大直徑泥水盾構機攪拌器卡滯分析及結構優(yōu)化

歷朋林 袁 鵬 嚴文杰

（1.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899；2.上海市市政工程管理咨詢有限公司 上海 200093；3.中南大學機電工程學院 湖南長沙 410083）

1 引言

隨著大量過江、過河隧道的修建，泥水盾構機被廣泛應用于隧道建設中［1-3］。為確保隧道施工安全高效的進行，廣大學者針對泥水盾構施工開展了各項研究。杜貴新［4］對盾構掘進產生的廢棄泥漿綠色處理技術進行了適應性研究。毋海軍［5］對圓礫粉細砂層中泥水盾構掘進參數進行了研究，有效控制了地表沉降，延長了刀盤刀具的使用壽命。俞超杰等［6］對不同泥漿液位下盾構隧道開挖面主被動極限支護力及失穩(wěn)破壞模式進行研究。Xiao等［7］研究了泥水盾構機刀盤上噴嘴的收斂角，直徑以及長徑比對噴嘴沖刷特性的影響。Wang等［8］研究了石渣在不同流速、體積濃度下的流動特性。馬博松等［9］研究了攪拌器轉動速度、轉動方向、間距大小和泥漿入口流速對攪拌器攪拌特性的影響。劉泉維等［10］利用大尺寸模型試驗，研究了不同水頭高度下兩種地層中開挖面主動破壞的發(fā)展模式和受力情況。魏代偉等［11］利用自行設計的泥膜形成時間測量裝置研究了泥膜的形成時間及相關規(guī)律。林存剛等［12］基于杭州慶春路過江隧道研究了泥水盾構掘進參數對地面沉降的影響。但是我國幅員遼闊，地質條件復雜，在不同的隧道工程中總是會發(fā)生一些新問題。在濟南黃河隧道西線施工過程中泥水盾構出現頻繁卡滯問題導致盾構機無法正常推進，嚴重影響施工效率。為解決攪拌器卡滯問題，本文運用Fluent軟件研究了攪拌器工作過程中的受力變化特性，結合仿真結果對卡滯原因進行分析，最終提出了解決方案，成功解決了攪拌器卡滯問題。

2 工程概況

濟南黃河隧道工程為城市主干道，分上下兩層，下層為地鐵行車區(qū)間，上部作為城市中主干道。其起點位于黃河南岸老城濟濼路與濼口南路交叉口以南約300 m，向北依次下穿二環(huán)北路、繞城北高速高架、南岸大堤、黃河、北岸大堤、鵲山村，后接現狀國道G309，全長約4.76 km。工程位置見圖1。其中隧道段長3 700 m，盾構段長2 519 m，采用2臺φ15.76 m泥水平衡盾構機施工，管片外徑15.2 m，穿越的地層主要為粉質黏土層，局部分布鈣質結核，滲透系數約1.48 m/d。盾構段未切入基巖。黃河段覆土厚度約35～39 m，承受的最大水壓約0.65 MPa。

圖1 濟南市濟濼路穿黃隧道工程

濟南黃河隧道西線施工時采用的泥水盾構機配置了攪拌器和格柵，在掘進至100環(huán)前的全斷面Q4地層時，掘進參數正常，掘進效果較好；但掘進至100環(huán)以后的Q3地層時，隨著掘進的進行，粉質黏土層厚度增加，攪拌器開始頻繁卡滯，導致盾構機無法正常推進，掘進速度僅為一天4環(huán)。由圖2可知，35環(huán)時開挖出的渣土為砂土，粒徑較小，而178環(huán)和187環(huán)所在的地層為硬塑粉質黏土，開挖出的最大泥團直徑超過20 cm。

圖2 現場渣樣

3 攪拌器仿真模擬及解決方案

3.1 仿真模型

根據圖紙和攪拌器實物，考慮網格質量和仿真計算的時間，建立了兩個攪拌器系統的簡化物理模型，都由攪拌器箱體、泥漿門、排漿管、攪拌葉輪四個部分組成，并將流體域劃分為靜止區(qū)域和旋轉區(qū)域兩個部分，如圖3所示。兩個攪拌器系統中的攪拌器有所不同，如圖4所示，其中圖4a為工程中使用的原攪拌器模型，圖4b為改進后的攪拌器，去除了原攪拌器的側面擋板及外端擋板。采用非結構化網格方式劃分網格，整體網格劃分采用網格組裝的方式完成，旋轉域與靜止域通過Interface面進行數據交換，最終組裝網格的最小網格質量為0.37，網格如圖5所示。

圖3 攪拌器系統總體結構

圖4 兩種攪拌器葉輪結構

圖5 攪拌器系統網格劃分

在Fluent軟件中采用滑移網格法對泥水盾構機攪拌器葉輪雙軸攪拌過程進行模擬，旋轉區(qū)域的流場繞葉輪中心旋轉運動，靜止區(qū)域的流場保持靜止不動。求解方法選擇應用最為廣泛的SIMPLE算法，攪拌器系統模型中泥漿門和排漿口的邊界條件為速度入口；壁面邊界條件均采用無滑移固壁邊界條件；攪拌葉輪的旋轉方向設置為與旋轉區(qū)域同向，相對速度為零；DPM顆粒大小設置為20 mm，顆粒的速度方向與泥漿速度方向相同；初始條件為旋轉區(qū)域與靜止區(qū)域均充滿泥漿。

3.2 攪拌器受力特性分析

利用上述的仿真模型模擬濟南隧道工程攪拌器系統在不同泥漿密度、不同轉動速度、不同葉輪結構下工作時的攪拌器工作情況；分析得出泥漿密度、攪拌速度及攪拌葉輪結構對攪拌器扭矩大小的影響規(guī)律。

保持攪拌器轉速為30 r/min不變，分別設置泥漿密度為 1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 kg/m3，以研究泥漿密度對葉輪扭矩的影響。繪制攪拌器單個葉輪扭矩與泥漿密度關系圖（見圖6）。由圖6可知，在泥漿密度相同的情況下，有擋板的攪拌器的葉輪扭矩明顯大于切割后的攪拌器的葉輪扭矩；這是由于切割后的攪拌器與泥漿的接觸面積減小使其轉動時所受的葉輪扭矩減小。同時，當泥漿密度由1 200 kg/m3增長至2 000 kg/m3的過程中，攪拌器所受葉輪扭矩呈線性增長的趨勢，并且有擋板的攪拌器的增長趨勢強于無擋板的攪拌器的增長趨勢。其所受葉輪扭矩隨泥漿密度的增長率為0.55，而無擋板的攪拌器所受葉輪扭矩隨泥漿密度增長率為0.425。這意味著當施工過程中地層變化導致泥漿密度增大時，無擋板的攪拌器的葉輪扭矩增加值較小。

圖6 葉輪扭矩與泥漿密度的關系

保持泥漿密度為1 200 kg/m3不變，分別設置攪拌器轉速為30、45、60 r/min研究攪拌器轉速對攪拌器所受葉輪扭矩的影響。繪制單個葉輪扭矩與葉輪轉速的關系圖（見圖7）。由圖7可知，在泥漿密度不變的情況，無擋板的葉輪在各個轉速下所受的葉輪扭矩均小于有擋板的葉輪所受葉輪扭矩。此外，隨著葉輪轉速的增大，葉輪扭矩逐漸增大并且增大的幅度越來越大；通過對比可以看出，在低轉速時，兩種結構的葉輪上受到的扭矩增長斜率差別較小，但是隨著轉速的增大，無擋板的葉輪上受到的扭矩增長斜率相比切割前有著明顯減少。

圖7 葉輪扭矩與葉輪轉速的關系

3.3 卡滯原因分析

考慮現階段盾構機所處地層的地質條件，針對盾構掘進至100環(huán)以后攪拌器頻繁卡滯的問題進行分析，產生的原因可能是：地層改變后，攪拌器的工作負載大于驅動馬達提供的扭矩，攪拌器工作能力不足使得卡滯現象頻繁發(fā)生。具體情況可能是：（1）泥團粘附于攪拌葉輪上，葉輪的摩擦系數變大；（2）泥團粘附于格柵上，形成較大的泥團，阻礙攪拌器旋轉。

3.4 解決方案

針對上述存在的問題及導致問題產生的可能原因，結合仿真結果和實際工作情況，得出以下解決方案：

（1）由仿真結果可知，隨著攪拌速度的增加，單個攪拌器葉輪受到的扭矩也隨之增大，因此從減小攪拌器工作負載的角度出發(fā)；可以考慮減小速度以減小攪拌器受到的旋轉葉輪扭矩。

（2）由仿真結果可知，去除葉輪擋板能減小攪拌器在各個工況下受到的扭矩，因此可以針對性地去除攪拌器葉輪上容易造成負載變大的結構，如圖8所示；黃色部分為切割位置。

圖8 攪拌器切割位置

（3）考慮隧道施工所處地層以粉質黏土為主，為了避免泥團粘附在格柵上，在保證安全施工的前提下拆除格柵。

4 攪拌器使用效果檢驗

為更好地解決攪拌器卡滯問題，施工方同時采用了三種解決方案，在拆除格柵的同時，不僅對攪拌器擋板進行切割還降低了攪拌器的轉速。西線工程在250環(huán)之后用改進后的攪拌器代替未改進的攪拌器，現在已經掘進至600環(huán)，攪拌器使用效果良好，未再出現卡滯現象。攪拌器的使用效果表明改進措施能有效解決卡滯問題，CFD數值仿真能較好地模擬攪拌機工作時的受力特性，對攪拌器的改進具有理論指導作用。

5 結論

（1）攪拌器的葉輪扭矩會隨轉速的增大而急劇增大，在能保證順利排漿的情況下，建議降低攪拌器旋轉速度。

（2）隨泥漿密度的增大，攪拌器的葉輪扭矩呈線性增長，為了改善葉輪的受力特性，建議使用泥漿比重不超過1.4。

（3）在轉速為30 r/min，泥漿密度1 200 kg/m3時，去除擋板后的攪拌器的旋轉力矩有著明顯降低；在實際應用中，在保障順利排渣的前提下可以通過切割葉輪擋板來減小攪拌器受到的葉輪旋轉扭矩。