盾尾密封系統防水失效特性試驗與模擬分析

劉建國，朱 君，鞠麗艷，吳 迪

（1.同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804；2.同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，上海 201804；3.上海申通地鐵集團有限公司技術中心，上海 201103）

目前，地鐵隧道建設主要采用盾構法施工，盾構法具有施工速度快、對地面活動干擾少等特點。然而在施工過程中依然會面臨許多風險因素，其中盾尾密封失效是常見的安全問題之一。大部分盾構機采用的盾尾密封系統是由密封油脂和盾尾刷組成，如圖1 所示。將多道盾尾刷通過焊接或螺栓固定在盾尾殼體上，并在盾尾刷之間充填盾尾密封油脂，形成有效密封層，從而對漿液和水土起到阻隔作用，保證盾構機整體的平穩掘進。而當外部水壓擊穿盾尾密封層時，就會發生防水失效，其后果是災難性的[1-3]。

針對盾尾密封系統整體性能的研究，國內外學者主要采用室內模型試驗和數值模擬的方法，分析其在各種工況下的性能。在室內模型試驗方面，國內進行了多次大型模型試驗[4-5]，均采用縮比尺等盾尾間隙的設計原則，針對特定工程問題開展防水性能驗證性試驗；高振峰[6]，Shen 等[7]在耐水壓檢測方法基礎上，設計了耐水壓動態檢測試驗裝置；王德乾等[8-10]設計了一種抗水壓密封測試設備，并在朱煒健等[11]研究中得以介紹和應用。國內外試驗研究思路整體向小型化、單元化模型方向發展。在數值模擬方面，由于盾尾刷結構與透平機械的刷式密封原理類似，可以借鑒刷式密封的相關理論和分析方法。刷式密封結構一般可簡化為多孔介質，Chang 等[12]，Wei 等[13]，Ali 等[14]對多孔介質模型進行了改進；一些學者也嘗試對盾尾密封系統進行模擬分析，饒竹紅等[15]利用CFD 軟件對比分析了油脂在不同水密性裝置中的流動情況；王林濤等[16]，鈄婧[17]，李光等[18]分別建立了仿真模型，分析了正常與泄漏狀態下油脂腔壓力分布規律。上述數值分析集中于盾尾密封系統壓力特性的研究，沒有從防水密封角度對防水失效過程的水力特性規律和防水能力的影響因素進行詳細的分析。

以盾尾密封系統為研究對象，在室內模型試驗的基礎上，借鑒刷式密封的相關方法，對盾尾刷和油脂進行合理簡化。基于計算流體力學軟件對密封系統防水失效時水和油脂兩相流體相互作用進行分析，開展防水失效過程中水力特性規律研究，考察結構參數、盾尾刷參數、油脂參數等條件對防水密封性能的影響規律，為盾尾密封系統結構優化和施工控制提供支撐（圖1）。

圖1 盾尾密封系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of shield tail sealing system

1 盾尾密封系統室內模型試驗

為分析盾尾密封系統防水失效過程及影響因素，設計了室內模型試驗，重點分析盾尾刷道數對盾尾密封系統防水能力的影響。

1.1 試驗介紹

模型試驗系統如圖2（a）所示，由注脂系統、水壓系統、盾尾模擬裝置組成。盾尾模擬裝置由箱型鋼制底座與鋼制蓋板組成，如圖2（b）所示。采用等盾尾間隙的原則，裝置內部密封槽深度為50 mm，寬度為100 mm，長度為0.83 m，模擬盾尾間隙為50 mm 條件下的盾尾結構。

圖2 盾尾密封系統模型試驗裝置Fig.2 Model test device for shield tail sealing system

試驗流程包括以下幾步：①將多道盾尾刷安裝在盾尾模擬裝置中，使鋼絲刷保持受壓變形狀態；②利用注脂泵在盾尾刷間注入油脂直至充滿整個密封腔體；③通過進水口向密封腔體內加注水壓，模擬外部水壓環境；④通過左側觀察窗口和水壓表，記錄試驗的漏水情況和發生漏水時的水壓，即為該工況下的防水壓力。

1.2 試驗結果

為研究盾尾刷道數對盾尾密封系統防水能力的影響，設計了3 組實驗：盾尾刷道數分別取2 道、3 道、4 道。按照上述試驗流程開展實驗。

圖3 表明，盾尾刷道數越多，防水壓力越高，即防水性能越好。2 道盾尾刷防水壓力為0.42 MPa，3 道盾尾刷防水壓力為0.76 MPa，4 道盾尾刷防水壓力為1.25 MPa，3 道盾尾刷較2 道防水壓力提高81%，4 道盾尾刷較3 道防水壓力提高64%，提升幅度有所下降。而每增加1 道盾尾刷，會增加盾尾結構的長度，應綜合考慮防水要求和盾尾結構長度選取合適的盾尾刷道數。

圖3 不同盾尾刷道數下的防水壓力Fig.3 Waterproof pressure under different brush numbers

2 盾尾密封系統數值模型

在室內模型試驗的基礎上，通過數值模擬方法對盾尾密封系統的內部流動過程做進一步分析。

2.1 基本原理

對于水和油脂的流動問題，可以應用計算流體力學方法進行分析。其基本控制方程為連續性方程（1）和動量方程（2）[19]

式中：p 為流體壓力；t 為時間；ρ 為流體密度；υ 為速度；τ 為剪應力；f 為慣性力。

本問題不涉及能量轉換。水和油脂均為不可壓縮流體，密度恒定，式（1）簡化為

2.2 模型建立

按照盾尾結構和室內模型試驗裝置尺寸，應用CFD 軟件建立對應的數值模型（圖4），數值模型尺寸與室內試驗裝置一致。數值模型由3 道盾尾刷和2道密封油脂腔組成，在模型右側設置水壓入口，模擬地層中的水壓，在模型左側設置壓力出口。除進出口邊界外，其余壁面邊界設置為無滑移邊界。

圖4 數值分析模型(單位：mm)Fig.4 Numerical analysis model（Unit：mm）

盾尾刷由鋼制保護板、壓緊板和其間夾裝的鋼絲束組成，在本模型中，鋼板模擬為不可滲透邊界；鋼絲束露出鋼板部分模擬為多孔介質區域，模擬其對密封油脂和水流動的阻礙作用。室內試驗的結果證實，水是從鋼絲束露出鋼板的部分侵入盾尾密封系統，因而可將鋼板保護部分設置為不可流經區域。

2.3 流體本構方程

為獲得盾尾油脂的流體本構方程，采用毛細管粘度測試方法得到了某品牌盾尾密封油脂的流變特性曲線，在測得的剪切速率范圍內，剪切應力與剪切速率呈線性正相關，且不過坐標原點，擬合得到剪切應力與剪切速率的關系式為（4），符合賓漢塑性流體特性（5）。在模擬計算中，采用此本構參數進行計算。

式中：τ 為剪應力；γ˙為剪切速率。

2.4 網格劃分及離散求解方法

借助前處理軟件對流體域模型進行網格劃分，為提高計算穩定性，使用結構化網格單元，經過網格無關性驗證，劃分為四邊形單元32 897 個，單元節點33 889 個。

3 擊穿過程水力特性規律

根據室內模型試驗結果，3 道盾尾刷工況防水壓力為0.76 MPa，以0.8 MPa 水壓條件為標準算例，分析擊穿過程中水力特性規律。

3.1 體積分數變化

3.2 速度分布規律

將同時刻的速度分布圖與流動狀態圖對應，如圖5 和圖6 所示。通過對比可以發現，流速的發展與水相的體積分數一致，在高水壓的作用下，水的流速遠遠大于油脂流速，在盾尾密封系統內部逐漸形成一條明顯的高速流帶，即水的滲流通道。

圖5 標準算例流動狀態圖Fig.5 Flow condition of standard example

圖6 標準算例速度分布圖Fig.6 Velocity distribution of standard example

圖7 所示是計算域內距底端5 mm 處水平線上各點的速度，可以發現，速度曲線有3 個峰值，對應3 道盾尾刷的位置，說明流體在通過盾尾刷時速度會增大，從流體力學角度分析，這是因為在盾尾刷處流域突然變小，在壓力作用下流體做加速運動[20]。

圖7 計算域內監測點的流速發展Fig.7 Velocity development of monitoring points in computational domain

圖8 為在水侵入過程中出口速度的變化曲線。70 s 之前出口流速較低，在0.01 m/s 到0.03 m/s 之間；70 s 左右水頭擊穿第2 道盾尾刷，出口速度陡升；而當水擊穿第3 道盾尾刷瞬間，出口流速迅速飆升，達到0.15 m/s，這是因為在擊穿前后從出口流出的流體不同。在水擊穿盾尾刷之前，出口流出的是被水壓擠出的油脂，由于盾尾刷對油脂的阻礙作用大，導致流速一直保持在較低水平，而一旦水頭擊穿盾尾刷，盾尾刷對水的阻礙作用很小，在壓力作用下，水流噴出，出口流速迅速上升，盾尾防水失效。

圖8 出口流速Fig.8 Velocity at the outlet

3.3 壓力分布規律

圖9 所示是在水頭侵入過程中第2 道油脂腔內壓力的變化曲線，通過與4 個流動階段的時間進行對比發現，油脂腔內壓力的突變點與水擊穿盾尾刷的時間基本一致。第1 次壓力上升對應水頭擊穿第1 道盾尾刷，第2 次壓力上升對應水頭擊穿第2道盾尾刷，第3 次壓力驟降對應水頭擊穿第3 道盾尾刷，發生防水失效。高壓水的侵入，改變了油脂腔內部的壓力平衡，造成盾尾密封系統的壓力重新分布。在盾構施工時，可以利用油脂腔壓力突變點與水擊穿盾尾刷的時間一致的這種現象，通過監測油脂腔內壓力的變化，來判斷是否有高壓水頭的侵入，以及侵入到何種程度，進而為施工現場盾尾防水安全提供預警。

圖9 壓力變化曲線Fig.9 Variation curve of pressure

圖10 所示是計算域內距底端5 mm 處水平線上各點的壓力，從圖10 中可以發現，壓降主要發生在盾尾刷多孔介質處，在油脂腔內壓力幾乎不變。以10 s 時刻壓力曲線為例，出入口總壓降為0.62 MPa，第1 道盾尾刷壓降為0.21 MPa，占總壓降的32.9%；第2 道盾尾刷處壓降為0.29 MPa，占總壓降的46.4%；而第1 道油脂腔內壓降為0.02 MPa，僅占總壓降的0.4%。在20 s 至80 s 之間，壓力分布發生變化，由于此時水頭已擊穿第1 道盾尾刷，侵入到第1 道油脂腔中，壓降主要集中在第2、3 道盾尾刷處。在80 s 之后，壓力分布再次發生變化，壓降主要集中在第3 道盾尾刷處。

圖10 計算域內監測點的壓力發展Fig.10 Pressure development of monitoring points in computational domain

4 防水能力影響因素分析

選取典型可變因素進行分析，包括盾尾刷間距s、油脂密度ρ、油脂粘度v、盾尾刷滲透率k。采用單因素分析法，計算各因素在下列水平條件下的滲漏情況，分析各因素對盾尾密封系統防水性能的影響程度，如表1 所示。

表1 不同因素計算工況Tab.1 Calculation conditions of different parameters

通常以初始漏水時間來表征盾尾密封系統防水能力[18]，初始漏水時間指水擊穿最后一道盾尾刷發生防水失效的時間。初始漏水時間越早，則水擊穿盾尾密封的速度越快，表明盾尾密封系統的防水能力越低。

4.1 結構參數的影響

盾尾刷間距s 指相鄰兩道盾尾刷螺栓孔安裝位置之間的距離，是盾尾結構主要設計參數之一。圖11 所示為不同盾尾間距條件下的初始漏水時間。在選取的參數范圍內，初始漏水時間隨盾尾刷間距的增大而延遲，呈線性增長關系。s 增大，相當于延長了水的滲流路徑，水頭滲流到最后一道盾尾刷的時間也相應延遲。但盾尾刷間距受盾尾結構長度的限制，可優化的程度有限，同時也會造成油脂用量大幅增加，應謹慎調整。

圖11 結構參數對初始漏水時間的影響Fig.11 Effect of structural parameters on initial leakage time

4.2 油脂參數的影響

油脂粘度v 和密度ρ 是盾尾油脂兩個重要的出廠指標，圖12 給出了初始漏水時間隨油脂粘度和密度的變化情況。結果表明，在相同條件下，油脂粘度越大，初始漏水時間越晚，且基本呈線性關系，這說明粘度越大，油脂的防水性能越好。這是因為，油脂流動需要克服油脂內部剪切作用，v 越大，則需要克服的內部剪切作用越強，越不容易發生水的滲漏。而油脂密度對初始漏水時間影響較小，說明改變油脂密度，對提升油脂的防水能力影響不大。

圖12 油脂參數對初始漏水時間的影響Fig.12 Effect of grease parameters on initial leakage time

4.3 盾尾刷參數的影響

盾尾刷滲透率k 是粘性阻力系數的倒數。在盾構施工過程中，盾構機會產生偏離設計軸件的行為，導致盾尾間隙量在施工過程中不斷發生變化[21]。在不同盾尾間隙下，盾尾刷被不同程度的壓縮，與管片緊貼，形成緊密的貼合力，阻礙流體流動。盾尾刷壓縮程度不同，改變了盾尾刷的滲透率k。從圖13 中可以看出，k 越大，初始漏水時間越早，防水性能越差。隨滲透率的增大，初始漏水時間下降的幅度逐漸平緩，說明通過減小盾尾刷滲透率，可以顯著提升盾尾密封系統防水能力，與室內模型試驗結果一致。

圖13 盾尾刷參數對初始漏水時間的影響Fig.13 Effect of brush parameters on initial leakage time

4.4 敏感性分析

圖14 所示是初始漏水時間對各參數的敏感程度，可以發現，在相同變化幅度下，盾尾刷滲透率k、油脂粘度v 為敏感性因素。k 越小、v 越大，盾尾密封系統的防水性能越好。而油脂密度ρ 為非敏感性因素。可通過提高盾尾刷鋼絲填充率來減小盾尾刷滲透率k，通過優化油脂配方來增大油脂粘度v，從而有效提升盾尾密封系統的防水密封性能。

圖14 各因素對初始漏水時間的敏感程度Fig.14 Sensitivity of various factors to initial leakage time

5 結論

本文以盾尾密封系統的防水密封性能為研究對象，采用室內模型試驗和CFD 數值模擬的方法，對盾尾密封系統防水失效過程的水力特性和防水能力的影響因素進行了研究，得出以下結論。

1）盾尾密封系統防水密封性能室內模型試驗結果表明，增加盾尾刷道數能夠有效提升防水能力。一般工程可采用3 道盾尾刷，特殊工程采用4道以上盾尾刷為宜，可顯著提升防水能力。

2）在防水失效過程中，油脂腔內壓力變化的時刻與水頭擊穿各道盾尾刷的時刻基本一致，可以通過監測油脂腔壓力來判斷是否有高水壓侵入。壓降主要集中在盾尾刷處。

3）在未完全擊穿前，在盾尾刷處出現流速峰值，流速的擴展分布與水侵入的體積分布隨時間的變化過程具有一致性。

4）盾尾刷滲透率k、油脂粘度v 是初始漏水時間指標的敏感性因素，k 越小、v 越大，越有利于防水密封。可通過提高盾尾刷鋼絲填充率來減小盾尾刷滲透率、優化油脂配方來增大油脂粘度，從而提升盾尾密封系統的防水密封性能。