王 德 福

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

近年來，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高及科技水平的進(jìn)步，地鐵與隧道等地下工程建設(shè)進(jìn)入了空前的發(fā)展機(jī)遇期，建設(shè)規(guī)模與速度都已居世界第一。盾構(gòu)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(dòng)化程度、較快的施工速度、較強(qiáng)的安全穩(wěn)定性與較好的環(huán)境保護(hù)性，在地下施工中占據(jù)著舉足輕重的地位。

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化及國(guó)家大通道建設(shè)計(jì)劃的逐步實(shí)施，越江跨海隧道的需求也在日益增加。由于越江海盾構(gòu)隧道復(fù)雜多變的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及盾構(gòu)施工速度、距離與直徑的增加，使得盾構(gòu)機(jī)尾端所承受的水壓大幅提高，盾尾密封失效事故時(shí)有發(fā)生，造成后果程度不一。廣州地鐵軌道隧道在盾尾剛進(jìn)入土體時(shí)出現(xiàn)漏漿涌砂現(xiàn)象，隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)至70環(huán)時(shí)，出現(xiàn)較高噴射距離的細(xì)泥沙漿，密封油脂已無法封堵[1]。廣州市軌道交通三號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)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(jìn)期間多次出現(xiàn)滲漏、竄漿現(xiàn)象[2]。深圳地鐵羅寶線由于始發(fā)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(hào)線由于穿越地層為自穩(wěn)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(xiàn)象的產(chǎn)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(fā)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(guān)，研究盾尾密封是解決上述問題的關(guān)鍵所在。

隨著盾構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)盾尾密封裝置也進(jìn)行了相關(guān)研究工作。王德乾[5，6]針對(duì)盾構(gòu)密封油脂開展大量實(shí)驗(yàn)研究工作，研發(fā)了擁有自主產(chǎn)權(quán)的抗水壓密封性及泵送性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，并提出相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。白傳航[7]對(duì)盾尾密封油脂的泵送性與水密性進(jìn)行分析總結(jié)，并認(rèn)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(biāo)，并對(duì)比分析各組成成分對(duì)于油脂抗?jié)B性、揮發(fā)性與金屬腐蝕性的影響。饒竹紅等[9]對(duì)比分析四種油脂抗水壓密封裝置在出入口邊界設(shè)置、金屬網(wǎng)直徑上的異同點(diǎn)，并利用FLUENT流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)其數(shù)值模擬，得出油脂在實(shí)驗(yàn)裝置中流動(dòng)的一般規(guī)律。吳狄等[10]以北方盾構(gòu)工程冬季施工為論述重點(diǎn)，分析出盾構(gòu)冬季施工的重難點(diǎn)，并針對(duì)冬季施工提出了盾尾油脂使用時(shí)的保溫與加熱技術(shù)以此保證油脂可以正常使用。張國(guó)欣等[11]發(fā)明了一種環(huán)保型盾尾密封油脂，其組成包括增粘劑、防水密封材料、潤(rùn)滑劑、增粘樹脂、有機(jī)溶劑、基礎(chǔ)油和抗氧化劑。朱祖熹[12]分析了國(guó)內(nèi)外幾種盾尾密封油脂的性能特點(diǎn)，并針對(duì)現(xiàn)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(duì)盾尾密封油脂實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新及對(duì)新型盾尾密封油脂的研發(fā)，對(duì)于實(shí)際工程條件下盾尾密封系統(tǒng)數(shù)值模擬研究較少，對(duì)盾尾密封系統(tǒng)的失效機(jī)理及演化特征還缺乏較為系統(tǒng)且深入的研究。

因此，本文擬通過流體動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法，對(duì)盾尾密封油脂抵抗外部高水壓環(huán)境下的流動(dòng)過程進(jìn)行模擬，并分析其變化的規(guī)律及原因，為進(jìn)一步深入研究盾尾密封油脂密封防水性能和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

2 工程概況

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

火炬站—北瀝站區(qū)間沿東西方向敷設(shè)，出火炬站后向西直達(dá)北瀝站。區(qū)間下穿民園路、火炬五路等街路及庫(kù)房、綜合動(dòng)力站、高壓線塔、通信塔等風(fēng)險(xiǎn)源。區(qū)間上行線長(zhǎng)1 043.178 m，下行線長(zhǎng)1 039.523 m，線間距14.00 m～17.00 m。隧頂覆土9.13 m～16.67 m。區(qū)間正線采用盾構(gòu)法施工，管片內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m。

根據(jù)沿線巖土層的成因類型、性質(zhì)、工程特征、風(fēng)化狀態(tài)等，結(jié)合沿線工程地質(zhì)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(qiáng)風(fēng)化帶中的孔隙潛水、強(qiáng)—中風(fēng)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(bǔ)給及城區(qū)下水管的滲漏補(bǔ)給。水位隨氣候變化大，無連續(xù)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(xù)降雨水位可平地面。

3 盾尾密封失效原因

在盾構(gòu)掘進(jìn)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(chǎn)生一定的間隙，盾尾處的盾殼與管片之間需設(shè)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(nèi)部，從而保障盾構(gòu)掘進(jìn)的施工安全性。然而現(xiàn)階段在盾構(gòu)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?dú)w納為以下幾點(diǎn)：

1)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件較差。

隧道穿行區(qū)域主要為松散巖土層，承載能力低。自穩(wěn)能力差，地層透水性強(qiáng)且地下水為承壓水，水源補(bǔ)充較為豐富。盾構(gòu)機(jī)穿越該地段時(shí)易造成水壓失衡從而發(fā)生透水涌砂漏漿的風(fēng)險(xiǎn)較大。

2)盾尾密封間隙不均勻。

由于施工不規(guī)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(yù)設(shè)范圍，盾尾形成一定的滲漏通道引發(fā)涌水涌砂現(xiàn)象的產(chǎn)生。同時(shí)在管片拼裝過程中極易發(fā)生縱向錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，盾尾間隙開口值大于規(guī)定指標(biāo)，盾尾刷難以與管壁形成致密有效的防護(hù)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(xiàn)象的產(chǎn)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(gòu)掘進(jìn)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(huì)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(gòu)機(jī)前進(jìn)速度呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，掘進(jìn)速度過快則油脂補(bǔ)充用量難以滿足油脂消耗用量，如不及時(shí)調(diào)整油脂泵送壓力與注入量，則勢(shì)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(cè)過度擠壓產(chǎn)生塑性變形，造成密封性能的下降；盾構(gòu)掘進(jìn)停止時(shí)土倉(cāng)在泥水作用下極易產(chǎn)生倒退現(xiàn)象，造成尾刷刷毛運(yùn)動(dòng)方向與原始運(yùn)動(dòng)方向相逆，尾刷變形易引發(fā)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(shí)際要求。

4 基于FLUENT盾尾密封油脂流動(dòng)分析

鑒于以上幾種盾尾失效原因，本文采用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件FLUENT對(duì)盾尾密封油脂在盾尾處流動(dòng)過程進(jìn)行二維數(shù)值模擬，以此探究盾尾密封油脂在抵抗外部高水壓環(huán)境時(shí)的流動(dòng)規(guī)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(yīng)用流體體積函數(shù)(VOF)追蹤不相容液—液界面時(shí)空位置，由于盾尾密封刷是由一系列細(xì)長(zhǎng)鋼絲緊密交錯(cuò)排列形成，刷絲之間間隙非常小，可將整個(gè)刷束區(qū)域作為多孔介質(zhì)整體處理，并假定壓力在入口處均勻分布，數(shù)值模型網(wǎng)格如圖3所示。

4.1 幾何模型及邊界設(shè)置

模型流域?qū)挾葹?5 mm，盾尾密封油脂填充長(zhǎng)度基于盾尾刷安裝間距設(shè)置，根據(jù)工程實(shí)際情況，取值范圍可定為400 mm，以此探究在該填充長(zhǎng)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(gòu)殼體與管片的封閉作用，將前述多孔介質(zhì)區(qū)設(shè)置一定的滲透系數(shù)，在外部水壓作用下即可模擬油脂與水兩相體的流動(dòng)規(guī)律與相互作用關(guān)系。

4.2 控制方程

1)油脂與水兩種流體的運(yùn)動(dòng)方程均為：

2)連續(xù)性方程：

連續(xù)方程是流體運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本方程，表征在任一控制體單元內(nèi)滿足質(zhì)量守恒，即對(duì)于不可壓縮的流體，單位時(shí)間流經(jīng)單位體積空間，流出和流入的流體質(zhì)量之差等于0，即流體質(zhì)量守恒。

3)液—液界面VOF控制方程。

VOF法采用體積分?jǐn)?shù)aq，表征第q種物質(zhì)在網(wǎng)格單元中所占體積，若aq=0，表示該單元中不存在此種物質(zhì)，若aq=1，表示該單元體積被此種物質(zhì)所充滿，若0

4.3 計(jì)算參數(shù)選取

在本次數(shù)值模擬計(jì)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(qū)滲透系數(shù)采用1 mm直徑鋼絲網(wǎng)的滲透系數(shù)，其取值大小為1×10-6。殘差取值標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5，選用coupled計(jì)算函數(shù)并設(shè)置其庫(kù)朗數(shù)為200，以此保證數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性與收斂性。

5 結(jié)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(huán)境的高壓水逐漸向內(nèi)部油脂填充區(qū)域移動(dòng)，且移動(dòng)方向主要為下部暴露在油脂區(qū)域的刷束區(qū)域，這主要因?yàn)樯喜繌椥园甯采w區(qū)域?yàn)橥耆芊饨Y(jié)構(gòu)，流體只能向下方具有一定滲透率的尾刷多孔介質(zhì)區(qū)流動(dòng)。油脂在滲透進(jìn)入尾刷區(qū)域后，隨著時(shí)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(dòng)，隨著盾尾泄漏時(shí)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(nèi)，最終造成盾尾密封失效。

數(shù)值計(jì)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(nèi)流體還未發(fā)生運(yùn)動(dòng)，壓力由進(jìn)口處均勻向出口處擴(kuò)散，表現(xiàn)出壓力層層均勻遞減的趨勢(shì)，并在盾尾密封刷處受到阻隔作用產(chǎn)生壓力震蕩現(xiàn)象。其壓力降低的原因可歸咎為由于初始應(yīng)力場(chǎng)所引發(fā)的應(yīng)力場(chǎng)的衰減變化，在密封刷多孔介質(zhì)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(shí)的壓力分布如圖5b)所示，待壓力穩(wěn)定后，上游處流體流動(dòng)區(qū)域壓力基本保持恒定，在邊界處出現(xiàn)小塊高壓區(qū)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(xiàn)塊狀區(qū)域分布。塊狀區(qū)域內(nèi)壓力峰值為0.4 MPa，外部區(qū)域壓力值減小為0 MPa，在尾刷多孔介質(zhì)區(qū)出現(xiàn)一定的壓力下降梯度，壓力由流體區(qū)域上游的高壓力減小至流體區(qū)域下游的低壓力。其壓力減少原因?yàn)榱黧w在流經(jīng)多孔介質(zhì)處，由于通道突然窄縮導(dǎo)致流體加速運(yùn)動(dòng)，而加速運(yùn)動(dòng)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(qū)階段出現(xiàn)較為明顯的多層壓力分界區(qū)，多層壓力分界區(qū)緊密貼合在多孔介質(zhì)區(qū)上并保持較為平整的接觸面。

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

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

高壓水滲漏進(jìn)尾刷時(shí)速率分布圖如圖6b)所示，隨著油脂不斷被外部高壓水?dāng)D出，流域內(nèi)平均流速為0.01 m/s。當(dāng)高壓水侵入尾刷多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)，該處速率影響區(qū)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(nèi)部擴(kuò)張，且該時(shí)刻速率峰值出現(xiàn)在入口上端區(qū)域，其值為0.297 7 m/s。

盾尾完全泄漏時(shí)的速率分布圖如圖6c)所示，當(dāng)高壓水大范圍進(jìn)入到油脂腔體內(nèi)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(jìn)一步向內(nèi)部移動(dòng)。而在油脂腔內(nèi)部，油脂腔中央處速率值為0.41 m/s，緊貼內(nèi)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(jié)語

本文探究了盾尾密封油脂在外部高壓水下的流動(dòng)規(guī)律，依據(jù)南昌軌道交通四號(hào)線相關(guān)工程資料，建立起了盾尾密封數(shù)值計(jì)算模型，并通過壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及體積相分布三種物理量進(jìn)行表征，從計(jì)算結(jié)果可以得出：

1)當(dāng)盾尾開始泄漏時(shí)，高壓水受重力作用向密封間隙中下部移動(dòng)，并通過尾刷下部多孔介質(zhì)區(qū)產(chǎn)生滲漏，待高壓水進(jìn)入油脂腔內(nèi)部后，其分布模式由中央向兩周擴(kuò)散。

2)當(dāng)盾尾發(fā)生泄漏時(shí)，其流動(dòng)流域壓力主要由三部分組成：尾刷右側(cè)上游段、尾刷處、尾刷左側(cè)下游段。尾刷下游處產(chǎn)生較為明顯的塊狀分布區(qū)域，尾刷處產(chǎn)生壓力過渡區(qū)域，其壓力值逐漸減少至尾刷下游處低壓力值。

3)當(dāng)初始加壓時(shí)，流體速率峰值點(diǎn)出現(xiàn)在尾刷下方多孔介質(zhì)處，當(dāng)高壓水侵入尾刷后，速率影響范圍隨著時(shí)間推移不斷加大，速率峰值點(diǎn)轉(zhuǎn)移至入口上方區(qū)域；當(dāng)盾尾發(fā)生完全泄漏時(shí)，速率峰值點(diǎn)轉(zhuǎn)移至尾刷處，且隨著高壓水不斷入侵速率變化范圍向內(nèi)部移動(dòng)。