陳瑞祥，楊振興，韓偉鋒

（1.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450000；2.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

泥水平衡盾構(gòu)因其良好的壓力控制效果及在富水地層的良好適用性，在穿江、越河、跨海、城市地鐵等富水地層隧道建設(shè)工程中得到大量應(yīng)用[1]。泥水環(huán)流系統(tǒng)是泥水平衡盾構(gòu)的關(guān)鍵組成系統(tǒng)，可將開挖的渣土與泥漿混合后輸送到地面。當排漿中含有固體顆粒時，排漿管長期承受高速持續(xù)撞擊，致使管壁逐漸磨損變薄甚至磨穿。

針對泥水環(huán)流系統(tǒng)管路磨損問題，崔建等[2]以京張高鐵清華園隧道盾構(gòu)段泥水平衡盾構(gòu)為例，對砂卵石地層泥水平衡盾構(gòu)泥漿輸送參數(shù)進行統(tǒng)計分析，并通過現(xiàn)場實測對輸送管路磨損進行探討；黃波等[3]結(jié)合南京地鐵10 號線盾構(gòu)隧道工程，研究了不同材質(zhì)、流速、泥漿密度及泥漿中固體顆粒大小等因素對泥漿輸送管道磨損的影響，提出了減小管路磨損的技術(shù)措施。董伯讓[4]以蘭州地鐵為例，對輸送管道的磨損狀況開展了研究，提出了一系列能改善輸送管道磨損的措施。

上述研究結(jié)合工程實際對排漿管磨損影響因素、改進措施進行探討。但由于泥漿管的密閉性，巖渣在管內(nèi)的分布特征難以直觀確定，巖渣對管道不同位置的磨損規(guī)律缺乏系統(tǒng)研究。流動過程中泥漿和巖渣具有復(fù)雜的相互作用，采用流固耦合方法能更準確、直觀地反映巖渣在泥漿流場作用下的運動過程和磨損規(guī)律。本文依托深圳春風(fēng)隧道超大直徑泥水盾構(gòu)工程，建立攜渣泥漿在排漿管內(nèi)流動的流固耦合數(shù)值模型，對巖渣運動特征及其對管壁的磨損作用進行研究，從而揭示排漿管磨損規(guī)律，并提出改進措施。

1 工程概況

春風(fēng)隧道位于深圳市羅湖區(qū)和福田區(qū)，隧道長約4.65km，其中盾構(gòu)施工段長約3.58km。盾構(gòu)段采用開挖直徑15.8m 的泥水平衡盾構(gòu)施工。隧道段主要穿越的地層多為粗粒花崗巖、構(gòu)造碎裂巖、凝灰質(zhì)砂巖、板巖等，全斷面巖層占全線80%以上。環(huán)流系統(tǒng)進、排泥管選用DN500 的輸送管，壁厚25mm。系統(tǒng)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 環(huán)流系統(tǒng)主要參數(shù)

2 排漿管流固耦合數(shù)值模型及參數(shù)

2.1 建模區(qū)域

排漿管從盾構(gòu)泥水倉引出后，經(jīng)隧道、基坑、地表引入泥水處理廠。其管路主要由直管、90°彎管組合而成。直管、彎管均可布置為水平和豎直兩種狀態(tài)。不同狀態(tài)引起的泥漿流向與重力方向的差異也會影響管路的磨損狀態(tài)?？紤]排漿管的常見情況，選取直管水平放置、直管豎直放置、90°彎管水平放置、90°彎管豎直放置四種情況分別進行分析。泥漿流向與重力方向（G1、G2）相對關(guān)系及建模區(qū)域尺寸如圖1 所示。

圖1 管路建模區(qū)域

2.2 計算模型及邊界條件

2.2.1 流固耦合計算模型

環(huán)流系統(tǒng)管道輸送模型主要由液相流動模型與固相運動模型構(gòu)成[5]。計算流體力學(xué)（CFD）在解決流體與固體顆粒問題時未能涉及兩者之間拖拽力等相互作用，也無法考慮固相顆粒大小、碰撞等物理作用，而這些因素對管道磨損的影響至關(guān)重要。結(jié)合離散元方法（DEM）能更準確地反映固相的運動規(guī)律[6]。通過引入包含磨損的材料模型，還可以計算顆粒對管壁的磨損效應(yīng)。因此采用CFD-DEM 耦合的方法建立排漿管計算模型。

由于泥漿中巖渣顆粒體積分數(shù)較大且會影響泥漿流動，采用Euler-Euler 耦合方法對兩相流進行模擬，通過CFD 方法計算泥漿對巖渣顆粒的拖拽力等參數(shù)，由DEM 方法計算巖渣運動參數(shù)，并通過耦合接口進行數(shù)據(jù)交換。首先使用CFD方法計算泥漿流場，迭代收斂后，將流場計算結(jié)果輸入DEM 模型，根據(jù)流場作用力計算巖渣運動情況；隨后把巖渣的位置結(jié)果返回并進行下一步流場計算，最終得到巖渣在排漿管中的運動情況。通過在DEM 模型巖渣與管壁的接觸中加入相對磨損（Relative Wear）模型，可以顯示出管道最容易發(fā)生磨損的部位。

2.2.2 邊界條件

對于流體計算，根據(jù)環(huán)流系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，設(shè)置泥漿密度ρ1為1 250kg/m3，泥漿粘度為40mPas，并在排漿管進口處設(shè)置速度入口條件，在出口處設(shè)置壓力出口條件，管壁設(shè)置無滑移邊界條件，湍流模型選擇為 Standardk-ε模型。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)，可以由式（1）求得排漿管入口流速為

對于固相計算，假設(shè)泥漿與巖渣體積均不可壓縮，則單位時間內(nèi)巖渣進入排漿管的質(zhì)量可根據(jù)下式計算。

V1+V2=Q

ρ1V1+ρ2V2=ρQ

m1=ρ1V1

m2=ρ2V2

其中，V1和V2為單位時間內(nèi)泥漿和巖渣流過排漿管的體積，m1和m2為單位時間內(nèi)通過排漿管泥漿和渣土質(zhì)量。計算得到巖渣進入排漿管速度m2為262kg/s。由于巖渣數(shù)量多且形狀尺寸各異，按照實際形狀建模會極大地消耗計算資源，因此以球形顆粒代替。根據(jù)部分統(tǒng)計，排出的巖渣尺寸一般不超過150mm。因此設(shè)定在排漿管入口處以262kg/s 的速度持續(xù)隨機生成直徑不超過150mm 的顆粒。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 巖渣分布及速度變化規(guī)律

由圖2 可見，在管道入口附近，巖渣速度及位置分布比較均勻。通過彎頭時，巖渣速度明顯減小，在彎管外側(cè)約45°位置降到最小。這是由于攜渣泥漿大角度沖擊管道內(nèi)壁造成動能嚴重損失，使泥漿與巖渣速度很快降低，同時巖渣由于離心力的作用而全部聚集在管壁外側(cè)，巖渣的集中沖擊也會造成這些區(qū)域的磨損。

圖2 巖渣速度分布

巖渣進入水平放置的直管后，在重力作用下向底部聚集，在1m 位置沖擊管壁底部后減速并集中在管壁底部流動，這也可以反映排漿泵出口附近巖渣的流動狀態(tài)。對于豎直放置的直管而言，由于重力作用方向與泥漿流動方向平行，巖渣分布相對均勻，速度變化主要受管壁及重力影響。

如圖3 所示，巖渣進入管道后平均速度快速降低隨后穩(wěn)定。直管水平放置時巖渣總體速度損失最小，平均速度最終穩(wěn)定在3.57m/s；彎管豎直放置時巖渣總體速度損失最大，平均速度最終穩(wěn)定在2.90m/s。這表明管路豎直放置和水平放置均能保證渣土連續(xù)穩(wěn)定排出，此外，由于渣土速度普遍低于泥漿流速，為保證巖渣的順利排出，泥漿流速不能過低。

圖3 巖渣平均速度

3.2 排漿管磨損規(guī)律

法向累積接觸力和切向累積接觸力是相對磨損接觸模型的2 個重要衡量指標，可以顯示出管道最容易發(fā)生磨損的部位。分別提取排漿管在4 種狀態(tài)下的平均法向累計接觸力和切向累計接觸力隨時間變化曲線，如圖4 和圖5 所示，隨著巖渣顆粒的不斷進入，相對磨損量曲線經(jīng)歷短暫的弧形上升后均進入穩(wěn)定的線性增加階段。相同放置狀態(tài)下法向累積接觸力均大于切向累積接觸力，這表明法向沖擊對管道磨損有著重要影響。

圖4 彎管相對磨損量

圖5 直管相對磨損量

在穩(wěn)定磨損階段，管道各部分磨損量與時間近似成正比，曲線斜率反映出了各部位的相對磨損速度。如圖6 所示，彎管整體的磨損速度明顯大于直管，水平放置的彎管受磨損最嚴重。水平狀態(tài)下，彎管的法向相對磨損速度是直管的2.66倍，切向相對磨損速度是直管的2.71 倍；巖渣在直管內(nèi)豎直輸送時對管壁造成的磨損最小。

圖6 相對磨損速度

圖7 為彎管相對磨損量分布情況。圖中顯示了彎管水平放置和豎直放置時的相對磨損量和主要磨損區(qū)域分布。兩種放置狀態(tài)主要磨損區(qū)域均集中在彎管外圓面上，最大磨損位置位于彎管45°左右，與巖渣主要沖擊區(qū)域一致。彎管水平放置時，由于重力的作用，主要磨損區(qū)域位于彎管軸線剖面以下的外圓面上；彎管豎直放置時，主要磨損區(qū)域在彎管軸線兩側(cè)外圓面均勻分布。從最大相對磨損量上看，彎管水平放置時彎頭的法向和切向相對磨損量均大于豎直放置，這表明彎管水平放置時更容易產(chǎn)生磨損。

圖7 彎管相對磨損量分布

圖8 為直管相對磨損量分布情況。由于直管水平放置時巖渣沿管道底部隨泥漿流動，管道的磨損區(qū)域也集中在管道底部。在管道入口1m 附近位置底部管道磨損更為嚴重，這是由于渣土顆粒初始速度較大，且在重力作用下加速下沉沖擊該區(qū)域造成的?？紤]到環(huán)流系統(tǒng)不會一直工作在最大流量，排漿泵出口1m 以內(nèi)的管道都應(yīng)重點關(guān)注。直管豎直放置時，巖渣在管內(nèi)運動對管壁沖擊最小，相應(yīng)的管壁磨損量最小且分布均勻。

圖8 直管相對磨損量分布

4 結(jié)論與建議

采用流固耦合的方法對排漿管內(nèi)泥漿和巖渣運動情況進行了計算，并獲取了不同布置方式下排漿管的相對磨損情況，主要表現(xiàn)出以下規(guī)律。

1）攜渣泥漿流過彎管時，磨損區(qū)域主要分布在彎管外圓面。排漿管路中水平放置的彎管受到磨損最嚴重，且主要磨損區(qū)域位于彎管軸線剖面以下的外圓面上，最大磨損位置在彎管45°附近。

2）水平放置的直管磨損較嚴重，且主要磨損區(qū)域位于底部管壁。

3）排漿泵出口位置1m 附近的排漿管底部區(qū)域相對于其他位置更容易磨損。

4）豎直放置的管路磨損量相對較少。

據(jù)此，為避免排漿管路磨損過快，可以采取以下措施：①對彎管外圓面采用加厚、安裝耐磨板等措施增強耐磨性能；②水平放置的直管可以采用上薄下厚的偏心圓截面，或者在排漿管底部進行加厚和耐磨處理。由于磨損位置集中在管道底部，可以在使用一段時間后將管道旋轉(zhuǎn)180°繼續(xù)使用，以延長使用壽命；③對彎管、排漿泵出口附近等高磨損區(qū)域的排漿管設(shè)計為便于拆裝的結(jié)構(gòu)，并進行重點監(jiān)測，及時掌握磨損情況，及時進行修復(fù)或更換；④盡量減少90°彎頭的使用，或采用大角度彎頭，以減少渣土顆粒的沖擊。