泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)沖刷效率的影響因素研究

摘要：通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的手段，探究了沖刷角度、粒徑及沖刷流量對(duì)沖刷效率的影響。研究結(jié)果表明，在相同沖刷角度下，隨流量增大，沖刷率提高；隨粒徑減小，顆粒越易排出；在相同流量與粒徑時(shí)，沖刷角度對(duì)最終沖刷效率影響很大，沖刷管路以偏離中心角度沖刷的效率明顯大于對(duì)中心沖刷。當(dāng)沖刷管以偏離中心角度沖刷時(shí)，兩股沖刷流體在排漿管下方舉升匯流，使得顆粒在排漿口處被提升，更容易被排漿管吸出，從而得到更高的沖刷率。

關(guān)鍵詞：泥水盾構(gòu)；環(huán)流系統(tǒng)；沖刷角度；沖刷效率

0" "前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市人口快速增長，城市生存空間日漸擁擠，開發(fā)地下空間、修建地鐵來緩解交通擁堵的需求日益增大[1]。我國幅員遼闊，地質(zhì)條件差別大，地下隧道工程面臨著十分復(fù)雜的地下環(huán)境，對(duì)現(xiàn)代化的隧道工法提出了更高要求。

盾構(gòu)法是一種能夠適應(yīng)復(fù)雜地層環(huán)境的工法，可用于各種硬巖、軟土、巖土混合地層的施工。按照出渣方式，盾構(gòu)可以分為土壓平衡盾構(gòu)與泥水平衡盾構(gòu)[2]。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)通過螺旋機(jī)+皮帶出渣，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)則單獨(dú)設(shè)置一個(gè)環(huán)流系統(tǒng)，通過泥漿沖刷、攜帶渣土至分離站，進(jìn)行渣土分離出渣[3]，然后進(jìn)入調(diào)漿池調(diào)質(zhì)后循環(huán)使用[4-5]。其中，泥水平衡盾構(gòu)從切削地層到環(huán)流出渣，都是完全密封的系統(tǒng)，安全性更高，適應(yīng)性更廣，處理效率穩(wěn)定[6]，特別是在江底、海底等高水壓環(huán)境下具備更大的優(yōu)勢(shì)[7-8]。

泥漿環(huán)流系統(tǒng)由進(jìn)漿泵、進(jìn)漿管、沖刷噴嘴、排漿管、排漿泵組成[9]。其中沖刷噴嘴的位置與角度分布直接影響渣石的受力，是出渣效率的關(guān)鍵影響因素之一。在惡劣工況下，例如淤泥、細(xì)沙地層，地質(zhì)具備一定黏性，環(huán)流系統(tǒng)出渣呈淤泥狀，容易堵塞，發(fā)生滯排現(xiàn)象[10]。

目前針對(duì)環(huán)流系統(tǒng)的研究主要集中于整個(gè)環(huán)流系統(tǒng)的選型計(jì)算，魏向明對(duì)瘦西湖工程中，盾構(gòu)穿越泥水地層進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化了環(huán)流系統(tǒng)[11]。郭小龍等依托南昌鐵建4號(hào)線隧道工程，系統(tǒng)性的計(jì)算了砂礫層泥漿環(huán)流系統(tǒng)參數(shù)，并對(duì)泥漿管的攜渣能力進(jìn)行了分析[12]。目前針對(duì)沖刷流量與沖刷角度的研究不多，相關(guān)模型試驗(yàn)更是少見。

本文通過模擬計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合，分析不同沖刷角度與不同流量組合下，對(duì)盾體底部渣土沉積的影響，確定最佳沖刷角度與沖刷流量的組合。

1" "試驗(yàn)裝置與仿真模型

1.1" " 試驗(yàn)裝置

圖1所示為試驗(yàn)所用環(huán)流系統(tǒng)臺(tái)架。試驗(yàn)臺(tái)架由泵組、泥漿筒、管路以及模擬盾體筒四個(gè)主要部分組成。模擬盾體筒如圖2a所示，在直徑為3.2m的泥水倉中分布4組8根進(jìn)漿沖刷管道，其中標(biāo)號(hào)1、2、3、4分別代表管徑DN150、DN100、DN80、DN50，其沖刷角度、流量可自由調(diào)整。定義沖刷管口與水平方向夾角為沖刷角度β（順時(shí)針方向?yàn)檎鐖D2b所示。排漿口位于盾體箱正下方，排漿管直徑為300mm，盾體箱前置一塊透明玻璃板，便于試驗(yàn)過程中觀察內(nèi)部沖刷情況。

為了研究不同沖刷角度對(duì)出渣效果的影響，選取DN100的45°及60°進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)為了平衡排漿流量，將DN150管道調(diào)整向上沖刷，DN80、DN50兩組管路關(guān)閉，具體如圖2c、2d所示。試驗(yàn)工況的進(jìn)、排漿管流量與角度如表1所示，排漿流量選取200m3/h、300m3/h、400m3/h三組進(jìn)行。

試驗(yàn)過程如下：首先將沖刷角度、流量調(diào)整至設(shè)定值，在盾體中投入20mm、40mm、60mm碎石顆粒各20kg，打開進(jìn)、排漿泵，沖刷10min后，將盾體內(nèi)剩余顆粒取出、稱重，計(jì)算該沖刷角度與流量下的顆粒沖刷率。定義顆粒沖刷率=（初始顆粒質(zhì)量-最終剩余的顆粒質(zhì)量）/初始顆粒質(zhì)量。

1.2" " 仿真模型

泥水倉沖刷仿真采用歐拉兩相流模型，計(jì)算前，在泥水倉下部均勻放置60kg顆粒，密度設(shè)置為2500kg/m3，粒徑選取20mm、40mm、60mm三種，進(jìn)排漿流量設(shè)置與試驗(yàn)工況一致（見表1），計(jì)算DN100在不同的沖刷角度與不同沖刷流量組合下，最終顆粒的沖刷情況。顆粒沖刷率=（初始顆粒質(zhì)量-最終剩余的顆粒質(zhì)量）/初始顆粒質(zhì)量

2" "試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1" "仿真結(jié)果分析

2.1.1" "沖刷角度對(duì)出渣效果的影響分析

為了研究?jī)煞N沖刷角度下的沖刷效果，將排漿流量統(tǒng)一設(shè)為400m3/h，表1中的3和6兩組，選取粒徑40mm進(jìn)行仿真計(jì)算，DN100不同沖刷角度的出渣曲線如圖3所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，在相同沖刷流量（100m3/h）與相同的排漿流量（400m3/h）下，僅調(diào)整沖刷角度，不同粒徑顆粒的沖刷率存在較大差異，在計(jì)算時(shí)間100s內(nèi)，45°的計(jì)算沖刷率為25%，60°的計(jì)算沖刷率為48%，顯然60°的沖刷效果要比45°好。

圖4所示為DN100-45°（左）/60°（右）剩余顆粒分布位置。由圖4可以看出，盡管沙子的初始狀態(tài)是一樣的，但經(jīng)過不同角度的沖刷之后，剩余顆粒的分布位置發(fā)生了明顯變化。45°沖刷時(shí)，剩余顆粒分布在排漿口四周；而60°沖刷時(shí)，剩余顆粒分布在排漿口前靠近擋板位置。

該現(xiàn)象表明，不同的沖刷角度會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域的“沖刷盲點(diǎn)”，進(jìn)而極大影響沖刷效率，因此在沖刷管路布置時(shí)，應(yīng)將不同管徑的沖刷點(diǎn)“錯(cuò)位分布”，以使泥水倉中的沖刷盲區(qū)更少，從而提高沖刷效率。

2.1.2" "粒徑對(duì)出渣效果的影響分析

為了探究不同粒徑對(duì)出渣效果的影響，選取了排漿流量為400m3/h，即表1中的3和6兩組，分布選取粒徑20mm、40mm、60mm三種粒徑進(jìn)行仿真計(jì)算，兩組角度下不同粒徑在400m3/h排漿流量下的出渣曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，在兩組角度下，隨粒徑的減小，沙子的開始出渣時(shí)間均越早，總體出渣時(shí)間段均越短，相同時(shí)間內(nèi)的出渣率均越高。同時(shí)，在100s的計(jì)算時(shí)間下，三種粒徑的45°出渣率均低于60°出渣率。 這說明，粒徑越大的顆粒，越難排出，這也是大顆粒易造成排漿口堵塞的主要原因。

2.1.3" "流量對(duì)出渣效果的影響

圖6所示為兩種角度不同排漿流量下不同粒徑的出渣率結(jié)果，所選取的排漿流量分別為200m3/h、300m3/h、400m3/h。由圖6可知，在200m3/h排漿流量下，20～60mm粒徑均不出渣，隨流量增加，小粒徑的開始出渣，在300m3/h流量下只有20mm的出渣，在400m3/h流量下，三種粒徑均能出渣，且隨粒徑減小，其出渣率越高。45°沖刷角度下，在200m3/h、300m3/h、400m3/h流量時(shí)，三種粒徑的平均出渣率分別為0%、11%、26%。60°沖刷角度下，在200m3/h、300m3/h、400m3/h流量時(shí)，三種粒徑的平均出渣率分別為0%、15%、48%。

2.1.4" "不同沖刷角度下流場(chǎng)的分析

圖7所示為DN100對(duì)中心沖刷（45°）與偏離中心沖刷（60°）的流線圖。由圖7可知，DN150對(duì)上沖刷對(duì)底部流場(chǎng)幾乎沒有影響。如果進(jìn)漿管道的沖刷角度正對(duì)著中心（排漿口處），兩股流體會(huì)于排漿管口匯聚，并向四周擴(kuò)散，有將顆粒沖開的趨勢(shì)，與圖4中的結(jié)果一致。而偏離中心沖刷時(shí)，流體最終在排漿管下方匯聚，形成向上的匯流，舉升顆粒，使得顆粒更容易被排漿管吸出。

基于上述分析，設(shè)計(jì)沖刷管角度應(yīng)該偏離中心（排漿管位置），以使流體最終在排漿管下方匯聚，形成向上的匯流，舉升顆粒，進(jìn)而使得顆粒更容易被排漿管吸出。

2.2" " 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表2為DN100的沖刷試驗(yàn)條件及沖刷試驗(yàn)結(jié)果。由表2可以看出，在兩種沖刷角度下，隨著流量的增大，沖刷率均增高。在45°下，排漿流量從200m3/h增加到400m3/h時(shí)，沖刷率由12%提高到30%。在60°下，排漿流量從200m3/h增加到400m3/h時(shí)，沖刷率由16%提高到42%。同流量下，60°的試驗(yàn)沖刷率均高于45°，在400m3/h下60°角度有最高沖刷率42%。在三種流量下，DN100管路以60°沖刷的沖刷效率均大于以45°對(duì)中心沖刷，這與仿真的結(jié)論一致。由此說明，沖刷角度對(duì)沖刷效果的影響較大，合理的設(shè)置沖刷角度可以明顯提高沖刷效率。

圖8所示為DN100進(jìn)漿流量100m3/h，排漿流量400m3/h下的不同角度沖刷的試驗(yàn)結(jié)果。由圖8可知，45°對(duì)中心沖刷時(shí)，剩余顆粒被沖刷到中心四周，而60°沖刷時(shí)，剩余顆粒則位于排漿口前端，試驗(yàn)現(xiàn)象與仿真結(jié)果吻合良好。

3" "結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)的手段，研究了沖刷角度、粒徑及沖刷流量對(duì)沖刷效率的影響。研究表明，在兩種沖刷角度下，隨著流量的增大，沖刷率增高；隨粒徑的減小，沙子的開始出渣時(shí)間越早，總體出渣時(shí)間段越短，相同時(shí)間內(nèi)的出渣率越高，粒徑越大的顆粒，越難出去。

在試驗(yàn)流量下，同一流量同一粒徑時(shí)，沖刷角度對(duì)最終沖刷效率影響很大，DN100管路以60°沖刷的沖刷效率大于以45°對(duì)中心沖刷。當(dāng)進(jìn)漿管角度正對(duì)著排漿口中心沖刷，兩股流體會(huì)于排漿管口處匯聚，并向四周擴(kuò)散，有將顆粒沖開的趨勢(shì)，沖刷率反而不高。而當(dāng)沖刷管以偏離中心的角度沖刷時(shí)，流體最終在排漿管下方匯聚，形成向上的匯流，舉升顆粒，使得顆粒更容易被排漿管吸出，得到更高的沖刷率。同時(shí)不同管徑組合時(shí)，應(yīng)該將不同管徑的沖刷點(diǎn)“錯(cuò)位分布”，以使泥水倉中的沖刷盲區(qū)更少，從而提高沖刷效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳遁.卵石地層中泥水盾構(gòu)管道出渣影響因素研究[J].人民黃河，2020，42（5）：157-161.

[2] 孔玉清.泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)及排泥管攜碴能力分析與應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2018，380（3）：205-213.

[3] 張恒. 盾構(gòu)泥漿環(huán)流系統(tǒng)研究[J]. 建筑機(jī)械化，2019，40（7）：56-58，61.

[4] 伍超. 泥水平衡盾構(gòu)泥漿特性及輸送性能研究[D].西安：西南交通大學(xué)，2019.

[5] 王振飛. 北京砂卵石地層大直徑泥水加壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014.

[6] 陳黃騰. 盾構(gòu)機(jī)泥漿環(huán)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J]. 河南科技，2021，40（3）：84-87.

[7] 夏毅敏，王洋，吳遁，等.泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)管道輸送特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017， 48（11）：2889-2896.

[8] 夏毅敏，姚菁，吳遁，等.泥水盾構(gòu)水平直管內(nèi)石碴起動(dòng)速度研究[J].隧道建設(shè)（中英文），2018，38（3）： 392-398.

[9] 陳健，黃永亮. 超大直徑泥水盾構(gòu)施工難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2015（11）：637-644

[10] 王又增，徐金秋，司馬少坤，等. 基于海灣隧道典型地質(zhì)的盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)[J].建筑機(jī)械化，2021，42（4）：53-56.

[11] 魏向明. 全黏土地層泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)泥漿處理關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 鐵道建筑技術(shù)，2018（7）：77-80.

[12] 郭小龍，耿大新，廖煜祺，等.穿江泥水盾構(gòu)環(huán)流系統(tǒng)及泥漿攜渣計(jì)算研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2021（8）：28-31+36.