泥水盾构水平直管输碴特性研究

徐 朝 辉

(兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

随着我国城市地下空间工程和跨江越海隧道工程的不断增长，泥水盾构施工技术得到越来越广泛地应用[1-3]。在卵石地层掘进过程中，盾构环流系统排浆系统中的石碴含量会大大增加，对环流系统输送能力提出了较高的要求。因此掌握泥水盾构泥浆管道内石碴输送规律，是保证泥水盾构高效、安全施工的关键。

目前国内外学者针对管路输送系统开展了大量相关研究。在实验方面，F.Ravelet等[4]通过实验得到管道中颗粒尺寸与密度对颗粒形成固定床或分散流具有重大影响；王少勇等[5]通过管道循环系统，研究不同参数对管道压力损失的影响；Edelin等[6]从输送能量的角度，研究了聚丙烯颗粒在清水中输送的最佳浓度；周知进等[7]研究颗粒组分特性与输送速度之间关系，得到颗粒级配对输送速度的影响规律；曹斌等[8]通过高速摄影技术研究不同输入参数下粗颗粒的水力学特性。在数值模拟方面，吴迪等[9]和Gopaliya等[10]利用两相流理论构建了铁矿填充料浆和沙浆的流动模型；陶贺等[11]采用多元颗粒模型研究了颗粒物性对流型、空隙率分布以及颗粒分离的影响；Jiang等[12]采用双流体模型研究流速和固体体积分数对浆液流动特性的影响；Tian等[13]建立冰浆流动模型，分析了流动参数对运输安全性的影响，确定理想冰粒直径。

以上研究的流体介质多为清水，其流变特性与泥水盾构所用泥浆有较大区别，且固体颗粒多为小粒径细沙，因而所得研究成果难以适用于泥水盾构泥浆管道的石碴输送。本文基于固—液两相流理论，考虑泥浆流变特性，建立排浆系统中水平管段石碴运动模型，研究入口流速、颗粒浓度、浆液密度、石碴密度对石碴运动速度和排碴量的影响规律。

2 水平排浆管道内泥浆和石碴运动模型

2.1 泥浆流动模型

泥浆在管道中的流动遵循质量守恒定律和动量守恒定律，因不考虑泥浆和石碴之间的热传递与相变，故不考虑能量守恒方程，其连续性方程和动量方程如式(1)，式(2)所示：

(1)

(2)

其中，ρ为液体密度；t为时间；u为液体流速；g为重力加速度；ρf为颗粒体积力；▽p为压力梯度力；▽τ为浆液粘性力。

泥浆在输送管道内的流动为湍流运动，标准k—ε模型尤其适合工程湍流运动流场的计算，具有适用范围广，经济、合理的精度，其控制方程如式(3)，式(4)所示：

(3)

(4)

其中,k，ε分别为湍流动能和湍流耗散率；Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生；μt=ρCμk2/ε为湍流动力粘性系数，模型常数C1ε，C2ε，σk，σε，Cμ的取值分别为：C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3，Cμ=0.09。

2.2 石碴运动模型

石碴在输送管道中运动主要受到其他石碴、泥浆以及管道壁面的作用力。石碴与泥浆的作用力主要由浮力、绕流阻力和压力梯度力组成，则运动方程如式(5)所示：

(5)

其中，mi，Up,i分别为石碴i的质量、速度；Fc,ij为石碴i与石碴j之间的接触力；Ff,i为石碴i与泥浆之间的作用力；Fb为浮力；FD为绕流阻力；FP为压力梯度力。

2.3 几何模型和边界条件设置

以兰州某穿黄隧道工程为研究背景，将石碴简化为粒径为20 mm的球形颗粒，石碴的密度为2 700 kg/m3，泥浆的密度为1 200 kg/m3。构建的管道模型如图1所示，水平直管长度为5 m，直径为450 mm，边界采用速度进口，压力出口，无滑移壁面，湍流模型选用Standardk—ε；采用Phase Coupled SIMPLE算法求解速度、压力耦合方程。

3 泥水盾构水平直管输送规律

3.1 入口流速对排碴量的影响

为得到不同浆液流速Vi对水平直管输碴特性的影响规律，取石碴粒径ds=20 mm，泥浆浆液密度ρ=1 200 kg/m3，石碴密度ρ1=2 785 kg/m3，石碴体积浓度Cv=2%。分别取入口浆液流速Vi=2.5 m/s，3.0 m/s，3.5 m/s，4.0 m/s，得到石碴群平均运动速度如图2所示。

3.2 石碴体积浓度对排碴量的影响

为研究石碴体积浓度Cv对水平直管输碴特性的影响，设入口流速Vi=3.5 m/s，分别取石碴体积浓度Cv=2%，3%，4%，5%，其余条件与不同入口流速条件下一致，得到不同石碴体积浓度下石碴群平均运动速度变化曲线如图4所示。

3.3 浆液密度对排碴量的影响

为研究浆液密度ρ对水平直管输碴特性的影响，控制入口流速Vi=3.5 m/s，分别取管道浆液密度ρ=1 000 kg/m3，1 100 kg/m3，1 200 kg/m3，1 300 kg/m3，得到不同浆液密度下石碴群平均运动速度变化曲线如图6所示。

3.4 石碴密度对排碴量的影响

为研究石碴密度ρ1对水平直管输碴特性的影响，控制入口流速Vi=3.5 m/s，分别取石碴密度ρ1=2 500 kg/m3，2 785 kg/m3，3 100 kg/m3，3 400 kg/m3，得到不同石碴密度下石碴群平均运动速度变化曲线如图8所示。

4 结语

现基于固—液两相流理论，考虑泥浆的流变特性，建立盾构环流系统排浆管水平管段石碴运动模型，研究入口流速、石碴体积浓度、浆液密度、石碴密度对石碴运动速度和排碴量的影响规律，得到的结论如下：

2)排碴量随着入口流速Vi、颗粒浓度Cv、浆液密度ρ、颗粒比重ρ1的增加几乎呈线性增长趋势。对比上述因素对排碴量的影响大小，得到Cv>Vi>ρ1>ρ。石碴体积浓度Cv对排碴量的影响最大，入口排碴浓度的增大，单位时间排碴量在26 kg/s～69 kg/s，不同石碴体积浓度下排碴量的最大增幅为55.53%；浆液密度ρ对排碴量的影响最小，不同浆液密度ρ下排碴量的最大增幅仅为1.23%。