基于CFD的泥水盾構(gòu)艙體流場特性研究

白坤

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)公司，山東濟(jì)南 250000)

0 前言

隨著我國各種基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，隧道及地下空間工程蓬勃發(fā)展，泥水盾構(gòu)機(jī)廣泛應(yīng)用于各種隧道施工中。泥水盾構(gòu)艙體由開挖艙和氣墊艙構(gòu)成，施工過程中切削下來的渣土在開挖艙內(nèi)與泥漿混合，然后經(jīng)環(huán)流系統(tǒng)排出；同時(shí)，氣墊艙控制開挖艙內(nèi)的流體壓力，以保持開挖面的穩(wěn)定。但是，受艙內(nèi)流場特性的影響，可能會出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)、刀盤膠結(jié)泥餅、渣土沉積等問題，嚴(yán)重影響施工效率與施工安全。目前，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量與泥水盾構(gòu)艙體相關(guān)的研究。WANG等研究了泥漿特性對開挖面穩(wěn)定和泥膜形成質(zhì)量的影響。SHEN等提出了一種研究泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤和土體之間的相互作用的仿真模型。XIAO等研究了大直徑泥水盾構(gòu)刀盤噴嘴結(jié)構(gòu)對沖刷特性的影響。劉泉維和楊忠年利用大尺寸模型試驗(yàn)研究了不同水頭高度下兩種地層開挖面主動破壞的發(fā)展模式和受力情況。馬博松等運(yùn)用CFD方法研究了影響泥水盾構(gòu)機(jī)攪拌器攪拌效果的因素。但是，缺乏針對泥水盾構(gòu)機(jī)開挖艙內(nèi)部流場的研究，這使得在對開挖艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)仍然以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，缺乏理論指導(dǎo)。因此，本文作者對艙體內(nèi)部流場特性開展研究，為泥水盾構(gòu)艙體內(nèi)刀盤設(shè)計(jì)與盾構(gòu)施工提供參考。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行流場相關(guān)研究時(shí)大多采用CFD方法。ZHU等基于計(jì)算流體力學(xué)，分析了入口速度、顆粒直徑與體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對彎管壓力場、流速和沖蝕速率的影響。宋保維等對四旋翼碟形自主水下航行器在攻角為0～90°時(shí)進(jìn)行了數(shù)值仿真，探究了運(yùn)動狀態(tài)與流體動力特性之間的關(guān)系。郭偉等人對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)土艙流場進(jìn)行仿真，探究了刀盤開口分布特征流場的特性，有助于土壓平衡盾構(gòu)刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉建琴等建立了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的四聯(lián)體計(jì)算模型，研究了特定地質(zhì)條件下刀盤開口率對土艙內(nèi)渣土流動特性的影響。以上研究都展現(xiàn)了運(yùn)用CFD方法研究流體問題的可靠性和便捷性，因而本文作者采用CFD方法，研究不同入口流速下刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)(刀盤開口率，刀盤厚度)對艙內(nèi)流場特性的影響。

1 仿真過程

1.1 數(shù)值模型

泥漿在艙內(nèi)的流動滿足質(zhì)量守恒定律和動量守恒動量，其公式分別為

連續(xù)性方程：

動量方程：

1.2 幾何模型及邊界條件

根據(jù)濟(jì)南黃河隧道工程所使用的泥水盾構(gòu)機(jī)建立艙體的簡化三維模型，如圖1所示。模型由泥水艙、氣墊艙、刀盤、攪拌器組成，具有4個(gè)入口(直徑為0.25 m)、1個(gè)出口(直徑為0.5 m)；刀盤直徑為15.76 m。在實(shí)際掘進(jìn)過程中刀盤與攪拌器處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但是考慮到計(jì)算機(jī)計(jì)算能力有限，文中僅研究刀盤與攪拌器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)艙內(nèi)部的流場特性。設(shè)置入口為速度入口，出口為壓力出口，其他壁面條件設(shè)置為無滑移邊界條件；收斂殘差設(shè)置為0.001；泥漿采用參考文獻(xiàn)[14]中的參數(shù)；湍流模型選擇應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型；采用Simple算法進(jìn)行求解。

圖1 艙體三維模型

1.3 網(wǎng)格劃分

在ICEM 軟件中使用混合四面體網(wǎng)格劃分。流體域全局網(wǎng)格最大尺寸350 mm；刀盤網(wǎng)格最大尺寸設(shè)置為200 mm；入口、出口、出口壁面以及泥水艙與氣墊艙的連接壁面的網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為50 mm，入口壁面和攪拌器壁面網(wǎng)格最大尺寸設(shè)為20 mm。最后生成的網(wǎng)格總數(shù)為最低1 125 145個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量為0.36。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 刀盤開口率對流場的影響

基于上述模型僅改變刀盤開口率這一參數(shù)，分別建立刀盤開口率為30%、40%、50%、60%的艙體模型。采用CFD仿真軟件對這4種模型進(jìn)行仿真模擬，研究刀盤開口率在不同入口速度下對艙內(nèi)流場特性的影響。提取仿真結(jié)果中的數(shù)據(jù)，以得到艙內(nèi)平均壓力、平均速度以及刀盤受力與刀盤開口率的關(guān)系。

(1)刀盤受力

繪制不同入口速度下刀盤受力大小隨刀盤開口率增大的變化曲線，如圖2所示?？芍寒?dāng)入口速度一定時(shí)，隨著刀盤開口率的增大，刀盤受力呈下降趨勢，并且入口速度越大下降的趨勢越明顯；在開口率處于[30%,50%]區(qū)間內(nèi)時(shí)，隨著入口速度的增大，相同開口率刀盤的受力也越大，隨著開口率的增大這種趨勢逐漸減弱，在開口率為40%附近時(shí)曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折，下降趨勢變?nèi)?；入口速度? m/s時(shí)開口率為30%與40%兩種方案的刀盤受力差值為2 222.351 N，而開口率為40%與60%兩種方案的刀盤受力差為95.200 8 N前者是后者的23.34倍，因此刀盤開口率不宜小于40%。

(2)開挖艙內(nèi)壓力

選擇開挖艙內(nèi)距離刀盤后面板150 mm的平面為研究平面，以面上的平均壓力代表開挖艙內(nèi)平均壓力。繪制不同入口速度下面平均壓力值與刀盤開口率的關(guān)系，如圖3所示?？芍涸诘侗P開口率一定的情況下，開挖艙內(nèi)的壓力值隨著入口速度的增大而增大。在入口速度保持不變的情況下，刀盤開口率為50%時(shí)開挖艙內(nèi)的壓力大于其他開口率方案中開挖艙內(nèi)的壓力，并且入口速度越大差值越大；在入口速度為1 m/s時(shí)，開口率為50%的方案中的壓力與其他3種方案的壓力平均值的差值為332.687 Pa；當(dāng)入口速度為6 m/s時(shí)，差值增大為9 497.153 3 Pa；由其他研究可知開挖面支護(hù)壓力不宜過大或者過小，而開口率為50%方案的壓力明顯大于其他方案的壓力且受速度的影響幅度大于其他方案，容易超出安全壓力范圍。因此，出于安全性考慮，不宜選取開口率為50%的方案。

圖2 不同入口速度下刀盤受力與入口速度的關(guān)系 圖3 不同入口速度下開口率與開挖艙內(nèi)壓力的關(guān)系

(3)艙內(nèi)流體速度

繪制不同速度下開挖艙內(nèi)速度與刀盤開口率的關(guān)系，如圖4所示?？芍弘S著開口率的增大，艙內(nèi)的平均速度呈現(xiàn)線性下降;開口率一定時(shí)，隨著入口速度的增加，艙內(nèi)的平均速度呈增長趨勢且增幅隨著入口速度的增大而增大。流體速度越大越容易帶動渣土運(yùn)動，防止渣土堆積；反之，流體流速越小艙內(nèi)渣土越容易堆積，從而影響施工效率，因此刀盤開口率應(yīng)避免過大?？紤]到刀盤開口率對刀盤受力大小和開挖艙內(nèi)壓力的影響，最終建議刀盤開口率在40%～50%之間為宜。

圖4 不同入口速度下開口率與艙內(nèi)速度的關(guān)系

2.2 刀盤厚度對艙內(nèi)流場的影響

為研究刀盤厚度對艙流場特性的影響，在保持?jǐn)?shù)值模型參數(shù)不變的情況下改變刀盤厚度，分別建立刀盤厚度為1 200、1 400、1 600、1 800 mm的艙體模型。對其進(jìn)行仿真模擬，以得到刀盤厚度對艙內(nèi)流場的影響。

(1)刀盤受力

繪制不同速度下刀盤受力與刀盤厚度的關(guān)系如圖5所示，可以看出：刀盤受力與刀盤厚度之間的關(guān)系隨著入口速度的變化而變化，當(dāng)速度為1、2、3、4 m/s時(shí)的變化趨勢一致，刀盤受力都是隨著厚度的增加先增大后減小，在1 600 mm時(shí)受力最大；在1 800 mm時(shí)受力最小，隨著入口速度的增加，它們的差值逐漸減小，但速度為4 m/s時(shí)，在1 800 mm時(shí)比1 600 mm小。而速度為5、6 m/s時(shí)，當(dāng)入口速度一定時(shí)，隨著刀盤厚度的增大，刀盤受力呈增加趨勢且增幅隨著入口速度的增大而增大。

圖5 不同入口速度下刀盤厚度與刀盤受力的關(guān)系

(2)開挖艙內(nèi)壓力

繪制不同速度下開挖艙內(nèi)壓力與刀盤厚度的關(guān)系如圖6所示?？芍涸谌肟谒俣纫欢〞r(shí)4種厚度方案的壓力無明顯差別，曲線高度基本一致，說明刀盤厚度的變化基本不會影響開挖艙內(nèi)壓力值；但是，隨著入口速度的增加，開挖艙內(nèi)的壓力有明顯的增大，增幅也隨著入口速度的增加而增加，這容易使得開挖艙內(nèi)的壓力超過安全范圍，導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)引起地層隆起，對地表環(huán)境造成影響，甚至引起不可預(yù)估的安全事故。故在實(shí)際施工過程中，應(yīng)該控制泥漿入口速度不宜過大。

圖6 不同入口速度下刀盤厚度與開挖艙內(nèi)壓力的關(guān)系

(3)艙內(nèi)流體速度

繪制不同速度下艙內(nèi)速度與刀盤厚度的關(guān)系如圖7所示?？芍寒?dāng)?shù)侗P厚度低于1 600 mm時(shí)，艙內(nèi)平均速度大小隨著刀盤厚度的增加而增加，刀盤厚度為1 600、1 800 mm時(shí)艙內(nèi)流體平均速度基本相同；在刀盤厚度一定時(shí)，隨著入口速度的增加，各方案中艙內(nèi)流體的平均速度均呈增大的趨勢。流體速度較大更有利于艙內(nèi)渣土的運(yùn)輸，故1 600、1 800 mm兩種厚度方案的刀盤較其他方案更有利于渣土的運(yùn)輸。

圖7 不同入口速度下刀盤厚度與艙內(nèi)速度的關(guān)系

由前文可知，考慮到開挖面的穩(wěn)定入口速度不宜過大，并且當(dāng)入口速度小于5 m/s時(shí)1 600 mm的方案中刀盤受力明顯大于1 800 mm方案中的刀盤受力，故綜合考慮選取刀盤厚度為1 800 mm的方案為宜。

2.3 數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)前文所述，刀盤開口率為40%、厚度為1 800 mm的方案具有良好的綜合性能，則建立這種方案的艙體數(shù)值模型并進(jìn)行數(shù)值仿真，提取仿真結(jié)果中的數(shù)據(jù)，以得到此種方案中刀盤受力、艙內(nèi)流速、開挖艙內(nèi)壓力與泥漿入口速度的關(guān)系。對曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，結(jié)果如下：

刀盤受力與入口速度之間的關(guān)系式：

=45606+42877-2097

=09984

艙內(nèi)流速與入口速度的關(guān)系式：

=0000 6+0003 4+0241 9

=0999 9

開挖艙內(nèi)壓力與入口速度的關(guān)系式：

=1 0746-4799+220 158

=0999 9

上述關(guān)系式揭示了此模型中泥漿入口速度對艙內(nèi)流場的影響。在施工過程中可根據(jù)施工條件合理設(shè)置泥漿入口流速，確保施工安全、高效地進(jìn)行。

3 工程案例

濟(jì)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,如圖8所示。擬建隧道全長約為3.67 km，其中過黃河段采用盾構(gòu)法施工(外徑15.2 m)，長約2.52 km，盾構(gòu)施工段的地層主要為粉質(zhì)黏土，極易導(dǎo)致刀盤結(jié)泥餅。工程施工所用泥水盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為15.76 m，開口率為46%位于推薦開口率40%～50%之間，刀盤厚度為1 800 mm與推薦的刀盤厚度一致?，F(xiàn)東線已順利完工，施工過程中刀盤運(yùn)行良好，基本沒有發(fā)生結(jié)泥餅問題。這表明仿真結(jié)果能較好地應(yīng)用于實(shí)際工程，為后續(xù)泥水盾構(gòu)施工提供了參考。

圖8 濟(jì)南黃河隧道截面示意

4 結(jié)論

(1)刀盤開口率的減小以及刀盤厚度的增加會提高艙內(nèi)流體的速度，有利于渣土的運(yùn)輸，但是刀盤厚度增大到1 600 mm后再增加時(shí)，流體速度的變化微乎其微。艙內(nèi)流體的速度與泥漿入口速度呈線性關(guān)系。

(2)刀盤開口率為50%時(shí)，開挖艙內(nèi)的壓力值明顯大于其他開口率情況下開挖艙內(nèi)的壓力。刀盤厚度的變化對開挖艙內(nèi)的壓力影響較小。同時(shí)，開挖艙內(nèi)的壓力隨著入口速度的增加呈指數(shù)增長。

(3)隨著刀盤開口率的增大，刀盤受力呈下降趨勢，在開口率為40%時(shí)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折。

(4)根據(jù)仿真結(jié)果，刀盤開口率建議在40%～50%之間，厚度建議為1 800 mm。