卵石地層中泥水盾構管道出渣影響因素研究

摘 要：為了解決泥水環(huán)流系統(tǒng)排渣困難，避免出現排渣口卵石滯排以及環(huán)流系統(tǒng)泵供能不足的現象，研究了渣土在泥漿管路中的堆積量和水力坡降變化規(guī)律。通過離散元法構建排漿水平管段石渣輸送數值模型，研究泥漿流量、泥漿相對密度、石渣質量流率對石渣堆積量、泥漿管路水力坡降的影響。結果表明：現有施工參數下大于20 mm粒徑的石渣主要在水平直管底部做推移運動;泥漿流量的增大能夠明顯減少管路系統(tǒng)中的石渣堆積量，且能夠大大削弱泥漿相對密度和質量流率對石渣堆積量的影響，管路水力坡降呈先減小后增大的趨勢，在流量為763.41 m3/h時取得最小值;石渣堆積量隨泥漿相對密度的增大呈下降趨勢，管路水力坡降呈增大趨勢;石渣質量流率的增大會增大管路中的石渣堆積量和管路的水力坡降。

關鍵詞：泥水盾構;環(huán)流系統(tǒng);水平直管;堆積量;管路水力坡降;質量流率

中圖分類號：U455 文獻標志碼：A

Abstract： In order to solve the problem of slagging in the slurry shield circulation system， avoid the stagnation of the gravel in the slag discharge port and the insufficient energy supply of the circulation system pump， the accumulation quantity of ballast in the mud pipe and the variation of the hydraulic gradient was studied to ensure mucking of the slurry shield circulation system. The discrete element method was used to construct the numerical model of ballast transportation in the horizontal pipe， and the influence of mud flow， mud specific gravity， mass flow rate of ballast on the accumulation quantity of ballast and the hydraulic gradient of the mud pipeline were studied. The research shows that under the current construction parameters， the ballast which is greater than 20 mm is mainly moved at the bottom of the horizontal straight pipe; the increase of mud flow can significantly reduce the accumulation of ballast in the pipeline system， and can greatly weaken the mud weight and mass flow rate， and the hydraulic gradient of the pipeline decreases first and then increases and the minimum value is 763.41 m3/h; the accumulation quantity of ballast decreases with the increase of the specific gravity of the mud， and the hydraulic gradient of the pipeline increases， and the increase of the ballast mass flow rate increases the accumulation quantity of the ballast in the pipeline and the hydraulic gradient of the pipeline.

Key words： slurry shield; circulation system; straight horizontal pipeline; accumulation quantity; hydraulic gradient; mass flow rate

1 引 言

目前泥水盾構被廣泛應用于我國地下空間工程以及隧道施工工程中[1-3]。我國地緣遼闊，盾構機在地下掘進過程中會面臨多種復雜地層，在蘭州穿黃工程中就遇到卵石地層，掘進過程中主要遇到兩方面問題：①盾構機開挖系統(tǒng)出現刀具過量磨損甚至刀盤面板異常磨損現象;②盾構機環(huán)流系統(tǒng)排渣困難，在排渣口容易出現卵石滯排現象，石渣粒徑和數量的增大造成環(huán)流系統(tǒng)泵供能不足的現象。環(huán)流系統(tǒng)作為盾構機的排渣系統(tǒng)，其工作的穩(wěn)定性對盾構機高效掘進和安全施工具有重要意義。

目前國內外學者針對管道內固體顆粒輸送方面開展了大量研究。F.Ravelet等[4]通過試驗得到顆粒尺寸與密度對顆粒形成固定床或分散流的影響，并對經驗公式進行了修正。王少勇等[5]通過試驗研究不同水力參數對管道壓力損失的影響，確定了不同水力參數與壓力損失間的函數關系。Edelin等[6]從能量的角度研究了聚丙烯顆粒在清水中輸送的最佳濃度。周知進等[7]研究顆粒組分特性與輸送速度之間的關系，得到顆粒體積分數。曹斌等[8]通過高速攝影儀研究不同水力參數下粗顆粒水力學特性。隨著計算機的發(fā)展，數值模擬方法被越來越廣泛地應用到管道輸送研究中，相比試驗手段，其具有研究周期短、投入成本低等優(yōu)勢。夏毅敏等[9-10]研究了石渣形狀系數、等容粒徑和數量對石渣起動速度的影響，以及盾構機操作參數對環(huán)流系統(tǒng)壓力損失和石渣輸送速度的影響。楊端等[11]研究了泥水盾構環(huán)流系統(tǒng)水平直管中渣土輸送特性。Gopaliya等[12]利用兩相流理論構建了鐵礦填充料漿和沙漿的固體流動模型，分析了鐵礦填充料漿和沙漿在水平管內的流動狀態(tài)。Jiang等[13]采用歐拉多相流模型研究流速和平均固體體積分數對氮漿流動特性的影響。

上述研究的管道輸送介質多為清水，其漿液流變特性與泥水盾構環(huán)流系統(tǒng)中泥漿有較大區(qū)別，且固體顆粒多為小粒徑細砂，因而所得研究成果難以適用于泥水盾構泥漿管道的石渣輸送。本研究以蘭州某穿黃工程為例，其施工地層分為人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖積地層、第四系下更新統(tǒng)沖積地層和第三系中新統(tǒng)泥巖夾砂巖層，施工地層中卵石含量高達81.95%，粒徑大于10 mm以及小于40 mm的卵石含量約占64.53%，粒徑大于200 mm的漂石含量較少。筆者基于固-液兩相流運動理論，考慮泥漿流變特性，建立排漿水平管段的石渣運動模型，研究了泥漿輸送速度、泥漿相對密度、石渣質量流率對石渣堆積量、泥漿管道輸送阻力的影響。

2 水平直管石渣輸送模型

2.1 泥漿模型

泥漿流動過程中遵循質量和動量守恒定律，不考慮泥漿和石渣間的熱傳遞與相變特性，其連續(xù)性方程和動量方程如下：

2.2 石渣運動模型

石渣在輸送過程中受到石渣重力、石渣-石渣、石渣-管壁之間的接觸力和石渣-泥漿相互作用力，其運動模型如下：

2.3 幾何模型和邊界條件設置

該隧道工程石渣粒徑主要在10～40 mm范圍，平均石渣粒徑為20 mm。石渣密度為2 500～2 800 kg/m3，為便于分析，設定石渣密度為2 700 kg/m3。管道模型如圖2所示，水平管道長L=5 m，直徑D為300 mm，石渣設置以一定質量流率從管道入口進入，質量流率即為每秒輸送的石渣質量。仿真邊界條件采用速度進口、總壓出口邊界條件及壁面無滑移邊界條件，湍流模型選用Standard k-ε流場模型，采用SIMPLE算法求解速度、壓力耦合方程。

3 結果及分析

3.1 顆粒流態(tài)與流場分析

由于石渣粒徑較大，因此大部分石渣無法在泥漿浮力和湍流作用下克服重力以懸浮狀態(tài)進行移動。石渣以一定速度進入，泥漿與石渣發(fā)生動能交換，推動石渣向前運動。石渣群開始做加速運動，石渣群的運動軌跡類似拋物線，總體趨勢呈現順泥漿流動方向與重力方向運動。石渣顆粒從懸移運動狀態(tài)變成完全推移運動狀態(tài)移動的距離稱為沉降距離。由圖3可知，沉降距離隨泥漿流量Q的增大而增大，當石渣開始做推移運動時，大量石渣與管壁接觸，受到管壁摩擦阻力影響，石渣群整體運動速度開始降低。由于入口石渣顆粒的質量流率一定，且管道足夠長，顆粒群在達到沉降距離之前的整體運動速度是高于達到沉降距離之后的，因此石渣在管道底部會發(fā)生一定堆積，且泥漿流量越大，堆積量越少。越靠近管道底部的石渣受到泥漿流動的影響越小，造成石渣的速度分布不均勻，如圖4所示。管道底部石渣的運動速度較低，呈推移運動;堆積層上部區(qū)域石渣運動速度高，呈翻滾式跳躍運動。石渣堆積也造成泥漿流速分布不均，堆積層較厚的地方流速高，堆積層較薄的地方流速低，如圖5所示。

3.2 泥漿流量的影響

定義泥漿密度與清水密度的比值為泥漿相對密度s，圖6為不同泥漿相對密度下石渣的堆積量隨泥漿流量增大的變化曲線。可知，當泥漿相對密度一定時，石渣堆積量隨泥漿流量的增大呈下降趨勢。

泥漿流量對石渣堆積量影響明顯，當泥漿流量為508.94 m3/h、漿液相對密度為1.1時，石渣堆積量為114.8 kg，石渣體積為管道總體積的12%;排漿管的泥漿流量增大至763.41 m3/h時，石渣的堆積量急劇減小，系統(tǒng)殘留的石渣質量僅為37.06 kg;進一步增大漿液流量后，石渣堆積量降幅變得平緩。

由圖7可知，當泥漿相對密度、石渣質量流率一定時，水力坡降隨泥漿流量的增大呈先降低后增大的趨勢，水力坡降均在泥漿流量為763.41 m3/h時取得最小值。當泥漿流量超過763.41 m3/h后不同泥漿相對密度下水力坡降增幅幾乎相等。這是由于流量超過763.41 m3/h后，漿液流速成為了管道水力坡降的主要影響因素，此時石渣相對密度對管道水力坡降的影響程度會被削弱，因此在大流量工況下石渣相對密度的增大對管道水力坡降的影響變得不明顯。

3.3 泥漿相對密度的影響

圖8為不同泥漿流量下石渣堆積量隨漿液相對密度變化的規(guī)律。由圖8可知，當泥漿流量為508.94 m3/h時，管道石渣堆積量隨泥漿相對密度的增大呈衰減趨勢。隨著泥漿流量的增大，泥漿相對密度對石渣堆積量的影響減弱。

3.4 石渣質量流率的影響

不同泥漿流量下石渣堆積量隨石渣質量流率變化規(guī)律見圖10。由圖10可知，當泥漿流量一定時，石渣堆積量隨石渣質量流率的增大呈增大趨勢，增長率隨泥漿流量的增大而減小。當流量為508.94 m3/h時，石渣質量流率對石渣堆積量影響較大，隨著泥漿流量的增大，石渣質量流率對石渣堆積量的影響越來越小。當石渣質量流率從13 kg/s增大到26 kg/s，泥漿流量為763.41、1 017.88、1 272.35 m3/h時對應的石渣堆積量分別增加了11.45、7.14、4.60 kg。

4 結 語

以蘭州某穿黃河工程為例，基于固-液兩相流理論，考慮泥漿流變特性，建立排漿水平管段卵石運動模型，通過有限體積法和離散單元法研究了泥漿流量、泥漿相對密度、石渣質量流率對石渣堆積量、泥漿管道輸送阻力的影響，得到如下結論：

（1）當管路泥漿流量為508.94～1 272.35 m3/h，泥漿相對密度為1.10～1.30，質量流率為13.36～26.71 kg/s時，大于20 mm粒徑的石渣以底部推移運動為主。

（2）泥漿流量的增大能大大降低環(huán)流系統(tǒng)中石渣的堆積量，隨著流量的增大環(huán)流系統(tǒng)水力坡降呈先減小后增大趨勢，在泥漿流量為763.41 m3/h時取得最小值。

（3）泥漿相對密度的增大會減少環(huán)流系統(tǒng)中石渣的堆積量，當漿液流量大于763.41 m3/h時，該作用會被明顯削弱。當泥漿流量為508.94 m3/h時，水力坡降隨泥漿相對密度的增大呈減小趨勢，而當泥漿流量大于763.41 m3/h時，水力坡降隨泥漿相對密度的增大呈增長趨勢。

（4）漿液流量較低時，石渣質量流率的增大會明顯增大環(huán)流系統(tǒng)中石渣的堆積量，隨著漿液流量的增大該作用會被削弱。水力坡降隨著石渣質量流率的提升呈近似線性增長趨勢。

現有研究中石渣粒徑單一且為球形顆粒，可以進一步對非球形石渣和不同粒徑石渣展開研究，另外本研究管道局限于水平直管，可以進一步對復雜管路結構進行探究。

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【責任編輯 張華巖】