｎｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌｌ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌｌ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｃｈｏｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｈｅａｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｐｉｐｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｆｌｏｗ ｒａｔｅ， ｓｌｕｒｒｙ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｖａｌｖｅｓ，ａｎｄ ｂｅｎｄｓ ｈａｖｉｎｇ ａｆｆｅｃｔｉｏｎ Ｏｆｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃａｌ－ ｃｕｌａｔｅｄ，Ａｓ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｈｅａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｓｈｉｅｌｄ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ ｓｕｂｗａｙ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｂｙ ＵＳ— ｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｗｈｉｃｈ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｕｍｐ ｈｅａｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｃｏｍｐａｎｙ ｗｉｔｈ ｈｅｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄａｔａ ｏｆ ｈｅ ｔｐｒｏｊｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｒｒｙ ｓｈｉｅｌｄ；ｓｌｕｒｒｙ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｌｏｓｓ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ０引言 目前许多城市地铁隧道和引水隧道施工都需要泥 水平衡盾构施工，泥水平衡盾构中泥浆环流系统必须 使用管道输送泥浆来达到出渣的目的。不同的浆液成 分，在管道内有着不同的流动状态。渣浆在管道内不 同的流动状态下，呈现出不同的流动特性，管道内渣浆 直接影响输送系统在管路上的压力损失，管道内浆液 之一。 合适的运行参数是衡量整个系统经济性的重要指标 渣浆是任何液体和固体的混合物。广义上讲，渣 浆分为不可沉降与可沉降两大类。不可沉降渣浆含有 非常精细的颗粒，绝大部分颗粒粒径小于５０１￣ｍ，这样 一流动形成的阻力、渣浆的速度、输送距离和高差等因素 收稿日期：２０１６—０２—２３ 的颗粒可以形成稳定均匀的混合物，并有一定的粘度， 般不易发生沉降现象，这样的渣浆通常是低磨损 的。但是当浓度较高时，此类渣浆会呈现非牛顿性能 基金项目：国家高新技术研究发展计划（２０１２ＡＡ０４１８０２）；湖南省重大科 技专项（２０１４ＦＪ１００２） 作者简介：秦邦江（１９８４一），男，广西桂林人，在读研究生，主要研究方向 为液压与流体传动系统。 ·＋－—－－一·＋－——●一一—－＋一－＋－—· －—— ·—— －＋－＋·＋－—－’一·＋·—＋一－—－＋一 （或流变性能），不同于一般的液体，通常他们被称为非 牛顿流体。 ＋－＋·＋－—·＋一－—－＋一－—－＋一一—－●一－—－ －—’一－—＋一－ 可沉降渣浆是由粗颗粒与液体混合形成的，浆液 Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２０１４． ［１５］邱法维，肖林，沙锋强，王刚，赵云峰，黄兴宏，刘作印．双电 机驱动数字液压阀的研发［Ｊ】．液压气动与密封，２０１３，（５）． ［１６】ＡｎｄｒｚｅｊＭｉｌｅｃｋｉ，ＤｏｍｉｎｉｋＲｙｂａｒｃｚｙｋ，ａｎｄ ＰｉｏｔｒＯｗｃｚａｒｅｋ．Ａｐｐｌｉ— ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＭＦＣ Ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ Ｅｔｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｃ ＳｅｒｖｏＤｒｉｖｅ ｗｉｔｈ ［１７】ＤｏｍｉｎｉｋＲｙｂａｒｅｚｙｋ，ＰｉｏｔｒＯｗｃｚａｒｅｋ ａｎｄ ＡｒｋａｄｉｕｓｚＫｕｂａｃｋｉ．Ｄｅ－ ｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｄｒｉｖｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ ＰＭＳＭ Ｍｏｔｏｒ［Ｍ］．Ｂａｓｅｌ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２０１６． ａ Ｖａｌｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ［Ｍ］．Ｂａｓｅｌ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ５２ ： ： 中绝大部分颗粒粒径大于５０１ｘｍ，这种渣浆是不稳定的 混合物。在流速过低时，部分固体颗粒就会发生沉 阀门的局部阻力系数，该系数计算公式非 常复杂，一般用实验所得。 降。这些粗颗粒在流动时，对泵和管道会有较强的磨 损。这种类型的渣浆也常被称为非均匀流体，这也是 大多数渣浆输送工况要输送的介质。文章也主要以可 沉降渣浆为主要对象，分析可沉降渣浆在管道内输送 的压力损失。 １理论模型 图１所示是一个管路上布置有阀、弯头等原件的一 个管路输送系统，管路中压力损失主要有直管段产生 的管路沿程损失Ｐ．．，阀门上产生的局部损失Ｐ ，以及 弯头处产生的局部损失Ｐ ；图中：Ｐ 表示系统第ｉ段 直管上的压降，ｉ＝１，２，３…Ｎ；Ｐ ｉ表示第． 个阀门上的 压降， ＝１，２，３…Ｎ；ｐ叽表示第ｋ个弯头上的压降，ｋ＝ １，２，３…Ｎ；Ｐ 表示出口压力。 嚣 素 图１泥浆输送管路系统模型原理 １．１管路系统沿程损失 流体系统中沿程损失Ｐ。，可用以下公式来计算： ｐ ＝Ａ寺兰 （１） 式中Ｐ ——管路中的沿程损失； Ａ——沿程阻力系数，与雷诺系数Ｒｅ和管壁粗 糙度有关；紊流系统中，当Ｒｅ＝５×１０ 一１０ 时， Ａ＝０．３１６￣Ｒｅ。；当Ｒｅ＝３×１０ 一３×１０ 时，Ａ＝０．０１２２７＋ ０．７５４３／Ｒｅ。·蛐： 卜一管道长度； 卜管道内径； 一管道内介质的平均流速。 因此，图１所示系统中的沿程损失Ｐ 可以按以下 公式计算： Ａ寺譬” ｄ· ．．＋Ａ·生ｄ·譬＝ ·譬 （２） １．２管路系统局部阻力损失 １）阀门局部阻力损失 流体系统中有阀门造成的局部阻力损失可按以下 公式计算： Ｐｖ · （３） 式中Ｐ ——阀门引起的局部阻力损失； 因此，图１所示系统中的局部压力损失Ｐ 可以按 以下公式计算： ｐ 丁ｙｖ２ ·芋＋．． ·丁ｙｖ２＝冀 ·芋（４） 式中．７——系统中阀门个数。 ２）弯头局部阻力损失： 流体系统中由弯头造成的局部阻力损失可按以下 公式计算： Ｐｗ · （５） 式中Ｐ ——弯头引起的局部阻力损失； 弯头的局部阻力系数，该系数计算公式非 常复杂，一般用实验所得。 因此，图１所示系统中的弯头造成的局部压力损失 Ｐ 可以按以下公式计算： ｐ 孚 ＋．． ·孚＝喜 孚 （６） 式中ｋ——系统中弯头个数。 ３）局部阻力当量 由于局部阻力系数 的计算方法非常复杂，流体 系统计算中，通常将局部阻力损失折合成一段同一直 径的相当的管路沿程来计算，这段管路的长度叫做当 量长度，用 表示。由此我们可以将阀门阻力损失用 以下公式表达： Ｐ ＝Ａ· ｔｅｊ· ２ （７） 式中 ｉ——第． 个阀门的当量长度； 因此，系统中总的阀门局部阻力损失可用以下公 式表示： ｐｖ （∑ｉ＝ｌ ｚｉ＋ ＋ ） ‘等 （８ 同理，系统中的总弯头局部阻力损失可用以下公 式表示： ｐｗ ’等 （９） １．３系统总损失计算 系统中的总损失Ｐ 由Ｐ 、Ｐ 、Ｐ 组成，因此： ｐｆ ｐＬ＋Ｐｖ＋Ｐｗ ＝姜 譬＋薹 。萼＋兰 。譬 ＝（ ｔ＋ ＋苫 －）‘ ‘等 （１０） 液压气动与密￣１－／２０１ ６年第０７期 ２计算实例 ２．１理论计算 频调节转速，以调节转速来达到调节流量扬程的目 的。图３显示的是该排浆泵的性能曲线。根据曲线上 显示，当泵的转速调至８００ｒ／ｍｉｎ，流量８００ｍ ／ｈ时，扬程 本文以沈阳地铁隧道施工用的泥水平衡盾构泥浆 环流系统的排浆系统来分析计算。已知条件如下：泥 浆环流系统管径ＤＮ３００，隧道总长２６００ｍ，竖井深度 １８ｍ，竖井离泥浆处理设备１５０ｍ；泥浆处理设备高度 １０ｍ，泥浆比重约为１．２８，系统中阀门总数量约３０个， 弯头约１５个，排浆流量取９００ｍ。／ｈ； 排浆的总扬程可按照公式（１０）来计算，式中阻力 系数Ａ可用以下经验公式计算： （１１） 式中Ｃ——管种系数，一般在１００—１２０； 卜管道直径； ～管道内截止的平均流速； ～重力加速度。 工程计算中，根据经验，一般一个阀门的当量长度 取２ｍ，一个弯头的当量长度取５ｍ。 将以上已知条件及工程中的经验数据代人公式（１０） 计算，得到该工程排浆系统总扬程Ｈ最少需要１ ３９ｍ。 ２．２计算实例 为核实计算结果是否正确，以下进行了系统仿真 模拟，图２是盾构机泥浆环流系统的排浆系统仿真模 型。全程布置三个排浆泵，分别编号Ｐ２．１、Ｐ２．２、Ｐ２．３， 其中Ｐ２．１泵安装在盾构机拖车上，Ｐ２．２和Ｐ２．３泵安装 在隧道内。系统出口压力设定为竖井高度和设备高度 所形成的压力，根据该工程工况，系统出口压力取 ３．５ｂａｒ（用于抵抗竖井高度和泥水分离设备高度的２８ｍ 竖直管路在管道内形成的泥浆压力）。全程直管长度 设定２７５０ｍ。 图２仿真模拟排浆输送系统 系统中选用的排浆泵为国外品牌的１０／８ＧＨ渣浆 泵，此泵能适应含高浓度、大粒径固体颗粒的渣浆泵 送，具有高耐磨性，流量大，但扬程较低的特点。此泵 比较适合泥水平衡盾构排浆的工况。由于扬程较低， 一台泵无法满足该工程需求，因此选用三台泵接力泵 送来满足排浆的扬程需求，三台泵配置完全相同，可变 约为５４ｍ。 ｌＯＯ ８Ｏ ６ｏ 。 ２Ｏ ０ ４００ ８００ ｌ０００ ｌ２００ 流量Ｑ／ｍ。·ｈ一 图３排浆泵性能曲线图 图４所示为仿真模拟变频调节转速的过程，图中纵 轴表示转速（ｒ／ｍｉｎ），横轴表示调节时间（Ｓ），图中０～３ｓ 时间段为启动过程，转速达到８００ｒ／ｍｉｎ，３～１８ｓ时间段 为以８００ｒ／ｍｉｎ的转速稳定运转，１８～４５ｓ为从８００ｒ／ｍｉｎ 的转速匀速调节至７００ｒ／ｍｉｎ的转速变化过程。转速在 变化时，比较平稳的过渡。 皇 吕 ‘ ＼ 时间／ 图４泵的变频调速过程曲线 图５所示为泵在启动调速过程中，流量的变化过 程，纵轴表示流量（Ｌ／ｍｉｎ），横轴表示时间。图中可以 看出，从泵启动到泵的转速稳定时，流量有一个冲击， 随后稳定在１５５００Ｌ／ｍｉｎ，从第１８ｓ开始调速，泵的转速 开始下降，泵的流量随之下降，流量下降过程中也出现 了一个流量波动，并非平滑过渡。这是由于离心泵性 能所致，因此，在调速时，为防止流量波动较大，必须缓 慢调节泵的转速。 图６所示为管道内流速的变化，由于管径已经确 定，流速的变化完全取决于流量的变化，因此，流速 变化曲线几乎与流量变化曲线一致。在泵转速为 ８００ｒ／ｍｉｎ时，流速稳定在３．６ｍ／ｓ。 ．ｇ ｇ ＼ 删 时间／ｓ 图５调速过程对应的流量变化曲线 参 量 时ｆ团／８ 图６流速变化曲线 图７所示为三台泵出口的压力随转速调节变化的 过程，图中可以看出在转速为８００ｒ／ｍｉｎ时，Ｐ２．１泵出口 压力约为５．６ｂａｒ，Ｐ２．２泵出口压力约为４．３ｂａｒ，Ｐ２．３泵出 口压力约为４．４ｂａｒ。 ６．Ｏ ５ ０ ｔ ０ 硝 ｏ ＼３．０ 日２ ０ ｌ Ｏ ０ ０ 时间／ｓ 图７各泵的出口压力曲线 每个泵出口压力不同，是由于泵出口管路长度、管 口高度不同造成的。当泵的转速下降时，流量也随之 下降，管道内流速下降，管道阻力损失随之下降，因此， 泵出口压力降低。图中Ｐ２．３泵出口压力变化较小，这 是因为Ｐ２－３泵安装位置比较靠近出口，出口管路较短， 出口压力主要是有出口的垂直高度形成的压力，出口 垂直高度基本为一定值，所以Ｐ２－３泵出口压力变化 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．０７．２０ １ ６ 较小。 由仿真分析结果可以看出，在泵转速为８００ｒ／ｍｉｎ 时，泵的流量为９３０ｍ３／ｈ；系统对应的总压力为１４．３ｂａｒ， 即约为１４３ｍ的扬程。这与上述理论计算结果的１３９ｍ 总扬程基本一致。 、 ３结论 文章运用理论推导，总结了泥水盾构泥浆环流系 统管路损失的计算方法，并通过系统仿真来验证了计 算结果。由此我们得出以下结论： （１）经过对比，理论计算结果与仿真结果基本一 致，符合理论公式的结果。该盾构在沈阳地铁隧道施 工时，理论计算与实际测量数值基本吻合。 （２）通过理论计算和系统仿真可以得出，系统流速 对管路系统的压力损失影响较大，因此在设计时，流速 应控制在合适的范围内，否则会造成不必要的能量 损失。 （３）系统管路中管道直径也是影响压力系统扬程 损失的重要因素之一，合理选择管道直径，得到合适的 流速，是系统原理设计重点考虑参数之一。 （４）泥浆输送系统设计时，应尽量减少弯头和阀门 等局部阻力损失的数量。 参考文献 【１］ 国市政工程西南设计研究院．给水排水设计手册（第１册）第 ２版［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０００． ［２】 王雪原，黄慎勇，付忠志．长距离输水管道水力计算公式的选 用ｆＪ］．给水排水，２００６，３２（１０）：３２—３５． ［３】 费祥俊．浆体与粒状输送水力学［Ｍ】．北京：清华大学出版社， １９９４． 『４］ 汪东，许振良，孟庆华．浆体管道输送临界流速的影响因素及 计算分析［Ｊ】．管道技术与设备，２００４，（６）－１—２． ［５】 司徒菲，陈才高，李金印．长距离大口径输水管线摩阻系数及 局部水头损失系数研究［Ｊ】＿给水排水，２０１ １，３７（８）：１０８—１ １ １． ［６ 孙万功．６］输水管道设计中的糙率选取问题研究［Ｊ］．太原理工 大学学报，２００３，３４（３）：３７１—３７２． 【７】 李辉．重力流压力管道输水系统的水力学问题【Ｊ】．山西建筑， ２００４，３０（８）：７３—７４． ｆ８１ 张俊，张晓婷．流体传输中流体阻力和水头损失的计算『Ｊ】．流 体传动与控制，２０１ １，ｆ４）：２４—２７． ［９ ９］隆丹彤．非牛顿型浆体管道阻力降的一种简捷计算方法［Ｊ】． 天津化工，２００６。２０（５）：５ １—５２． ［１０】王俊，王二平，阎民，陈艳．高浓度泥浆泵输送能力及管道阻 力试验研究［Ｊ］．人民黄河，２００３，２５（９）：４２—４３．