富水地層土壓平衡盾構盾尾密封特性數值模擬

王 德 福

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

近年來，隨著我國綜合國力的提高及科技水平的進步，地鐵與隧道等地下工程建設進入了空前的發展機遇期，建設規模與速度都已居世界第一。盾構法作為地鐵及隧道施工的主流方法，由于其具有較高的自動化程度、較快的施工速度、較強的安全穩定性與較好的環境保護性，在地下施工中占據著舉足輕重的地位。

隨著交通強國戰略、區域經濟一體化及國家大通道建設計劃的逐步實施，越江跨海隧道的需求也在日益增加。由于越江海盾構隧道復雜多變的工程地質、水文地質條件以及盾構施工速度、距離與直徑的增加，使得盾構機尾端所承受的水壓大幅提高，盾尾密封失效事故時有發生，造成后果程度不一。廣州地鐵軌道隧道在盾尾剛進入土體時出現漏漿涌砂現象，隧道掘進機掘進至70環時，出現較高噴射距離的細泥沙漿，密封油脂已無法封堵[1]。廣州市軌道交通三號線某盾構區間由于管片橫向變形造成油脂封堵壓力小于外部水土壓力，掘進期間多次出現滲漏、竄漿現象[2]。深圳地鐵羅寶線由于始發油脂涂抹不均勻、糾偏量過大造成盾尾密封效果欠佳[3]。南昌軌道交通一號線由于穿越地層為自穩能力較差的砂層且尾刷鋼板與注脂注漿管間存在極易形成滲漏通道間隙，從而造成漏水、漏砂漿現象的產生[4]。由以上盾尾密封泄漏事故分析可知，盾尾密封失效極易發生在含水量較大且易透水的砂層中，失效程度與其外部水土壓力、油脂粘度等因素有關，研究盾尾密封是解決上述問題的關鍵所在。

隨著盾構技術的進一步發展，人們對盾尾密封裝置也進行了相關研究工作。王德乾[5，6]針對盾構密封油脂開展大量實驗研究工作，研發了擁有自主產權的抗水壓密封性及泵送性的實驗測試裝置，并提出相應的測試標準與規范。白傳航[7]對盾尾密封油脂的泵送性與水密性進行分析總結，并認為某些高分子化合物可有效改善油脂泵送能力，纖維可有效提高抗水密封性。蔡瑞英[8]研究分析了盾尾密封裝置各部分性能指標，并對比分析各組成成分對于油脂抗滲性、揮發性與金屬腐蝕性的影響。饒竹紅等[9]對比分析四種油脂抗水壓密封裝置在出入口邊界設置、金屬網直徑上的異同點，并利用FLUENT流體動力學軟件對其數值模擬，得出油脂在實驗裝置中流動的一般規律。吳狄等[10]以北方盾構工程冬季施工為論述重點，分析出盾構冬季施工的重難點，并針對冬季施工提出了盾尾油脂使用時的保溫與加熱技術以此保證油脂可以正常使用。張國欣等[11]發明了一種環保型盾尾密封油脂，其組成包括增粘劑、防水密封材料、潤滑劑、增粘樹脂、有機溶劑、基礎油和抗氧化劑。朱祖熹[12]分析了國內外幾種盾尾密封油脂的性能特點，并針對現階段密封油脂生物降解特性、密封油脂組成、盾尾密封油脂工程特性等方面提出意見與建議。然而上述研究多集中于對盾尾密封油脂實驗裝置的創新及對新型盾尾密封油脂的研發，對于實際工程條件下盾尾密封系統數值模擬研究較少，對盾尾密封系統的失效機理及演化特征還缺乏較為系統且深入的研究。

因此，本文擬通過流體動力學的計算方法，對盾尾密封油脂抵抗外部高水壓環境下的流動過程進行模擬，并分析其變化的規律及原因，為進一步深入研究盾尾密封油脂密封防水性能和現場應用奠定理論基礎。

2 工程概況

本文所依托的是南昌市軌道交通四號線沿線某標段工程，該標段工程主要位于南昌市高新區，其主要包括四站四區間，分別為：火炬站、火炬站—北瀝站區間、北瀝站、北瀝站—科技城站區間、高新停車場出入場線、科技城站、科技城站—魚尾洲站區間、魚尾洲站。其中區間采用盾構法施工。盾構區間全長約4 314 m。本文以火炬站—北瀝站區間的情況為例，圖1為該區間地質剖面圖。

火炬站—北瀝站區間沿東西方向敷設，出火炬站后向西直達北瀝站。區間下穿民園路、火炬五路等街路及庫房、綜合動力站、高壓線塔、通信塔等風險源。區間上行線長1 043.178 m，下行線長1 039.523 m，線間距14.00 m～17.00 m。隧頂覆土9.13 m～16.67 m。區間正線采用盾構法施工，管片內徑5.4 m，外徑6.0 m。

根據沿線巖土層的成因類型、性質、工程特征、風化狀態等，結合沿線工程地質縱斷面，可劃分為人工填土層、上更新世沖積層、基巖三大類。其地下水類型分為第四系松散層和強風化帶中的孔隙潛水、強—中風化基巖裂隙水，局部分布賦存于人工填土、黏性土中的上層滯水。其上層滯水賦存于填土層之中，主要接受降雨入滲補給及城區下水管的滲漏補給。水位隨氣候變化大，無連續的水位面，水量一般較小，地下水位埋深一般為1.00 m～2.90 m，而雨季持續降雨水位可平地面。

3 盾尾密封失效原因

在盾構掘進的施工過程中，隧道拼裝管片從盾尾脫落后與隧道開挖外徑產生一定的間隙，盾尾處的盾殼與管片之間需設置一定的密封裝置，如圖2所示，防止地層中的水、土及同步注漿漿液侵入盾殼內部，從而保障盾構掘進的施工安全性。然而現階段在盾構施工中，由于盾尾密封失效造成的工程事故層出不窮，其原因可主要歸納為以下幾點：

1)工程地質與水文地質條件較差。

隧道穿行區域主要為松散巖土層，承載能力低。自穩能力差，地層透水性強且地下水為承壓水，水源補充較為豐富。盾構機穿越該地段時易造成水壓失衡從而發生透水涌砂漏漿的風險較大。

2)盾尾密封間隙不均勻。

由于施工不規范等因素造成管片組裝過程中管片與外壁之間的間隙超過預設范圍，盾尾形成一定的滲漏通道引發涌水涌砂現象的產生。同時在管片拼裝過程中極易發生縱向錯臺現象，盾尾間隙開口值大于規定指標，盾尾刷難以與管壁形成致密有效的防護體系，在較高注漿壓力或泥水壓力下極易擊穿尾刷從而造成滲漏、竄漿現象的產生。

3)外部土水壓力與油脂注入壓力差過大或油脂注入量不足。

在盾構掘進開挖過程中，若外部土水壓力過高，超過盾尾密封刷的抗壓能力，則可能會瞬間擊穿尾刷形成漏漿。且油脂與管壁之間的摩擦消耗量與盾構機前進速度呈現正相關的關系，掘進速度過快則油脂補充用量難以滿足油脂消耗用量，如不及時調整油脂泵送壓力與注入量，則勢必影響尾刷密封效果，造成盾尾密封失效。

4)盾尾密封損壞。

由于管片偏心造成盾尾刷一側過度擠壓產生塑性變形，造成密封性能的下降；盾構掘進停止時土倉在泥水作用下極易產生倒退現象，造成尾刷刷毛運動方向與原始運動方向相逆，尾刷變形易引發泄漏。

5)油脂自身性能較差。

選用油脂耐水性能較差，無法滿足施工狀況下盾尾密封實際要求。

4 基于FLUENT盾尾密封油脂流動分析

鑒于以上幾種盾尾失效原因，本文采用流體動力學分析軟件FLUENT對盾尾密封油脂在盾尾處流動過程進行二維數值模擬，以此探究盾尾密封油脂在抵抗外部高水壓環境時的流動規律。在物理模型中，將密封油脂與水看作互不相容的液—液兩相體，應用流體體積函數(VOF)追蹤不相容液—液界面時空位置，由于盾尾密封刷是由一系列細長鋼絲緊密交錯排列形成，刷絲之間間隙非常小，可將整個刷束區域作為多孔介質整體處理，并假定壓力在入口處均勻分布，數值模型網格如圖3所示。

4.1 幾何模型及邊界設置

模型流域寬度為75 mm，盾尾密封油脂填充長度基于盾尾刷安裝間距設置，根據工程實際情況，取值范圍可定為400 mm，以此探究在該填充長度與寬度下的油脂壓力及速率分布。流域右端為壓力入口邊界，左端為壓力出口邊界，上下壁面為隔絕流體邊界，以此模擬盾構殼體與管片的封閉作用，將前述多孔介質區設置一定的滲透系數，在外部水壓作用下即可模擬油脂與水兩相體的流動規律與相互作用關系。

4.2 控制方程

1)油脂與水兩種流體的運動方程均為：

2)連續性方程：

連續方程是流體運動學的基本方程，表征在任一控制體單元內滿足質量守恒，即對于不可壓縮的流體，單位時間流經單位體積空間，流出和流入的流體質量之差等于0，即流體質量守恒。

3)液—液界面VOF控制方程。

VOF法采用體積分數aq，表征第q種物質在網格單元中所占體積，若aq=0，表示該單元中不存在此種物質，若aq=1，表示該單元體積被此種物質所充滿，若0

4.3 計算參數選取

在本次數值模擬計算中，外部水壓為3 MPa，將水與油脂定義為兩種不同流體，水的密度取值為998 kg/m3，粘度取值為0.001 Pa·s，密封油脂的密度為1 200 kg/m3，粘度取值為1 300 Pa·s，多孔滲透區滲透系數采用1 mm直徑鋼絲網的滲透系數，其取值大小為1×10-6。殘差取值標準為1×10-5，選用coupled計算函數并設置其庫朗數為200，以此保證數值計算的穩定性與收斂性。

5 結果分析

如圖4所示，在加壓瞬間，盾尾密封油脂與水分界面較為平整，在外部水壓與自身重力的作用下，外部環境的高壓水逐漸向內部油脂填充區域移動，且移動方向主要為下部暴露在油脂區域的刷束區域，這主要因為上部彈性板覆蓋區域為完全密封結構，流體只能向下方具有一定滲透率的尾刷多孔介質區流動。油脂在滲透進入尾刷區域后，隨著時間的推移，由于大量油脂泄漏而形成貫通的泄漏路徑，油脂滲漏速率較快的位置由靠近管片底部位置向密封腔中部位置移動，隨著盾尾泄漏時間的不斷推移，中間部位的油脂通過貫通泄漏路徑損失殆盡，上下邊界處油脂在高壓水作用下逐漸被排擠出油脂腔內，最終造成盾尾密封失效。

數值計算過程中流體壓力云圖如圖5a)所示，其壓力值由入口處3 MPa逐漸減少至出口處0 MPa，在外部水壓施加一瞬間，其流體域內流體還未發生運動，壓力由進口處均勻向出口處擴散，表現出壓力層層均勻遞減的趨勢，并在盾尾密封刷處受到阻隔作用產生壓力震蕩現象。其壓力降低的原因可歸咎為由于初始應力場所引發的應力場的衰減變化，在密封刷多孔介質處由于流域的突然“收縮”及流體邊界的變化從而造成壓力波紋狀變化。

高壓水滲漏盾尾時的壓力分布如圖5b)所示，待壓力穩定后，上游處流體流動區域壓力基本保持恒定，在邊界處出現小塊高壓區域，其高壓峰值大小為3 MPa，上游處其余壓力值為2.8 MPa；下游處壓力值隨著高壓水入侵呈現塊狀區域分布。塊狀區域內壓力峰值為0.4 MPa，外部區域壓力值減小為0 MPa，在尾刷多孔介質區出現一定的壓力下降梯度，壓力由流體區域上游的高壓力減小至流體區域下游的低壓力。其壓力減少原因為流體在流經多孔介質處，由于通道突然窄縮導致流體加速運動，而加速運動所需推力越大，故流體在上游段壓力較高。并在高低壓力過渡區階段出現較為明顯的多層壓力分界區，多層壓力分界區緊密貼合在多孔介質區上并保持較為平整的接觸面。

盾尾完全泄露時壓力云圖如圖5c)所示，對比盾尾初始滲漏時刻可知，上游處流體域內高壓塊狀區域僅出現在上邊界處。在多孔介質處壓力值為0.6 MPa，下游處低壓區域壓力值由0.4 MPa減小至0 Pa。其油脂腔內壓力變化區域與該時刻兩相變化區域呈現較高的一致性，下游與上游交界處多孔介質位置兩相交界面不再保持平整，而是隨著泄漏不斷發生產生一定的波紋形狀。

油脂初始加壓時泄漏速率分布云圖如圖6a)所示，初始加壓時，在外部高水壓的推動下，盾尾密封刷多孔介質區處有較大的速率，峰值點出現在接近尾刷下部多孔介質處，大小為2.159×102m/s,速率影響范圍由峰值點處向外呈現半圓形消減，在壁面處與尾刷上部區域出現速率為零的區域，其原因可能與流體具有粘性性質有關。

高壓水滲漏進尾刷時速率分布圖如圖6b)所示，隨著油脂不斷被外部高壓水擠出，流域內平均流速為0.01 m/s。當高壓水侵入尾刷多孔介質區域時，該處速率影響區域逐漸增加，速率值為0.095 m/s，入口處速率變化范圍隨高壓水不斷滲入而逐漸向內部擴張，且該時刻速率峰值出現在入口上端區域，其值為0.297 7 m/s。

盾尾完全泄漏時的速率分布圖如圖6c)所示，當高壓水大范圍進入到油脂腔體內部，尾刷處速率梯度有較為明顯的提高，此處存在速率極值，極值大小為1.703 m/s，且速率影響范圍隨著水相入侵進一步向內部移動。而在油脂腔內部，油脂腔中央處速率值為0.41 m/s，緊貼內壁處流速為0 m/s，速率分布由中央向邊界逐漸減小，這主要是由于流核中心流速較快，越靠近邊界所受壁面阻力越大，流體流速越小。

6 結語

本文探究了盾尾密封油脂在外部高壓水下的流動規律，依據南昌軌道交通四號線相關工程資料，建立起了盾尾密封數值計算模型，并通過壓力場、速度場及體積相分布三種物理量進行表征，從計算結果可以得出：

1)當盾尾開始泄漏時，高壓水受重力作用向密封間隙中下部移動，并通過尾刷下部多孔介質區產生滲漏，待高壓水進入油脂腔內部后，其分布模式由中央向兩周擴散。

2)當盾尾發生泄漏時，其流動流域壓力主要由三部分組成：尾刷右側上游段、尾刷處、尾刷左側下游段。尾刷下游處產生較為明顯的塊狀分布區域，尾刷處產生壓力過渡區域，其壓力值逐漸減少至尾刷下游處低壓力值。

3)當初始加壓時，流體速率峰值點出現在尾刷下方多孔介質處，當高壓水侵入尾刷后，速率影響范圍隨著時間推移不斷加大，速率峰值點轉移至入口上方區域；當盾尾發生完全泄漏時，速率峰值點轉移至尾刷處，且隨著高壓水不斷入侵速率變化范圍向內部移動。