富水地层土压平衡盾构盾尾密封特性数值模拟

2021-05-24王德福

山西建筑 2021年10期

王德福

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京 210000)

1 概述

近年来，随着我国综合国力的提高及科技水平的进步，地铁与隧道等地下工程建设进入了空前的发展机遇期，建设规模与速度都已居世界第一。盾构法作为地铁及隧道施工的主流方法，由于其具有较高的自动化程度、较快的施工速度、较强的安全稳定性与较好的环境保护性，在地下施工中占据着举足轻重的地位。

随着交通强国战略、区域经济一体化及国家大通道建设计划的逐步实施，越江跨海隧道的需求也在日益增加。由于越江海盾构隧道复杂多变的工程地质、水文地质条件以及盾构施工速度、距离与直径的增加，使得盾构机尾端所承受的水压大幅提高，盾尾密封失效事故时有发生，造成后果程度不一。广州地铁轨道隧道在盾尾刚进入土体时出现漏浆涌砂现象，隧道掘进机掘进至70环时，出现较高喷射距离的细泥沙浆，密封油脂已无法封堵[1]。广州市轨道交通三号线某盾构区间由于管片横向变形造成油脂封堵压力小于外部水土压力，掘进期间多次出现渗漏、窜浆现象[2]。深圳地铁罗宝线由于始发油脂涂抹不均匀、纠偏量过大造成盾尾密封效果欠佳[3]。南昌轨道交通一号线由于穿越地层为自稳能力较差的砂层且尾刷钢板与注脂注浆管间存在极易形成渗漏通道间隙，从而造成漏水、漏砂浆现象的产生[4]。由以上盾尾密封泄漏事故分析可知，盾尾密封失效极易发生在含水量较大且易透水的砂层中，失效程度与其外部水土压力、油脂粘度等因素有关，研究盾尾密封是解决上述问题的关键所在。

随着盾构技术的进一步发展，人们对盾尾密封装置也进行了相关研究工作。王德乾[5，6]针对盾构密封油脂开展大量实验研究工作，研发了拥有自主产权的抗水压密封性及泵送性的实验测试装置，并提出相应的测试标准与规范。白传航[7]对盾尾密封油脂的泵送性与水密性进行分析总结，并认为某些高分子化合物可有效改善油脂泵送能力，纤维可有效提高抗水密封性。蔡瑞英[8]研究分析了盾尾密封装置各部分性能指标，并对比分析各组成成分对于油脂抗渗性、挥发性与金属腐蚀性的影响。饶竹红等[9]对比分析四种油脂抗水压密封装置在出入口边界设置、金属网直径上的异同点，并利用FLUENT流体动力学软件对其数值模拟，得出油脂在实验装置中流动的一般规律。吴狄等[10]以北方盾构工程冬季施工为论述重点，分析出盾构冬季施工的重难点，并针对冬季施工提出了盾尾油脂使用时的保温与加热技术以此保证油脂可以正常使用。张国欣等[11]发明了一种环保型盾尾密封油脂，其组成包括增粘剂、防水密封材料、润滑剂、增粘树脂、有机溶剂、基础油和抗氧化剂。朱祖熹[12]分析了国内外几种盾尾密封油脂的性能特点，并针对现阶段密封油脂生物降解特性、密封油脂组成、盾尾密封油脂工程特性等方面提出意见与建议。然而上述研究多集中于对盾尾密封油脂实验装置的创新及对新型盾尾密封油脂的研发，对于实际工程条件下盾尾密封系统数值模拟研究较少，对盾尾密封系统的失效机理及演化特征还缺乏较为系统且深入的研究。

因此，本文拟通过流体动力学的计算方法，对盾尾密封油脂抵抗外部高水压环境下的流动过程进行模拟，并分析其变化的规律及原因，为进一步深入研究盾尾密封油脂密封防水性能和现场应用奠定理论基础。

2 工程概况

本文所依托的是南昌市轨道交通四号线沿线某标段工程，该标段工程主要位于南昌市高新区，其主要包括四站四区间，分别为：火炬站、火炬站—北沥站区间、北沥站、北沥站—科技城站区间、高新停车场出入场线、科技城站、科技城站—鱼尾洲站区间、鱼尾洲站。其中区间采用盾构法施工。盾构区间全长约4 314 m。本文以火炬站—北沥站区间的情况为例，图1为该区间地质剖面图。

火炬站—北沥站区间沿东西方向敷设，出火炬站后向西直达北沥站。区间下穿民园路、火炬五路等街路及库房、综合动力站、高压线塔、通信塔等风险源。区间上行线长1 043.178 m，下行线长1 039.523 m，线间距14.00 m～17.00 m。隧顶覆土9.13 m～16.67 m。区间正线采用盾构法施工，管片内径5.4 m，外径6.0 m。

根据沿线岩土层的成因类型、性质、工程特征、风化状态等，结合沿线工程地质纵断面，可划分为人工填土层、上更新世冲积层、基岩三大类。其地下水类型分为第四系松散层和强风化带中的孔隙潜水、强—中风化基岩裂隙水，局部分布赋存于人工填土、黏性土中的上层滞水。其上层滞水赋存于填土层之中，主要接受降雨入渗补给及城区下水管的渗漏补给。水位随气候变化大，无连续的水位面，水量一般较小，地下水位埋深一般为1.00 m～2.90 m，而雨季持续降雨水位可平地面。

3 盾尾密封失效原因

在盾构掘进的施工过程中，隧道拼装管片从盾尾脱落后与隧道开挖外径产生一定的间隙，盾尾处的盾壳与管片之间需设置一定的密封装置，如图2所示，防止地层中的水、土及同步注浆浆液侵入盾壳内部，从而保障盾构掘进的施工安全性。然而现阶段在盾构施工中，由于盾尾密封失效造成的工程事故层出不穷，其原因可主要归纳为以下几点：

1)工程地质与水文地质条件较差。

隧道穿行区域主要为松散岩土层，承载能力低。自稳能力差，地层透水性强且地下水为承压水，水源补充较为丰富。盾构机穿越该地段时易造成水压失衡从而发生透水涌砂漏浆的风险较大。

2)盾尾密封间隙不均匀。

由于施工不规范等因素造成管片组装过程中管片与外壁之间的间隙超过预设范围，盾尾形成一定的渗漏通道引发涌水涌砂现象的产生。同时在管片拼装过程中极易发生纵向错台现象，盾尾间隙开口值大于规定指标，盾尾刷难以与管壁形成致密有效的防护体系，在较高注浆压力或泥水压力下极易击穿尾刷从而造成渗漏、窜浆现象的产生。

3)外部土水压力与油脂注入压力差过大或油脂注入量不足。

在盾构掘进开挖过程中，若外部土水压力过高，超过盾尾密封刷的抗压能力，则可能会瞬间击穿尾刷形成漏浆。且油脂与管壁之间的摩擦消耗量与盾构机前进速度呈现正相关的关系，掘进速度过快则油脂补充用量难以满足油脂消耗用量，如不及时调整油脂泵送压力与注入量，则势必影响尾刷密封效果，造成盾尾密封失效。

4)盾尾密封损坏。

由于管片偏心造成盾尾刷一侧过度挤压产生塑性变形，造成密封性能的下降；盾构掘进停止时土仓在泥水作用下极易产生倒退现象，造成尾刷刷毛运动方向与原始运动方向相逆，尾刷变形易引发泄漏。

5)油脂自身性能较差。

选用油脂耐水性能较差，无法满足施工状况下盾尾密封实际要求。

4 基于FLUENT盾尾密封油脂流动分析

鉴于以上几种盾尾失效原因，本文采用流体动力学分析软件FLUENT对盾尾密封油脂在盾尾处流动过程进行二维数值模拟，以此探究盾尾密封油脂在抵抗外部高水压环境时的流动规律。在物理模型中，将密封油脂与水看作互不相容的液—液两相体，应用流体体积函数(VOF)追踪不相容液—液界面时空位置，由于盾尾密封刷是由一系列细长钢丝紧密交错排列形成，刷丝之间间隙非常小，可将整个刷束区域作为多孔介质整体处理，并假定压力在入口处均匀分布，数值模型网格如图3所示。

4.1 几何模型及边界设置

模型流域宽度为75 mm，盾尾密封油脂填充长度基于盾尾刷安装间距设置，根据工程实际情况，取值范围可定为400 mm，以此探究在该填充长度与宽度下的油脂压力及速率分布。流域右端为压力入口边界，左端为压力出口边界，上下壁面为隔绝流体边界，以此模拟盾构壳体与管片的封闭作用，将前述多孔介质区设置一定的渗透系数，在外部水压作用下即可模拟油脂与水两相体的流动规律与相互作用关系。

4.2 控制方程

1)油脂与水两种流体的运动方程均为：

2)连续性方程：

连续方程是流体运动学的基本方程，表征在任一控制体单元内满足质量守恒，即对于不可压缩的流体，单位时间流经单位体积空间，流出和流入的流体质量之差等于0，即流体质量守恒。

3)液—液界面VOF控制方程。

VOF法采用体积分数aq，表征第q种物质在网格单元中所占体积，若aq=0，表示该单元中不存在此种物质，若aq=1，表示该单元体积被此种物质所充满，若0

4.3 计算参数选取

在本次数值模拟计算中，外部水压为3 MPa，将水与油脂定义为两种不同流体，水的密度取值为998 kg/m3，粘度取值为0.001 Pa·s，密封油脂的密度为1 200 kg/m3，粘度取值为1 300 Pa·s，多孔渗透区渗透系数采用1 mm直径钢丝网的渗透系数，其取值大小为1×10-6。残差取值标准为1×10-5，选用coupled计算函数并设置其库朗数为200，以此保证数值计算的稳定性与收敛性。

5 结果分析

如图4所示，在加压瞬间，盾尾密封油脂与水分界面较为平整，在外部水压与自身重力的作用下，外部环境的高压水逐渐向内部油脂填充区域移动，且移动方向主要为下部暴露在油脂区域的刷束区域，这主要因为上部弹性板覆盖区域为完全密封结构，流体只能向下方具有一定渗透率的尾刷多孔介质区流动。油脂在渗透进入尾刷区域后，随着时间的推移，由于大量油脂泄漏而形成贯通的泄漏路径，油脂渗漏速率较快的位置由靠近管片底部位置向密封腔中部位置移动，随着盾尾泄漏时间的不断推移，中间部位的油脂通过贯通泄漏路径损失殆尽，上下边界处油脂在高压水作用下逐渐被排挤出油脂腔内，最终造成盾尾密封失效。

数值计算过程中流体压力云图如图5a)所示，其压力值由入口处3 MPa逐渐减少至出口处0 MPa，在外部水压施加一瞬间，其流体域内流体还未发生运动，压力由进口处均匀向出口处扩散，表现出压力层层均匀递减的趋势，并在盾尾密封刷处受到阻隔作用产生压力震荡现象。其压力降低的原因可归咎为由于初始应力场所引发的应力场的衰减变化，在密封刷多孔介质处由于流域的突然“收缩”及流体边界的变化从而造成压力波纹状变化。

高压水渗漏盾尾时的压力分布如图5b)所示，待压力稳定后，上游处流体流动区域压力基本保持恒定，在边界处出现小块高压区域，其高压峰值大小为3 MPa，上游处其余压力值为2.8 MPa；下游处压力值随着高压水入侵呈现块状区域分布。块状区域内压力峰值为0.4 MPa，外部区域压力值减小为0 MPa，在尾刷多孔介质区出现一定的压力下降梯度，压力由流体区域上游的高压力减小至流体区域下游的低压力。其压力减少原因为流体在流经多孔介质处，由于通道突然窄缩导致流体加速运动，而加速运动所需推力越大，故流体在上游段压力较高。并在高低压力过渡区阶段出现较为明显的多层压力分界区，多层压力分界区紧密贴合在多孔介质区上并保持较为平整的接触面。

盾尾完全泄露时压力云图如图5c)所示，对比盾尾初始渗漏时刻可知，上游处流体域内高压块状区域仅出现在上边界处。在多孔介质处压力值为0.6 MPa，下游处低压区域压力值由0.4 MPa减小至0 Pa。其油脂腔内压力变化区域与该时刻两相变化区域呈现较高的一致性，下游与上游交界处多孔介质位置两相交界面不再保持平整，而是随着泄漏不断发生产生一定的波纹形状。

油脂初始加压时泄漏速率分布云图如图6a)所示，初始加压时，在外部高水压的推动下，盾尾密封刷多孔介质区处有较大的速率，峰值点出现在接近尾刷下部多孔介质处，大小为2.159×102m/s,速率影响范围由峰值点处向外呈现半圆形消减，在壁面处与尾刷上部区域出现速率为零的区域，其原因可能与流体具有粘性性质有关。

高压水渗漏进尾刷时速率分布图如图6b)所示，随着油脂不断被外部高压水挤出，流域内平均流速为0.01 m/s。当高压水侵入尾刷多孔介质区域时，该处速率影响区域逐渐增加，速率值为0.095 m/s，入口处速率变化范围随高压水不断渗入而逐渐向内部扩张，且该时刻速率峰值出现在入口上端区域，其值为0.297 7 m/s。

盾尾完全泄漏时的速率分布图如图6c)所示，当高压水大范围进入到油脂腔体内部，尾刷处速率梯度有较为明显的提高，此处存在速率极值，极值大小为1.703 m/s，且速率影响范围随着水相入侵进一步向内部移动。而在油脂腔内部，油脂腔中央处速率值为0.41 m/s，紧贴内壁处流速为0 m/s，速率分布由中央向边界逐渐减小，这主要是由于流核中心流速较快，越靠近边界所受壁面阻力越大，流体流速越小。