楊益，李興高?，李興春，蘇偉林

（1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044；2.城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京交通大學(xué)），北京 100044；3.五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速推進(jìn)，在實(shí)踐中土壓平衡式盾構(gòu)穿越區(qū)的地質(zhì)水文條件愈加復(fù)雜，這對(duì)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的排土、保壓及調(diào)壓作用提出了更高的要求.土壓平衡式盾構(gòu)施工時(shí)要求開(kāi)挖的土體通過(guò)螺旋輸送機(jī)以膏體的形式從壓力土倉(cāng)輸送至盾構(gòu)主機(jī)外的常壓環(huán)境中.在輸送過(guò)程中，渣土需要提供足夠的保壓能力來(lái)平衡螺旋輸送機(jī)兩側(cè)的壓力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土倉(cāng)壓力的控制，進(jìn)而保證開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定.因此，準(zhǔn)確預(yù)估其保壓性能對(duì)盾構(gòu)安全掘進(jìn)的控制起著至關(guān)重要的作用.

在螺旋輸送機(jī)內(nèi)壓力分布特征的理論研究方面，Chung[1]假設(shè)作用在螺旋葉片及筒壁上的剪切應(yīng)力為常數(shù)，得到螺旋輸送機(jī)沿程壓力梯度呈線性規(guī)律.Yoshikawa[2-3]分別假定渣土為摩擦型材料和塑性材料，依據(jù)提出的螺旋輸送機(jī)壓力梯度理論計(jì)算模型，得到了螺旋輸送機(jī)沿程壓力梯度分別呈現(xiàn)非線性和線性趨勢(shì)，并深入探討了不同轉(zhuǎn)速條件及不同幾何參數(shù)下的沿程壓力梯度分布規(guī)律.Talmon 和Bezuijen[4]假設(shè)渣土為均勻塑性糊狀介質(zhì)，并且其剪切應(yīng)力為常數(shù)，推導(dǎo)出螺旋輸送機(jī)壓力梯度具有線性分布的特點(diǎn).隨著試驗(yàn)手段的進(jìn)步，通過(guò)模型試驗(yàn)探究螺旋輸送機(jī)工作機(jī)制已成為可能.Peila 等[5]利用螺旋輸送機(jī)模型裝置，對(duì)泡沫改良中等粒徑砂土進(jìn)行了排土試驗(yàn).Merritt 和Mair[6]針對(duì)黏土類渣土，利用螺旋輸送機(jī)模型進(jìn)行了排土試驗(yàn)，證實(shí)總應(yīng)力沿螺旋輸送機(jī)呈線性分布的規(guī)律.Kim 等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)探究了螺旋輸送機(jī)的螺距、葉片角度及轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)出土量的影響.近年來(lái)，為進(jìn)一步了解螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，渣土被假定為黏塑性流體用于數(shù)值計(jì)算中，為方便計(jì)算，目前常用的黏塑性流體模型為Bingham 模型[8-9].

綜上所述，雖然目前的研究成果已較為豐富，但現(xiàn)有理論模型中，關(guān)于螺旋葉片及筒壁上的剪切應(yīng)力的假設(shè)尚存在爭(zhēng)議，而模型試驗(yàn)存在操作難度大、成本高且流動(dòng)狀態(tài)不可見(jiàn)等問(wèn)題，因此，通過(guò)理論分析及模型試驗(yàn)估計(jì)螺旋輸送機(jī)的保壓性能仍十分困難，數(shù)值手段成為解決該問(wèn)題的新途徑.本文基于Herschel-Bulkley 流變模型（H-B 模型），探究了渣土流變參數(shù)及螺旋輸送機(jī)工作參數(shù)對(duì)螺旋輸送機(jī)保壓性能的影響規(guī)律，并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，以期為更好地解釋螺旋輸送機(jī)的保壓機(jī)制并準(zhǔn)確預(yù)估及優(yōu)化其保壓性能提供理論依據(jù).

1 理論基礎(chǔ)

1.1 渣土流變模型

為滿足盾構(gòu)施工時(shí)建立土壓平衡、防噴涌、防泥餅以及設(shè)備減磨的技術(shù)需求，開(kāi)挖下來(lái)的渣土需呈塑性流動(dòng)狀態(tài)[10].同時(shí)，合理的渣土狀態(tài)能為螺旋輸送機(jī)提供均勻的壓降梯度[9].近年來(lái)，隨著對(duì)塑性流動(dòng)狀態(tài)的深入認(rèn)識(shí)，渣土被認(rèn)為是一種黏塑性流體[11-12].當(dāng)剪應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，黏塑性流體表現(xiàn)出類似于固體的行為；但是，當(dāng)超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，它將類似于流體流動(dòng)[13].工程中常用的黏塑性模型包括Bingham 模型和H-B 模型.其中Bingham 模型最常見(jiàn)[14]，而H-B 模型由于其廣泛的適用性，常被用來(lái)描述新拌混凝土[15]、泥漿[16]、含顆粒懸浮液[17]等材料，其剪應(yīng)力τ 與應(yīng)變率的關(guān)系可以寫成：

式中：τ0為屈服應(yīng)力；k 為黏度指數(shù)；n 為冪律指數(shù).Bingham 模型是H-B 模型在n=1 時(shí)的特例.

孟慶琳等[12]通過(guò)自制的土體旋轉(zhuǎn)流變儀證實(shí)泡沫改良砂土的流變行為可用Bingham 模型描述.但除泡沫外，膨潤(rùn)土和高分子聚合物也是常用的改良劑[18]，根據(jù)Yang 等[19]和Jeong 等[20]的研究，若土樣或改良劑中存在黏土成分，則其流變行為更符合H-B模型.因此，采用H-B 模型能夠更加準(zhǔn)確地描述更多種類渣土的流變行為.

1.2 螺旋輸送機(jī)保壓原理

土壓平衡式盾構(gòu)屬于閉胸式隧道掘進(jìn)設(shè)備，開(kāi)挖后的渣土經(jīng)過(guò)改良形成良好的傳力介質(zhì)，將來(lái)自千斤頂?shù)耐屏鬟f至開(kāi)挖面，用以平衡開(kāi)挖面的土壓力ps和水壓力pw.螺旋輸送機(jī)有兩方面的作用：①?gòu)耐羵}(cāng)內(nèi)排出渣土；②通過(guò)渣土的運(yùn)動(dòng)使土倉(cāng)壓力pe沿螺旋輸送機(jī)逐漸衰減，以實(shí)現(xiàn)保持土倉(cāng)內(nèi)壓力的穩(wěn)定，即保壓作用；③通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，控制出土量，調(diào)節(jié)土倉(cāng)壓力pe，即調(diào)壓作用.圖1 所示為螺旋輸送機(jī)工作機(jī)制示意圖.

圖1 螺旋輸送機(jī)工作機(jī)制示意圖Fig.1 Working mechanism of screw conveyor

渣土壓力從螺旋輸送機(jī)入口A 到出口B 逐漸下降，在出口處降低為零或較小的量值，保證出渣過(guò)程穩(wěn)定可控.假定渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)的流動(dòng)連續(xù)且恒定，同時(shí)忽略渣土的壓縮性，則根據(jù)伯努利方程，圖1 中A 點(diǎn)與B 點(diǎn)的機(jī)械能應(yīng)遵循：

式中：P 為渣土壓力；ρ 為渣土密度；v 為渣土運(yùn)動(dòng)速度；h 為高度；ΔE 為機(jī)械能損失項(xiàng).由于螺旋輸送出入口面積相等，因此，根據(jù)連續(xù)性原理，出入口的渣土速度vA和vB相等，公式（3）可變形為：

由公式（4）可知，螺旋輸送機(jī)的保壓能力來(lái)源于兩方面：①通過(guò)向上的輸送，將壓能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能；②通過(guò)渣土的摩擦消耗，將壓能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.ΔP 越大，則表明螺旋輸送機(jī)的保壓性能越優(yōu)異.

重力勢(shì)能的大小取決于渣土的密度ρ 以及出入口的高度差hB-hA，高度差可根據(jù)螺旋輸送機(jī)長(zhǎng)度L以及安裝角度α 計(jì)算：

渣土本身黏性摩擦力的存在是產(chǎn)生ΔE 的根本原因.若將螺旋輸送機(jī)內(nèi)的渣土看作控制體，則ΔE可表示為：

當(dāng)忽略渣土壓縮性時(shí)，根據(jù)廣義牛頓內(nèi)摩擦定律，應(yīng)力張量σij與應(yīng)變率張量sij的關(guān)系可表示為：

式中：p 為壓力函數(shù)；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)；μ 為渣土的動(dòng)力黏度.

由公式（6）（7）可知，ΔE 由渣土的應(yīng)力場(chǎng)及速度場(chǎng)決定.渣土的應(yīng)力場(chǎng)與渣土材料本身的動(dòng)力黏度μ 直接相關(guān).但是，由于螺旋輸送機(jī)本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)型式，無(wú)法通過(guò)解析方法求得ΔE，需要借助數(shù)值模擬的手段.在模擬過(guò)程中，μ 為非定值，可用H-B 流變模型進(jìn)行描述：

渣土的速度場(chǎng)則與螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速及出渣效率有關(guān).根據(jù)圖1 所示的螺旋輸送機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)際出渣體積流量為：

2 數(shù)值建模

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

為盡量貼合實(shí)際，本文選取的計(jì)算模型為直徑6 m 的盾構(gòu)機(jī)的螺旋輸送機(jī)模型.如圖1 所示的幾何結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度L=10 m，螺旋直徑D=0.8 m，螺旋軸直徑d=0.2 m，螺距l(xiāng)=0.7 m，葉片厚度s=60 mm，共14節(jié)螺旋.采用Solidworks 軟件建立螺旋輸送機(jī)的三維幾何模型，并將其導(dǎo)入Fluent 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分.模型采用多面體網(wǎng)格，由四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)化而成，在保證網(wǎng)格質(zhì)量的基礎(chǔ)上，極大地提高了計(jì)算效率.整個(gè)流體域網(wǎng)格數(shù)目約為19 萬(wàn)，網(wǎng)格密度如圖2 所示.

圖2 網(wǎng)格密度分布Fig.2 Grid distribution

由于數(shù)值建模的目的在于求解螺旋旋轉(zhuǎn)條件下渣土的機(jī)械能損失ΔE，模型中的螺旋葉片及流體域的網(wǎng)格均假定為勻速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此采用多重參考系法（MRF）對(duì)模型進(jìn)行定常流計(jì)算.螺旋輸送機(jī)內(nèi)的流體域設(shè)置為動(dòng)區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)殪o區(qū)域；螺旋葉片為動(dòng)壁面，外殼為靜壁面.動(dòng)區(qū)域及動(dòng)壁面按照螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置旋轉(zhuǎn).

2.2 計(jì)算條件

本文算例選用層流模型，入口條件設(shè)置為壓力入口，壓力值為0.2 MPa，出口采用流量出口，流量值根據(jù)公式（10）計(jì)算，壁面均采用無(wú)滑移壁面條件，即默認(rèn)渣土在壁面處與壁面的相對(duì)速度為零.內(nèi)迭代步設(shè)置為300 步，可滿足殘差下降兩個(gè)量級(jí).

由1.2 節(jié)的分析可知，影響ΔE 的因素來(lái)自兩個(gè)方面：①渣土的H-B 流變模型參數(shù)，即屈服應(yīng)力τ0，黏度指數(shù)k，冪律指數(shù)n；②螺旋機(jī)工作參數(shù)：轉(zhuǎn)速r，出渣效率η.根據(jù)文獻(xiàn)[12，19]的流變?cè)囼?yàn)測(cè)試結(jié)果，表1 給出了不同類型的渣土流變參數(shù)的取值參考.計(jì)算參數(shù)具體取值見(jiàn)表2，所有工況中臨界剪切率均取0.01 s-1.轉(zhuǎn)速r 的取值則依據(jù)實(shí)際螺旋輸送機(jī)的設(shè)計(jì)工作參數(shù).出渣效率η 為非人為調(diào)控參數(shù)，其取值可通過(guò)施工監(jiān)測(cè)獲得，依據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道[21-22]，本文中η 取值40%～100%，涵蓋了大部分的螺旋輸送機(jī)工作狀態(tài).計(jì)算中考慮重力的影響，渣土密度為2 000 kg/m3，重力方向按照螺旋輸送機(jī)安裝角度α=20°進(jìn)行設(shè)置.

表1 渣土流變參數(shù)取值參考Tab.1 Reference value of rheological parameters

表2 計(jì)算工況Tab.2 Simulation cases

3 結(jié)果分析

3.1 渣土流動(dòng)規(guī)律

以表1 中的對(duì)照組為例，計(jì)算結(jié)果如圖3 和圖4所示.圖3（a）（b）（c）分別為渣土的壓力、速度、剪切率分布云圖.

圖3 對(duì)照組渣土的計(jì)算結(jié)果Fig.3 Results of conditioned soil in control group

由圖3（a）可知，渣土壓力沿x 正方向遞減，螺旋輸送機(jī)內(nèi)同一x 截面處壓力值相差不大.數(shù)值計(jì)算中的壓力為位置勢(shì)能與壓能的總和，因此進(jìn)出口的壓差即為公式（3）中的ΔE，而非ΔP.由圖3（b）可知，螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土的流動(dòng)速度并不均勻，在螺旋葉片的帶動(dòng)下，越靠近葉片外緣，渣土的流速越大，渣土流速的變化范圍為0～0.9 m/s.由圖3（c）可知，螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土的剪切率并不恒定，由于渣土被假定為H-B 塑性材料，這意味著渣土內(nèi)部剪應(yīng)力隨螺旋位置產(chǎn)生變化.剪切率主要變化范圍為10 s-1以下，僅在轉(zhuǎn)軸附近局部超過(guò)10 s-1.

圖4 為螺旋葉片的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力分布云圖.由圖4（a）可知，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，越靠近葉片外緣，剪應(yīng)力越小，而葉片內(nèi)緣及轉(zhuǎn)軸位置剪應(yīng)力較大，每節(jié)螺旋葉片的剪應(yīng)力分布基本相同.由圖4（b）可知，螺旋葉片的壓應(yīng)力分布與圖3（a）中渣土壓力分布呈現(xiàn)相同的規(guī)律，壓應(yīng)力沿x 軸線方向線性遞減.

圖4 對(duì)照組螺旋葉片的計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of screw in control group

3.2 渣土流變參數(shù)對(duì)保壓性能的影響

在螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速為20 r/min、出渣效率為60%的條件下，選取輸送機(jī)外殼某位置沿x 軸線方向的壓力變化為對(duì)象，探究不同渣土流變參數(shù)對(duì)保壓性能的影響.圖5（a）（b）（c）分別為屈服應(yīng)力τ0、黏度指數(shù)k 及冪律指數(shù)n 對(duì)螺旋輸送機(jī)保壓性能的影響.由圖5 可知，輸送機(jī)外殼處壓力沿x 方向呈階梯狀下降的分布規(guī)律.由于螺旋葉片的阻隔作用，導(dǎo)致壓力在葉片位置產(chǎn)生明顯下降，形成階梯曲線的梯面部分；而在相鄰兩節(jié)葉片間的空隙處，壓力下降不明顯，形成階梯曲線的踏面部分.螺旋輸送機(jī)的壓降值越大，表明其保壓性能越優(yōu)異.同一工況條件下，單節(jié)螺旋的壓降值相同，因此，增加螺旋輸送機(jī)的長(zhǎng)度可提高螺旋輸送機(jī)的保壓性能.

從圖5 可看出，τ0、k、n 越大，壓力下降越顯著.其中，τ0每增加30 Pa，進(jìn)出口壓差增加8.9 kPa；k 每增加40 Pa·sn，進(jìn)出口壓差增加33.1 kPa；n 值越大，螺旋輸送機(jī)保壓性能的提升幅度越大.三者中k 和n值對(duì)保壓性能的影響較為明顯，而τ0的影響較小.因此，為提高螺旋輸送機(jī)的保壓性能，可通過(guò)渣土改良提高其流變參數(shù)中的k 和n 值.

圖5 不同渣土流變參數(shù)下壓力隨x 坐標(biāo)的變化Fig.5 Changes of pressure with x-coordinate under different rheological parameters of soil

3.3 螺旋輸送機(jī)工作參數(shù)對(duì)保壓性能的影響

當(dāng)保持渣土流變模型參數(shù)恒定時(shí)，不同螺旋轉(zhuǎn)速r 和出渣效率η 對(duì)螺旋輸送機(jī)機(jī)械能損失ΔE 的影響規(guī)律如圖6 所示.由圖6 可知，螺旋轉(zhuǎn)速r 越大，出渣效率η 越高，則機(jī)械能損失ΔE 值越大，螺旋輸送機(jī)保壓性能越好.當(dāng)η 固定不變時(shí)，隨著r 增加，ΔE 基本呈線性增加，但增長(zhǎng)幅度略有下降.由此可知，在實(shí)際施工過(guò)程中，可通過(guò)提高轉(zhuǎn)速來(lái)增加螺旋輸送機(jī)的保壓能力.而當(dāng)轉(zhuǎn)速r 固定不變時(shí)，隨著出渣效率η 增加，ΔE 也基本呈線性增加，并且r 值越高，ΔE 的上升幅度越大.在施工過(guò)程中，出渣效率η 并非人為可控因素，其大小與螺旋輸送機(jī)進(jìn)出口壓差有關(guān).當(dāng)壓差較大時(shí)，進(jìn)口處壓力推動(dòng)渣土向外排出，此時(shí)出渣效率η 較高，渣土的機(jī)械能損失ΔE也較大，說(shuō)明螺旋輸送機(jī)的保壓能力具有隨土倉(cāng)壓力大小而自我調(diào)節(jié)的特點(diǎn).

為更直接地表達(dá)ΔE 與r、η 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)圖6 中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二元多項(xiàng)式回歸，結(jié)果如圖7所示.由圖7 可知，二次多項(xiàng)式的回歸結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度極高，確定系數(shù)R2高達(dá)0.999；而一次多項(xiàng)式的回歸結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度相對(duì)略差，確定系數(shù)R2為0.970.為方便實(shí)際應(yīng)用，一次多項(xiàng)式的回歸模型亦可滿足工程估測(cè)需要，即ΔE 與r、η 之間的關(guān)系可以表達(dá)為：

圖6 機(jī)械能損失ΔE 與r、η 的關(guān)系Fig.6 The relationship between ΔE and r，η

圖7 ΔE 的二元多項(xiàng)式回歸估測(cè)結(jié)果Fig.7 Results of ΔE by binary polynomial regression

由于渣土的流變參數(shù)保持不變，因此螺旋轉(zhuǎn)速r是通過(guò)改變?cè)恋乃俣葓?chǎng)來(lái)影響機(jī)械能損失ΔE.螺旋轉(zhuǎn)速越快，渣土的運(yùn)動(dòng)速度越快，摩擦力做功越高，進(jìn)出口壓差則越大.圖8 和圖9 分別為不同螺旋轉(zhuǎn)速下螺旋輸送機(jī)中心位置x 截面的流速與剪切率分布云圖.由圖8 可知，轉(zhuǎn)速5 r/min 和20 r/min 條件下渣土的流速具有相似的分布規(guī)律，在螺旋葉片的帶動(dòng)下，越靠近圓筒外緣，渣土流速越高.但二者流速大小有明顯區(qū)別，轉(zhuǎn)速5 r/min 時(shí)最大流速僅0.2 m/s，而轉(zhuǎn)速20 r/min 時(shí)最大流速為0.8 m/s.由圖9可知，不同轉(zhuǎn)速下渣土剪切率的分布規(guī)律幾乎完全一致，剪切率大小與螺旋轉(zhuǎn)速大小成正比.由此可知，當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速增加時(shí)，渣土的流速及剪切率隨螺旋轉(zhuǎn)速成比例增加，但由于公式（8）中H-B 模型的動(dòng)力黏度μ 與剪切率之間為非線性關(guān)系，因此圖6 中ΔE 值不隨螺旋轉(zhuǎn)速r 增加而線性增長(zhǎng).

圖8 不同螺旋轉(zhuǎn)速下x 截面渣土流速分布云圖Fig.8 Velocity distribution of soil in x cross section under different screw rotation speeds

圖9 不同螺旋轉(zhuǎn)速下x 截面渣土剪切率分布云圖Fig.9 Shear rate of soil in x cross section under different screw rotation speeds

圖10 所示為不同出渣效率η 下x 截面渣土流速分布云圖.由于螺旋轉(zhuǎn)速r 相同，因此出渣效率η不同的成因是渣土的流速不同.由圖10 可知，隨著出渣效率增加，x 截面中出現(xiàn)月牙形的加速區(qū)，出渣效率η 越高，加速區(qū)越明顯.出渣效率η 的影響因素較為復(fù)雜，顯然僅依靠螺旋旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的“抽力”難以在渣土中心區(qū)域形成加速區(qū)，加速區(qū)是在土倉(cāng)壓力的推動(dòng)作用下形成的.當(dāng)出渣效率在40%～60%之間時(shí)，加速區(qū)不明顯，此時(shí)渣土的輸送由螺旋旋轉(zhuǎn)主導(dǎo)；當(dāng)出渣效率在80%～100%時(shí)，加速區(qū)明顯，此時(shí)渣土的輸送受螺旋“抽力”及進(jìn)出口壓差共同作用.在實(shí)際應(yīng)用中，出渣效率的確定可通過(guò)統(tǒng)計(jì)出渣量和螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計(jì).

圖10 不同出渣效率下x 截面渣土流速分布云圖Fig.10 Velocity distribution of soil in x cross section under different soil conveying efficiency

圖11 所示為不同出渣效率下x 截面渣土剪切率分布.由圖11 可知，隨著出渣效率η 增大，渣土剪切率整體呈增大趨勢(shì)，局部區(qū)域出現(xiàn)明顯增大.其中，轉(zhuǎn)軸及外殼壁面附近剪切率增長(zhǎng)最為明顯，最大剪切率始終維持在20 s-1以內(nèi).因此，在進(jìn)行渣土改良時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注剪切率在0～20 s-1范圍內(nèi)渣土的流變行為.

圖11 不同出渣效率下x 截面渣土剪切率分布云圖Fig.11 Shear rate of soil in x cross section under different soil conveying efficiency

3.4 螺旋輸送機(jī)保壓性能優(yōu)化流程

根據(jù)以上分析，螺旋輸送機(jī)的保壓性能與渣土的流變行為及螺旋輸送機(jī)的工作狀態(tài)均密不可分.因此，在計(jì)算螺旋輸送機(jī)保壓性能時(shí)，需依據(jù)實(shí)際情況逐一判別，不可一概而論.圖12 提供了螺旋輸送機(jī)保壓性能的優(yōu)化流程，流程詳細(xì)說(shuō)明如下：

圖12 螺旋輸送機(jī)保壓性能優(yōu)化流程Fig.12 Optimization flow chart of pressure maintaining performance of screw conveyor

1）確定螺旋輸送機(jī)的相關(guān)幾何參數(shù)以用于數(shù)值建模.若螺旋輸送機(jī)為雙節(jié)螺旋結(jié)構(gòu)，則也應(yīng)按實(shí)際尺寸建立幾何模型.

2）通過(guò)流變?cè)囼?yàn)確定隧道穿越地層所產(chǎn)生渣土的H-B 流變模型參數(shù)，由于隧道可能穿越多種地層，應(yīng)分別對(duì)經(jīng)渣土改良后的不同類型渣土進(jìn)行流變測(cè)試，取所有結(jié)果中的最小參數(shù)值作為最不利工況.

3）確定螺旋輸送機(jī)的最大工作參數(shù)，其中最大轉(zhuǎn)速rmax應(yīng)依據(jù)螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)選取，而最大出渣效率ηmax宜取100%，當(dāng)η 超過(guò)100%時(shí)，則可認(rèn)為實(shí)際出渣量大于螺旋輸送機(jī)自身的輸送能力，此時(shí)螺旋輸送機(jī)保壓功能失效的風(fēng)險(xiǎn)將大大增加.

4）利用CFD 方法計(jì)算機(jī)械能損失ΔE.

5）若ΔE+ρgL sin α≥ΔP實(shí)際，即計(jì)算保壓能力大于實(shí)際螺旋輸送機(jī)進(jìn)出口壓差，說(shuō)明保壓性能優(yōu)異.反之，則需要對(duì)保壓性能進(jìn)行優(yōu)化，方案1 為增加輸送機(jī)仰角α 值，若仍無(wú)法滿足判定條件，則需要采取方案2，調(diào)整渣土改良參數(shù)，如更換改良劑種類或調(diào)整改良劑用量，直至滿足判定條件.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在數(shù)值計(jì)算中，渣土被假定為符合H-B 流變模型的假塑性流體，為驗(yàn)證這一假定的可靠性，特將計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.采用如圖13所示的螺旋輸送機(jī)模型試驗(yàn)裝置，螺旋機(jī)長(zhǎng)度1.0 m，直徑108 mm.模型機(jī)系統(tǒng)由渣土倉(cāng)、傾斜螺旋機(jī)、聯(lián)軸器、減速電機(jī)、變頻器及水平方向加壓系統(tǒng)組成.其中螺旋機(jī)外殼處分別等間距安裝有6 個(gè)土壓力計(jì)和6 個(gè)空隙水壓力傳感器，如圖13 所示，用于測(cè)量法向應(yīng)力和孔隙水壓力.在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)土倉(cāng)內(nèi)渣土逐漸減少時(shí)，加壓系統(tǒng)的水平方向氣缸以恒定壓力向前推進(jìn)，氣缸始終與大型儲(chǔ)氣罐相連接，保證了螺旋輸送過(guò)程中土倉(cāng)壓力始終維持恒定.根據(jù)土倉(cāng)內(nèi)渣土輸送情況，可計(jì)算出渣土的出渣效率η.

圖13 螺旋輸送機(jī)模型試驗(yàn)裝置Fig.13 Screw conveyor model machine

由于模型試驗(yàn)僅用于驗(yàn)證理論計(jì)算中基本假設(shè)的可靠性，因此試驗(yàn)中無(wú)需配置相似材料，試驗(yàn)材料為經(jīng)改良后的普通渣土，改良渣土的配比及相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表3 所示.膨潤(rùn)土漿液選用膨化24 h 的鈉基膨潤(rùn)土漿液.改良渣土的塌落度值為190 mm，屬于典型的“塑性流動(dòng)狀態(tài)”.根據(jù)文獻(xiàn)[19]所述的測(cè)試方法，采用Brookfield R/S+型流變儀的十字板型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)VT-40-20 測(cè)試試驗(yàn)所用改良渣土的流變參數(shù).渣土的流變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖14 所示，采用最小二乘法進(jìn)行擬合，分別得到Bingham 模型和H-B 模型的擬合曲線，其中H-B 模型的確定系數(shù)R2高達(dá)0.998，而B(niǎo)ingham 模型僅為0.937，說(shuō)明在模擬渣土流變行為方面，H-B 模型更為精確.螺旋輸送機(jī)排出的渣土與試驗(yàn)前的狀態(tài)基本一致，僅有少量膨潤(rùn)土漿液析出.試驗(yàn)共設(shè)置兩種工況：工況1 螺旋輸送機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為16 r/min，渣土倉(cāng)工作壓力為200 kPa；工況2 螺旋輸送機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為6 r/min，渣土倉(cāng)工作壓力為100 kPa.待盾構(gòu)螺旋機(jī)模型工作狀態(tài)穩(wěn)定后，根據(jù)渣土倉(cāng)內(nèi)的土樣體積及出渣口排出的渣土體積，計(jì)算出兩種工況下模型機(jī)平均出渣效率分別為79%和63%.

表3 改良渣土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及力學(xué)參數(shù)Tab.3 Mass fraction and mechanical parameters of conditioned soil

圖14 改良渣土的流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.14 Rheological test results of conditioned sand

依據(jù)模型試驗(yàn)機(jī)尺寸及參數(shù)進(jìn)行數(shù)值建模和計(jì)算，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖15.整體來(lái)看，兩種工況下的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均較為吻合，說(shuō)明H-B 模型用于模擬螺旋輸送機(jī)內(nèi)渣土的流動(dòng)及力學(xué)性能是較為可靠的.工況1 中當(dāng)x 坐標(biāo)在0.6 m 和1.0 m 時(shí)，理論壓力值較實(shí)測(cè)值偏大，其可能的原因?yàn)?，理論?jì)算中假設(shè)渣土為均質(zhì)的黏塑性流體，忽略了渣土與管壁的相對(duì)滑移，而實(shí)際渣土中的固體顆粒與管壁存在摩擦，增加了機(jī)械能的消耗.此外，當(dāng)x 坐標(biāo)為1.0 m 時(shí)接近螺旋輸送機(jī)出口處，兩種工況下的實(shí)測(cè)壓力值均存在突變，原因是螺旋機(jī)出口處突然泄壓導(dǎo)致實(shí)測(cè)壓力值較理論計(jì)算值更小，以致螺旋輸送機(jī)保壓性能的理論計(jì)算結(jié)果偏保守.

圖15 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.15 Comparison of calculation and experimental results

5 結(jié)論

1）螺旋輸送機(jī)存在2 個(gè)保壓途徑，一是將土倉(cāng)內(nèi)的壓能轉(zhuǎn)化為渣土的重力勢(shì)能，二是通過(guò)渣土的摩擦消耗，將壓能最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化量與螺旋輸送機(jī)的長(zhǎng)度L 及安裝角度α 的正弦值線性相關(guān)，而因摩擦消耗產(chǎn)生的機(jī)械能損失ΔE 與渣土流變參數(shù)τ0、k、n 及螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速r、出渣效率η均密切相關(guān).

2）采用CFD 方法在評(píng)價(jià)螺旋輸送機(jī)保壓性能方面有很大潛力.渣土的流變參數(shù)對(duì)螺旋輸送機(jī)保壓性能有較大的影響，其中H-B 模型的k 和n 值的影響最為顯著.k 每增加40 Pa·sn，機(jī)械能損失ΔE 增加33.1 kPa；n 值越大，保壓性能的提升幅度越大.

3）渣土摩擦消耗的機(jī)械能損失ΔE 與r 和η 基本呈線性關(guān)系，但隨著轉(zhuǎn)速r 增加，ΔE 的增長(zhǎng)幅度略有下降.ΔE 與r、η 間基本符合一次多項(xiàng)式回歸模型，在本文選取的計(jì)算條件下，函數(shù)形式可表示為ΔE=-1.349+2.392r+0.431η.

4）通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了H-B 模型用于模擬渣土流動(dòng)和計(jì)算螺旋輸送機(jī)保壓性能的可靠性.依據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，給出了螺旋輸送機(jī)保壓性能的優(yōu)化流程，以期為施工過(guò)程中提高螺旋輸送機(jī)保壓能力以及渣土改良參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)和依據(jù).