劉建國(guó)，朱 君，鞠麗艷，吳 迪

（1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海 201103）

目前，地鐵隧道建設(shè)主要采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)法具有施工速度快、對(duì)地面活動(dòng)干擾少等特點(diǎn)。然而在施工過(guò)程中依然會(huì)面臨許多風(fēng)險(xiǎn)因素，其中盾尾密封失效是常見(jiàn)的安全問(wèn)題之一。大部分盾構(gòu)機(jī)采用的盾尾密封系統(tǒng)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(guò)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(duì)漿液和水土起到阻隔作用，保證盾構(gòu)機(jī)整體的平穩(wěn)掘進(jìn)。而當(dāng)外部水壓擊穿盾尾密封層時(shí)，就會(huì)發(fā)生防水失效，其后果是災(zāi)難性的[1-3]。

針對(duì)盾尾密封系統(tǒng)整體性能的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析其在各種工況下的性能。在室內(nèi)模型試驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)進(jìn)行了多次大型模型試驗(yàn)[4-5]，均采用縮比尺等盾尾間隙的設(shè)計(jì)原則，針對(duì)特定工程問(wèn)題開(kāi)展防水性能驗(yàn)證性試驗(yàn)；高振峰[6]，Shen 等[7]在耐水壓檢測(cè)方法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了耐水壓動(dòng)態(tài)檢測(cè)試驗(yàn)裝置；王德乾等[8-10]設(shè)計(jì)了一種抗水壓密封測(cè)試設(shè)備，并在朱煒健等[11]研究中得以介紹和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究思路整體向小型化、單元化模型方向發(fā)展。在數(shù)值模擬方面，由于盾尾刷結(jié)構(gòu)與透平機(jī)械的刷式密封原理類似，可以借鑒刷式密封的相關(guān)理論和分析方法。刷式密封結(jié)構(gòu)一般可簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)，Chang 等[12]，Wei 等[13]，Ali 等[14]對(duì)多孔介質(zhì)模型進(jìn)行了改進(jìn)；一些學(xué)者也嘗試對(duì)盾尾密封系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，饒竹紅等[15]利用CFD 軟件對(duì)比分析了油脂在不同水密性裝置中的流動(dòng)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(tài)下油脂腔壓力分布規(guī)律。上述數(shù)值分析集中于盾尾密封系統(tǒng)壓力特性的研究，沒(méi)有從防水密封角度對(duì)防水失效過(guò)程的水力特性規(guī)律和防水能力的影響因素進(jìn)行詳細(xì)的分析。

以盾尾密封系統(tǒng)為研究對(duì)象，在室內(nèi)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒刷式密封的相關(guān)方法，對(duì)盾尾刷和油脂進(jìn)行合理簡(jiǎn)化?；谟?jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)密封系統(tǒng)防水失效時(shí)水和油脂兩相流體相互作用進(jìn)行分析，開(kāi)展防水失效過(guò)程中水力特性規(guī)律研究，考察結(jié)構(gòu)參數(shù)、盾尾刷參數(shù)、油脂參數(shù)等條件對(duì)防水密封性能的影響規(guī)律，為盾尾密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和施工控制提供支撐（圖1）。

圖1 盾尾密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of shield tail sealing system

1 盾尾密封系統(tǒng)室內(nèi)模型試驗(yàn)

為分析盾尾密封系統(tǒng)防水失效過(guò)程及影響因素，設(shè)計(jì)了室內(nèi)模型試驗(yàn)，重點(diǎn)分析盾尾刷道數(shù)對(duì)盾尾密封系統(tǒng)防水能力的影響。

1.1 試驗(yàn)介紹

模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2（a）所示，由注脂系統(tǒng)、水壓系統(tǒng)、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(nèi)部密封槽深度為50 mm，寬度為100 mm，長(zhǎng)度為0.83 m，模擬盾尾間隙為50 mm 條件下的盾尾結(jié)構(gòu)。

圖2 盾尾密封系統(tǒng)模型試驗(yàn)裝置Fig.2 Model test device for shield tail sealing system

試驗(yàn)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(tài)；②利用注脂泵在盾尾刷間注入油脂直至充滿整個(gè)密封腔體；③通過(guò)進(jìn)水口向密封腔體內(nèi)加注水壓，模擬外部水壓環(huán)境；④通過(guò)左側(cè)觀察窗口和水壓表，記錄試驗(yàn)的漏水情況和發(fā)生漏水時(shí)的水壓，即為該工況下的防水壓力。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

為研究盾尾刷道數(shù)對(duì)盾尾密封系統(tǒng)防水能力的影響，設(shè)計(jì)了3 組實(shí)驗(yàn)：盾尾刷道數(shù)分別取2 道、3 道、4 道。按照上述試驗(yàn)流程開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

圖3 表明，盾尾刷道數(shù)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(huì)增加盾尾結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，應(yīng)綜合考慮防水要求和盾尾結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度選取合適的盾尾刷道數(shù)。

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

2 盾尾密封系統(tǒng)數(shù)值模型

在室內(nèi)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)盾尾密封系統(tǒng)的內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程做進(jìn)一步分析。

2.1 基本原理

對(duì)于水和油脂的流動(dòng)問(wèn)題，可以應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行分析。其基本控制方程為連續(xù)性方程（1）和動(dòng)量方程（2）[19]

式中：p 為流體壓力；t 為時(shí)間；ρ 為流體密度；υ 為速度；τ 為剪應(yīng)力；f 為慣性力。

本問(wèn)題不涉及能量轉(zhuǎn)換。水和油脂均為不可壓縮流體，密度恒定，式（1）簡(jiǎn)化為

2.2 模型建立

按照盾尾結(jié)構(gòu)和室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置尺寸，應(yīng)用CFD 軟件建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值模型（圖4），數(shù)值模型尺寸與室內(nèi)試驗(yàn)裝置一致。數(shù)值模型由3 道盾尾刷和2道密封油脂腔組成，在模型右側(cè)設(shè)置水壓入口，模擬地層中的水壓，在模型左側(cè)設(shè)置壓力出口。除進(jìn)出口邊界外，其余壁面邊界設(shè)置為無(wú)滑移邊界。

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

盾尾刷由鋼制保護(hù)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(zhì)區(qū)域，模擬其對(duì)密封油脂和水流動(dòng)的阻礙作用。室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)，水是從鋼絲束露出鋼板的部分侵入盾尾密封系統(tǒng)，因而可將鋼板保護(hù)部分設(shè)置為不可流經(jīng)區(qū)域。

2.3 流體本構(gòu)方程

為獲得盾尾油脂的流體本構(gòu)方程，采用毛細(xì)管粘度測(cè)試方法得到了某品牌盾尾密封油脂的流變特性曲線，在測(cè)得的剪切速率范圍內(nèi)，剪切應(yīng)力與剪切速率呈線性正相關(guān)，且不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，擬合得到剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系式為（4），符合賓漢塑性流體特性（5）。在模擬計(jì)算中，采用此本構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

式中：τ 為剪應(yīng)力；γ˙為剪切速率。

2.4 網(wǎng)格劃分及離散求解方法

借助前處理軟件對(duì)流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算穩(wěn)定性，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，劃分為四邊形單元32 897 個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)33 889 個(gè)。

3 擊穿過(guò)程水力特性規(guī)律

根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)算例，分析擊穿過(guò)程中水力特性規(guī)律。

3.1 體積分?jǐn)?shù)變化

3.2 速度分布規(guī)律

將同時(shí)刻的速度分布圖與流動(dòng)狀態(tài)圖對(duì)應(yīng)，如圖5 和圖6 所示。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，流速的發(fā)展與水相的體積分?jǐn)?shù)一致，在高水壓的作用下，水的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油脂流速，在盾尾密封系統(tǒng)內(nèi)部逐漸形成一條明顯的高速流帶，即水的滲流通道。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)算例流動(dòng)狀態(tài)圖Fig.5 Flow condition of standard example

圖6 標(biāo)準(zhǔn)算例速度分布圖Fig.6 Velocity distribution of standard example

圖7 所示是計(jì)算域內(nèi)距底端5 mm 處水平線上各點(diǎn)的速度，可以發(fā)現(xiàn)，速度曲線有3 個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)3 道盾尾刷的位置，說(shuō)明流體在通過(guò)盾尾刷時(shí)速度會(huì)增大，從流體力學(xué)角度分析，這是因?yàn)樵诙芪菜⑻幜饔蛲蝗蛔冃。趬毫ψ饔孟铝黧w做加速運(yùn)動(dòng)[20]。

圖7 計(jì)算域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流速發(fā)展Fig.7 Velocity development of monitoring points in computational domain

圖8 為在水侵入過(guò)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(dāng)水擊穿第3 道盾尾刷瞬間，出口流速迅速飆升，達(dá)到0.15 m/s，這是因?yàn)樵趽舸┣昂髲某隹诹鞒龅牧黧w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(duì)油脂的阻礙作用大，導(dǎo)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(duì)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(guī)律

圖9 所示是在水頭侵入過(guò)程中第2 道油脂腔內(nèi)壓力的變化曲線，通過(guò)與4 個(gè)流動(dòng)階段的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，油脂腔內(nèi)壓力的突變點(diǎn)與水擊穿盾尾刷的時(shí)間基本一致。第1 次壓力上升對(duì)應(yīng)水頭擊穿第1 道盾尾刷，第2 次壓力上升對(duì)應(yīng)水頭擊穿第2道盾尾刷，第3 次壓力驟降對(duì)應(yīng)水頭擊穿第3 道盾尾刷，發(fā)生防水失效。高壓水的侵入，改變了油脂腔內(nèi)部的壓力平衡，造成盾尾密封系統(tǒng)的壓力重新分布。在盾構(gòu)施工時(shí)，可以利用油脂腔壓力突變點(diǎn)與水擊穿盾尾刷的時(shí)間一致的這種現(xiàn)象，通過(guò)監(jiān)測(cè)油脂腔內(nèi)壓力的變化，來(lái)判斷是否有高壓水頭的侵入，以及侵入到何種程度，進(jìn)而為施工現(xiàn)場(chǎng)盾尾防水安全提供預(yù)警。

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

圖10 所示是計(jì)算域內(nèi)距底端5 mm 處水平線上各點(diǎn)的壓力，從圖10 中可以發(fā)現(xiàn)，壓降主要發(fā)生在盾尾刷多孔介質(zhì)處，在油脂腔內(nèi)壓力幾乎不變。以10 s 時(shí)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(nèi)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(fā)生變化，由于此時(shí)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(fā)生變化，壓降主要集中在第3 道盾尾刷處。

圖10 計(jì)算域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力發(fā)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(jìn)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(jì)算各因素在下列水平條件下的滲漏情況，分析各因素對(duì)盾尾密封系統(tǒng)防水性能的影響程度，如表1 所示。

表1 不同因素計(jì)算工況Tab.1 Calculation conditions of different parameters

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

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。圖11 所示為不同盾尾間距條件下的初始漏水時(shí)間。在選取的參數(shù)范圍內(nèi)，初始漏水時(shí)間隨盾尾刷間距的增大而延遲，呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。s 增大，相當(dāng)于延長(zhǎng)了水的滲流路徑，水頭滲流到最后一道盾尾刷的時(shí)間也相應(yīng)延遲。但盾尾刷間距受盾尾結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的限制，可優(yōu)化的程度有限，同時(shí)也會(huì)造成油脂用量大幅增加，應(yīng)謹(jǐn)慎調(diào)整。

圖11 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)初始漏水時(shí)間的影響Fig.11 Effect of structural parameters on initial leakage time

4.2 油脂參數(shù)的影響

油脂粘度v 和密度ρ 是盾尾油脂兩個(gè)重要的出廠指標(biāo)，圖12 給出了初始漏水時(shí)間隨油脂粘度和密度的變化情況。結(jié)果表明，在相同條件下，油脂粘度越大，初始漏水時(shí)間越晚，且基本呈線性關(guān)系，這說(shuō)明粘度越大，油脂的防水性能越好。這是因?yàn)?，油脂流?dòng)需要克服油脂內(nèi)部剪切作用，v 越大，則需要克服的內(nèi)部剪切作用越強(qiáng)，越不容易發(fā)生水的滲漏。而油脂密度對(duì)初始漏水時(shí)間影響較小，說(shuō)明改變油脂密度，對(duì)提升油脂的防水能力影響不大。

圖12 油脂參數(shù)對(duì)初始漏水時(shí)間的影響Fig.12 Effect of grease parameters on initial leakage time

4.3 盾尾刷參數(shù)的影響

盾尾刷滲透率k 是粘性阻力系數(shù)的倒數(shù)。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)會(huì)產(chǎn)生偏離設(shè)計(jì)軸件的行為，導(dǎo)致盾尾間隙量在施工過(guò)程中不斷發(fā)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(dòng)。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(shí)間越早，防水性能越差。隨滲透率的增大，初始漏水時(shí)間下降的幅度逐漸平緩，說(shuō)明通過(guò)減小盾尾刷滲透率，可以顯著提升盾尾密封系統(tǒng)防水能力，與室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖13 盾尾刷參數(shù)對(duì)初始漏水時(shí)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(shí)間對(duì)各參數(shù)的敏感程度，可以發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)的防水性能越好。而油脂密度ρ 為非敏感性因素?？赏ㄟ^(guò)提高盾尾刷鋼絲填充率來(lái)減小盾尾刷滲透率k，通過(guò)優(yōu)化油脂配方來(lái)增大油脂粘度v，從而有效提升盾尾密封系統(tǒng)的防水密封性能。

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

5 結(jié)論

本文以盾尾密封系統(tǒng)的防水密封性能為研究對(duì)象，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和CFD 數(shù)值模擬的方法，對(duì)盾尾密封系統(tǒng)防水失效過(guò)程的水力特性和防水能力的影響因素進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論。

1）盾尾密封系統(tǒng)防水密封性能室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明，增加盾尾刷道數(shù)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(guò)程中，油脂腔內(nèi)壓力變化的時(shí)刻與水頭擊穿各道盾尾刷的時(shí)刻基本一致，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)油脂腔壓力來(lái)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(xiàn)流速峰值，流速的擴(kuò)展分布與水侵入的體積分布隨時(shí)間的變化過(guò)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(shí)間指標(biāo)的敏感性因素，k 越小、v 越大，越有利于防水密封。可通過(guò)提高盾尾刷鋼絲填充率來(lái)減小盾尾刷滲透率、優(yōu)化油脂配方來(lái)增大油脂粘度，從而提升盾尾密封系統(tǒng)的防水密封性能。