盾尾密封系统防水失效特性试验与模拟分析

刘建国，朱 君，鞠丽艳，吴 迪

（1.同济大学交通运输工程学院，上海 201804；2.同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室，上海 201804；3.上海申通地铁集团有限公司技术中心，上海 201103）

目前，地铁隧道建设主要采用盾构法施工，盾构法具有施工速度快、对地面活动干扰少等特点。然而在施工过程中依然会面临许多风险因素，其中盾尾密封失效是常见的安全问题之一。大部分盾构机采用的盾尾密封系统是由密封油脂和盾尾刷组成，如图1 所示。将多道盾尾刷通过焊接或螺栓固定在盾尾壳体上，并在盾尾刷之间充填盾尾密封油脂，形成有效密封层，从而对浆液和水土起到阻隔作用，保证盾构机整体的平稳掘进。而当外部水压击穿盾尾密封层时，就会发生防水失效，其后果是灾难性的[1-3]。

针对盾尾密封系统整体性能的研究，国内外学者主要采用室内模型试验和数值模拟的方法，分析其在各种工况下的性能。在室内模型试验方面，国内进行了多次大型模型试验[4-5]，均采用缩比尺等盾尾间隙的设计原则，针对特定工程问题开展防水性能验证性试验；高振峰[6]，Shen 等[7]在耐水压检测方法基础上，设计了耐水压动态检测试验装置；王德乾等[8-10]设计了一种抗水压密封测试设备，并在朱炜健等[11]研究中得以介绍和应用。国内外试验研究思路整体向小型化、单元化模型方向发展。在数值模拟方面，由于盾尾刷结构与透平机械的刷式密封原理类似，可以借鉴刷式密封的相关理论和分析方法。刷式密封结构一般可简化为多孔介质，Chang 等[12]，Wei 等[13]，Ali 等[14]对多孔介质模型进行了改进；一些学者也尝试对盾尾密封系统进行模拟分析，饶竹红等[15]利用CFD 软件对比分析了油脂在不同水密性装置中的流动情况；王林涛等[16]，钭婧[17]，李光等[18]分别建立了仿真模型，分析了正常与泄漏状态下油脂腔压力分布规律。上述数值分析集中于盾尾密封系统压力特性的研究，没有从防水密封角度对防水失效过程的水力特性规律和防水能力的影响因素进行详细的分析。

以盾尾密封系统为研究对象，在室内模型试验的基础上，借鉴刷式密封的相关方法，对盾尾刷和油脂进行合理简化。基于计算流体力学软件对密封系统防水失效时水和油脂两相流体相互作用进行分析，开展防水失效过程中水力特性规律研究，考察结构参数、盾尾刷参数、油脂参数等条件对防水密封性能的影响规律，为盾尾密封系统结构优化和施工控制提供支撑（图1）。

图1 盾尾密封系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of shield tail sealing system

1 盾尾密封系统室内模型试验

为分析盾尾密封系统防水失效过程及影响因素，设计了室内模型试验，重点分析盾尾刷道数对盾尾密封系统防水能力的影响。

1.1 试验介绍

模型试验系统如图2（a）所示，由注脂系统、水压系统、盾尾模拟装置组成。盾尾模拟装置由箱型钢制底座与钢制盖板组成，如图2（b）所示。采用等盾尾间隙的原则，装置内部密封槽深度为50 mm，宽度为100 mm，长度为0.83 m，模拟盾尾间隙为50 mm 条件下的盾尾结构。

图2 盾尾密封系统模型试验装置Fig.2 Model test device for shield tail sealing system

试验流程包括以下几步：①将多道盾尾刷安装在盾尾模拟装置中，使钢丝刷保持受压变形状态；②利用注脂泵在盾尾刷间注入油脂直至充满整个密封腔体；③通过进水口向密封腔体内加注水压，模拟外部水压环境；④通过左侧观察窗口和水压表，记录试验的漏水情况和发生漏水时的水压，即为该工况下的防水压力。

1.2 试验结果

为研究盾尾刷道数对盾尾密封系统防水能力的影响，设计了3 组实验：盾尾刷道数分别取2 道、3 道、4 道。按照上述试验流程开展实验。

图3 表明，盾尾刷道数越多，防水压力越高，即防水性能越好。2 道盾尾刷防水压力为0.42 MPa，3 道盾尾刷防水压力为0.76 MPa，4 道盾尾刷防水压力为1.25 MPa，3 道盾尾刷较2 道防水压力提高81%，4 道盾尾刷较3 道防水压力提高64%，提升幅度有所下降。而每增加1 道盾尾刷，会增加盾尾结构的长度，应综合考虑防水要求和盾尾结构长度选取合适的盾尾刷道数。

图3 不同盾尾刷道数下的防水压力Fig.3 Waterproof pressure under different brush numbers

2 盾尾密封系统数值模型

在室内模型试验的基础上，通过数值模拟方法对盾尾密封系统的内部流动过程做进一步分析。

2.1 基本原理

对于水和油脂的流动问题，可以应用计算流体力学方法进行分析。其基本控制方程为连续性方程（1）和动量方程（2）[19]

式中：p 为流体压力；t 为时间；ρ 为流体密度；υ 为速度；τ 为剪应力；f 为惯性力。

本问题不涉及能量转换。水和油脂均为不可压缩流体，密度恒定，式（1）简化为

2.2 模型建立

按照盾尾结构和室内模型试验装置尺寸，应用CFD 软件建立对应的数值模型（图4），数值模型尺寸与室内试验装置一致。数值模型由3 道盾尾刷和2道密封油脂腔组成，在模型右侧设置水压入口，模拟地层中的水压，在模型左侧设置压力出口。除进出口边界外，其余壁面边界设置为无滑移边界。

图4 数值分析模型(单位：mm)Fig.4 Numerical analysis model（Unit：mm）

盾尾刷由钢制保护板、压紧板和其间夹装的钢丝束组成，在本模型中，钢板模拟为不可渗透边界；钢丝束露出钢板部分模拟为多孔介质区域，模拟其对密封油脂和水流动的阻碍作用。室内试验的结果证实，水是从钢丝束露出钢板的部分侵入盾尾密封系统，因而可将钢板保护部分设置为不可流经区域。

2.3 流体本构方程

为获得盾尾油脂的流体本构方程，采用毛细管粘度测试方法得到了某品牌盾尾密封油脂的流变特性曲线，在测得的剪切速率范围内，剪切应力与剪切速率呈线性正相关，且不过坐标原点，拟合得到剪切应力与剪切速率的关系式为（4），符合宾汉塑性流体特性（5）。在模拟计算中，采用此本构参数进行计算。

式中：τ 为剪应力；γ˙为剪切速率。

2.4 网格划分及离散求解方法

借助前处理软件对流体域模型进行网格划分，为提高计算稳定性，使用结构化网格单元，经过网格无关性验证，划分为四边形单元32 897 个，单元节点33 889 个。

3 击穿过程水力特性规律

根据室内模型试验结果，3 道盾尾刷工况防水压力为0.76 MPa，以0.8 MPa 水压条件为标准算例，分析击穿过程中水力特性规律。

3.1 体积分数变化

3.2 速度分布规律

将同时刻的速度分布图与流动状态图对应，如图5 和图6 所示。通过对比可以发现，流速的发展与水相的体积分数一致，在高水压的作用下，水的流速远远大于油脂流速，在盾尾密封系统内部逐渐形成一条明显的高速流带，即水的渗流通道。

图5 标准算例流动状态图Fig.5 Flow condition of standard example

图6 标准算例速度分布图Fig.6 Velocity distribution of standard example

图7 所示是计算域内距底端5 mm 处水平线上各点的速度，可以发现，速度曲线有3 个峰值，对应3 道盾尾刷的位置，说明流体在通过盾尾刷时速度会增大，从流体力学角度分析，这是因为在盾尾刷处流域突然变小，在压力作用下流体做加速运动[20]。

图7 计算域内监测点的流速发展Fig.7 Velocity development of monitoring points in computational domain

图8 为在水侵入过程中出口速度的变化曲线。70 s 之前出口流速较低，在0.01 m/s 到0.03 m/s 之间；70 s 左右水头击穿第2 道盾尾刷，出口速度陡升；而当水击穿第3 道盾尾刷瞬间，出口流速迅速飙升，达到0.15 m/s，这是因为在击穿前后从出口流出的流体不同。在水击穿盾尾刷之前，出口流出的是被水压挤出的油脂，由于盾尾刷对油脂的阻碍作用大，导致流速一直保持在较低水平，而一旦水头击穿盾尾刷，盾尾刷对水的阻碍作用很小，在压力作用下，水流喷出，出口流速迅速上升，盾尾防水失效。

图8 出口流速Fig.8 Velocity at the outlet

3.3 压力分布规律

图9 所示是在水头侵入过程中第2 道油脂腔内压力的变化曲线，通过与4 个流动阶段的时间进行对比发现，油脂腔内压力的突变点与水击穿盾尾刷的时间基本一致。第1 次压力上升对应水头击穿第1 道盾尾刷，第2 次压力上升对应水头击穿第2道盾尾刷，第3 次压力骤降对应水头击穿第3 道盾尾刷，发生防水失效。高压水的侵入，改变了油脂腔内部的压力平衡，造成盾尾密封系统的压力重新分布。在盾构施工时，可以利用油脂腔压力突变点与水击穿盾尾刷的时间一致的这种现象，通过监测油脂腔内压力的变化，来判断是否有高压水头的侵入，以及侵入到何种程度，进而为施工现场盾尾防水安全提供预警。

图9 压力变化曲线Fig.9 Variation curve of pressure

图10 所示是计算域内距底端5 mm 处水平线上各点的压力，从图10 中可以发现，压降主要发生在盾尾刷多孔介质处，在油脂腔内压力几乎不变。以10 s 时刻压力曲线为例，出入口总压降为0.62 MPa，第1 道盾尾刷压降为0.21 MPa，占总压降的32.9%；第2 道盾尾刷处压降为0.29 MPa，占总压降的46.4%；而第1 道油脂腔内压降为0.02 MPa，仅占总压降的0.4%。在20 s 至80 s 之间，压力分布发生变化，由于此时水头已击穿第1 道盾尾刷，侵入到第1 道油脂腔中，压降主要集中在第2、3 道盾尾刷处。在80 s 之后，压力分布再次发生变化，压降主要集中在第3 道盾尾刷处。

图10 计算域内监测点的压力发展Fig.10 Pressure development of monitoring points in computational domain

4 防水能力影响因素分析

选取典型可变因素进行分析，包括盾尾刷间距s、油脂密度ρ、油脂粘度v、盾尾刷渗透率k。采用单因素分析法，计算各因素在下列水平条件下的渗漏情况，分析各因素对盾尾密封系统防水性能的影响程度，如表1 所示。

表1 不同因素计算工况Tab.1 Calculation conditions of different parameters

通常以初始漏水时间来表征盾尾密封系统防水能力[18]，初始漏水时间指水击穿最后一道盾尾刷发生防水失效的时间。初始漏水时间越早，则水击穿盾尾密封的速度越快，表明盾尾密封系统的防水能力越低。

4.1 结构参数的影响

盾尾刷间距s 指相邻两道盾尾刷螺栓孔安装位置之间的距离，是盾尾结构主要设计参数之一。图11 所示为不同盾尾间距条件下的初始漏水时间。在选取的参数范围内，初始漏水时间随盾尾刷间距的增大而延迟，呈线性增长关系。s 增大，相当于延长了水的渗流路径，水头渗流到最后一道盾尾刷的时间也相应延迟。但盾尾刷间距受盾尾结构长度的限制，可优化的程度有限，同时也会造成油脂用量大幅增加，应谨慎调整。

图11 结构参数对初始漏水时间的影响Fig.11 Effect of structural parameters on initial leakage time

4.2 油脂参数的影响

油脂粘度v 和密度ρ 是盾尾油脂两个重要的出厂指标，图12 给出了初始漏水时间随油脂粘度和密度的变化情况。结果表明，在相同条件下，油脂粘度越大，初始漏水时间越晚，且基本呈线性关系，这说明粘度越大，油脂的防水性能越好。这是因为，油脂流动需要克服油脂内部剪切作用，v 越大，则需要克服的内部剪切作用越强，越不容易发生水的渗漏。而油脂密度对初始漏水时间影响较小，说明改变油脂密度，对提升油脂的防水能力影响不大。

图12 油脂参数对初始漏水时间的影响Fig.12 Effect of grease parameters on initial leakage time

4.3 盾尾刷参数的影响

盾尾刷渗透率k 是粘性阻力系数的倒数。在盾构施工过程中，盾构机会产生偏离设计轴件的行为，导致盾尾间隙量在施工过程中不断发生变化[21]。在不同盾尾间隙下，盾尾刷被不同程度的压缩，与管片紧贴，形成紧密的贴合力，阻碍流体流动。盾尾刷压缩程度不同，改变了盾尾刷的渗透率k。从图13 中可以看出，k 越大，初始漏水时间越早，防水性能越差。随渗透率的增大，初始漏水时间下降的幅度逐渐平缓，说明通过减小盾尾刷渗透率，可以显著提升盾尾密封系统防水能力，与室内模型试验结果一致。

图13 盾尾刷参数对初始漏水时间的影响Fig.13 Effect of brush parameters on initial leakage time

4.4 敏感性分析

图14 所示是初始漏水时间对各参数的敏感程度，可以发现，在相同变化幅度下，盾尾刷渗透率k、油脂粘度v 为敏感性因素。k 越小、v 越大，盾尾密封系统的防水性能越好。而油脂密度ρ 为非敏感性因素。可通过提高盾尾刷钢丝填充率来减小盾尾刷渗透率k，通过优化油脂配方来增大油脂粘度v，从而有效提升盾尾密封系统的防水密封性能。

图14 各因素对初始漏水时间的敏感程度Fig.14 Sensitivity of various factors to initial leakage time

5 结论

本文以盾尾密封系统的防水密封性能为研究对象，采用室内模型试验和CFD 数值模拟的方法，对盾尾密封系统防水失效过程的水力特性和防水能力的影响因素进行了研究，得出以下结论。

1）盾尾密封系统防水密封性能室内模型试验结果表明，增加盾尾刷道数能够有效提升防水能力。一般工程可采用3 道盾尾刷，特殊工程采用4道以上盾尾刷为宜，可显著提升防水能力。

2）在防水失效过程中，油脂腔内压力变化的时刻与水头击穿各道盾尾刷的时刻基本一致，可以通过监测油脂腔压力来判断是否有高水压侵入。压降主要集中在盾尾刷处。

3）在未完全击穿前，在盾尾刷处出现流速峰值，流速的扩展分布与水侵入的体积分布随时间的变化过程具有一致性。

4）盾尾刷渗透率k、油脂粘度v 是初始漏水时间指标的敏感性因素，k 越小、v 越大，越有利于防水密封。可通过提高盾尾刷钢丝填充率来减小盾尾刷渗透率、优化油脂配方来增大油脂粘度，从而提升盾尾密封系统的防水密封性能。