趙 威，劉子康，孫開欣，孫 偉，郭正剛，王林濤

(大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116000)

0 引言

盾構施工技術(即掘進機隧道施工技術)以其安全、高效的優(yōu)勢，被越來越廣泛的運用到了相關工程項目上[1]。盾尾密封系統(tǒng)作為確保盾構施工安全平穩(wěn)進行的重要保護系統(tǒng)，在確保工程安全推進中起到至關重要的作用。

圖1 盾尾密封結構原理簡圖

現(xiàn)代的盾尾密封結構一般采用多道彈簧鋼片與鋼絲刷充填盾尾密封油脂的刷式密封結構[2]，結構簡圖如圖1所示。盾尾刷通過焊接或者螺釘連接到盾構機殼體后部，接著工人手動將盾尾密封油脂均勻涂抹在刷絲之間。盾構機正式工作時，盾構機通過分級流量控制閥將盾尾密封油脂注入到盾尾刷組成的空腔之中，完成對盾構機尾部的密封。一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就有可能造成重大安全事故的發(fā)生。

導致盾尾密封結構失效的原因有很多，常見的有盾尾密封油脂質量不佳、施工操作不當?shù)取Ｅ藝鴳c[3]發(fā)現(xiàn)當盾構機施工時，施工軸線曲率變化過大會導致盾尾密封結構出現(xiàn)失效風險。秦蘇娟[4]發(fā)現(xiàn)當水泥漿注漿壓力超出油脂腔壓力時會導致盾尾密封結構出現(xiàn)擊穿風險。張廣鵬[5]提出管片拼裝不合格會導致盾尾密封結構出現(xiàn)泥漿滲漏通道造成水泥漿液侵入，導致盾尾密封結構失效。工程中只有通過合適的油脂腔壓力控制才能在盾尾刷與拼裝管片間形成穩(wěn)定的盾尾密封油膜，從而在盾構機工作過程中實現(xiàn)密封與潤滑的雙重作用，保證盾尾密封的結構不會因為長時間的工程磨損而被破壞。

1 盾尾密封結構簡析

盾構機在地下掘進時會因為地質環(huán)境的不同而調整盾構機推進結構的參數(shù)輸出狀態(tài)以保證盾構機在正常掘進工作中的受力平衡。這個調節(jié)過程往往會涉及到盾構機殼體的姿態(tài)變化，這樣的調節(jié)過程將不可避免的改變盾構機尾部與拼裝管片間的間隙[6]。因此，現(xiàn)代盾構機尾部大多采用刷式密封結構完成整機密封[7]。

刷式盾尾密封系統(tǒng)結構主要由盾尾刷、管片、盾尾密封油脂以及相關泵送系統(tǒng)組成。盾構機始發(fā)時，盾尾刷在彈簧板作用下被固定于盾構機殼體尾部，與拼裝管片間形成空腔。盾構機開始掘進時，盾尾密封油脂被泵送系統(tǒng)送入空腔至填滿空腔形成油脂腔。在盾構機向前推進過程中，為了保持盾尾密封系統(tǒng)的密封效果以及保護盾尾刷，盾尾密封油脂會被不斷消耗而在盾尾密封刷與拼裝管片間形成一層潤滑油膜。盾尾密封油膜的產生與盾構機油脂泵送系統(tǒng)的壓力存在緊密聯(lián)系，若泵送系統(tǒng)輸出壓力過小，油脂腔內部壓力將遠小于外界泥漿壓力，盾尾密封刷在內外壓差作用下會被緊緊壓迫在拼裝管片表面，盾尾刷產生劇烈磨損，破壞盾尾密封結構完整性。若油脂腔內部壓力過大，則會導致盾尾刷出現(xiàn)大變形狀態(tài)，盾尾密封油脂會快速通過盾尾刷與管片間的環(huán)形間隙，導致油脂大量浪費，造成經濟損失。

2 盾尾密封結構模型分析

2.1 流體仿真分析原理

流場問題仿真分析研究基礎是流體力學中最為經典的三大守恒方程：質量守恒、動量守恒、能量守恒[8]。盾尾密封油脂在流體腔內流動時也滿足這三項基本方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，式(1)是質量守恒方程，式(2)至式(4)是動量守恒方程，式(5)是能量守恒方程。P表示作用在體積單元上的壓力，τxx、τxy、τxz等表示應力分量，F(xiàn)x、Fy、Fz表達體積單元上所受的外力。

2.2 邊界層網格計算

劃分邊界層網格是確保流固耦合運算精度的重要保證，運用Fluent進行邊界層網格劃分時有幾個重要參數(shù)，分別為：First Layer Thickness(第一層網格厚度)、Growth Rate(比率)、Maximum Layers(最大層數(shù))。

三個參數(shù)中最重要的是第一層網格厚度。該數(shù)值可以通過式(6)計算獲得：

(6)

式中，L是邊界層長度，y+是一個無量綱數(shù)，其具體定義為：

(7)

其中：u*為近壁面摩擦速度，y*為第一層網格節(jié)點與壁面的期望值，v為流體運動黏度。劃分邊界層網格可以精準表現(xiàn)出流體在流經固體壁面時在近壁面區(qū)域形成較大的速度梯度變化的過程狀態(tài)，獲得更為貼合工程實際的流固耦合計算結果。

2.3 盾尾密封結構CFD模型建立

盾尾密封結構中最外側油脂腔是最容易被泥漿侵入的部位，工程實踐證明，當最外側油脂腔出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時，盾尾密封的效果將出現(xiàn)較大幅度下滑。針對這部分結構，本文建立了如圖2所示的盾尾密封結構全尺度模型，為了細化流固耦合時網格尺寸，對全尺寸模型進行簡化，獲得如圖3所示的部分截面模型。

圖2 全尺度盾尾密封結構模型

圖3 部分截面流體腔三維模型

2.4 網格劃分

由于盾尾密封結構存在較多交界面、斜面等不規(guī)則面[9]，同時考慮到后續(xù)流固耦合仿真中的負網格重構問題，以及Fluent求解器僅支持非結構網格，所以對整體三維模型采用四面體網格進行模型劃分，針對流體區(qū)域與固體區(qū)域的交界面采用鋪設邊界網格的方式進行過渡，由于盾尾刷與管片間縫隙較小，為了保證流體區(qū)域計算的收斂性，采用小網格尺寸進行劃分，最終得到如圖4所示的網格模型。

圖4 部分截面網格劃分結果

2.5 邊界條件設置

流固耦合計算需要流體和固體具體的材料參數(shù)屬性，盾尾密封油脂的具體材料參數(shù)可以通過設計相關流變實驗，通過數(shù)值擬合本構模型的方法獲取。本文通過圖5所示的流變儀測量了盾尾密封油脂的相關特性。實驗表明，盾尾密封油脂是一種典型的高粘度非牛頓流體。計算流場雷諾數(shù)，將流場區(qū)域設置為層流求解，油脂材料按照非牛頓流體材料進行具體設置。

盾尾刷材料參數(shù)通過如圖6所示的盾尾刷按壓實驗獲取具體參數(shù)，通過計算實驗獲得的材料曲線圖可以對固體部分材料參數(shù)進行具體設定。

圖5 AR2000EX電流變儀 圖6 尾刷擠壓實驗圖

綜合實驗結果，針對本文算例作邊界條件設置如表1。

表1 邊界條件設置

3 流固耦合計算結果

3.1 流固耦合壓力分布云圖結果分析

為研究不同壓差狀態(tài)下，盾尾密封油膜厚度及壓力分布狀態(tài)，選定出口壓力為1 bar，通過UDF功能將入口壓力設置為不同壓力值，計算不同壓差條件下盾尾密封油膜厚度及壓力分布狀態(tài)如圖7。

圖7 不同壓差下油膜壓力分布云圖

由圖7可知，當兩側壓差出現(xiàn)變化時，盾尾密封刷也會隨著產生變形，刷面與拼裝管片間會不可避免產生分離，細縫的寬度也在不斷變大，油膜壓力承載能力會隨著油膜厚度的變化產生變化。仿真分析中油膜可以產生的最小壓差條件為油脂腔內部壓力比外界泥漿壓力大0.5 bar，當壓差值小于該值時，盾尾刷緊貼管片表面無法形成穩(wěn)定的密封潤滑油膜。

3.2 流固耦合速度分布云圖結果分析

油脂腔內壓力大于外界泥漿壓力，達到0.5 bar時油膜可以順利形成。當該壓差值進一步擴大時，油脂流動速度將進一步增大。該速度值大于盾構機運行速度時，從客觀角度而言，油脂便產生了浪費現(xiàn)象。設定不同壓差值，通過流固耦合計算油脂流動的速度云圖，結果如圖8所示。

圖8 不同壓差下盾尾密封油脂速度分布云圖

圖8中顯示，當盾尾密封系統(tǒng)中壓差達到9 bar時，盾尾密封油脂的移動速度絕大多數(shù)集中在1.5 mm/s的速度區(qū)間。因此盾尾密封結構中壓差需要進一步控制在9 bar以內，避免造成不必要的油脂浪費。

4 結論

本文主要通過流固耦合方法計算了盾尾密封結構不同壓差作用下油膜的形成狀態(tài)與流動速度狀態(tài)，結合相關工程數(shù)值得出如下結論：

1)在油脂腔壓力比泥漿腔壓力高0.5 bar時，才可以形成穩(wěn)定的盾尾密封油膜，保證盾尾密封效果。

2)為了避免昂貴的盾尾密封油脂被無故浪費，油脂腔與泥漿腔間壓力需要控制在9 bar以內。

3)本文針對盾尾密封結構提出了基于壓力的壓差控制方案，為將來盾尾密封安全性能研究提供數(shù)值基礎。