静水射流盾构中泥浆供给系统流动特性的数值研究

《Fluids》：Numerical Study on Flow Characteristics of the Slurry-Feeding System in a Hydrojet Shield Hao Jia, Hao Feng, Yapeng Wang, Jiuchun Sun, Xiaopeng Sun, Yunlong Sang and Haitao Wang

　　

静水射流盾构机作为一种快速发展的盾构机类型，利用泥浆通过管道系统实现开挖与渣土排运。该管路系统包括一套冲刷式供浆系统，用于向易发生堵塞的区域注入泥浆。该研究采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法，对大型液压盾构机的流动特性进行了分析，并提出颗粒提升系数（Particle Lifting Coefficient, L）与区域改善率（Regional Improvement Ratio, I）作为创新性评价指标，用以评估流量分配及刀盘转速的作用效果。通过将腔室下部冲刷流量占比分别调节为30%、50%和100%，获得了三种流量分配策略，分别记为FC1、FC2和FC3，以适应常规泥浆输运工况、应对刀盘泥饼聚积以及处理腔室底部岩土颗粒沉积等情况。其中，FC3策略增强了下部冲刷区域对称射流的流量，强化了裹挟周围流体的上升流，从而显著提高目标区域中的L值和I值，显示出抑制岩土碎屑沉降与堆积的良好潜力。该研究还强调，应将泥浆射流分配策略与刀盘泥饼聚积及腔室沉积的实时监测相结合，并根据地质条件调节刀盘转速。

该文发表于《Fluids》，围绕静水射流盾构机（hydrojet-shield）泥浆供给系统的内部流动特性展开系统研究，核心目标是解释和优化盾构掘进过程中泥浆输运不足所引发的刀盘堵塞、腔室底部沉积以及能量损失问题。盾构法广泛应用于地铁、铁路下穿和城市公路隧道施工，而泥水支护式静水盾构依靠加压膨润土泥浆在开挖面形成支护，同时承担渣土输送功能。实际工程中，若泥浆在刀盘区、开挖舱和压力舱中的流动组织不合理，则易出现两类典型问题：其一为黏性土体或混合物附着在刀盘及舱室形成堵塞，其二为岩土颗粒在舱底沉降并进一步阻塞排浆通道。尤其对于大直径设备，刀盘旋转、破碎机摆动及腔内复杂压差共同作用，使内部流场高度非均匀，传统依赖有限传感器信号的方法难以直观揭示堵塞形成机制，因此有必要借助数值模拟手段研究多因素耦合作用下的泥浆流动规律，并建立具有工程意义的评价准则。

为解决上述问题，研究人员以一台全尺寸泥水支护静水射流盾构机为对象，建立了三维数值模型。该设备刀盘直径15 m，模型轴向长度7.25 m，涵盖开挖舱、压力舱、筛网舱及排浆管路，并考虑顶部双喷嘴JU、中心旋转冲刷喷嘴JC以及底部四组喷嘴JD1、JD2、JD3、JD4的组合布置。研究人员利用Ansys-Fluent进行计算流体力学（CFD）模拟，在将泥浆等效简化为牛顿流体（Newtonian fluid）的前提下，采用标准k-ε湍流模型描述复杂湍流流动，并通过杭州之江路隧道工程的舱压与出口流量数据对模型进行了校核，计算压力误差小于3%，验证了模型对整体水力响应的可靠再现能力。为评价泥浆对颗粒沉积的抑制能力，文中提出颗粒提升系数L，即局部竖向速度与颗粒沉降速度之比；同时提出区域改善率I，表示特定区域内能够有效提升颗粒的流体体积分数。除此之外，研究还引入熵产理论（entropy generation theory）分析不可逆能量耗散，以识别舱内主要能量损失区。

就主要技术方法而言，该研究采用了三类关键手段：其一，基于全尺度盾构几何构型建立三维流场模型，对不同喷射支路与刀盘—舱室系统进行稳态及瞬态模拟；其二，基于杭州之江路隧道工程实测舱压和排浆流量进行模型验证；其三，构建颗粒提升系数L、区域改善率I及平均熵产率等指标，对流量分配、刀盘转速和破碎机运动的影响开展对比分析。对于破碎机部分，研究人员采用动态网格（dynamic mesh）方法模拟翼板周期摆动，以捕捉非定常流动演化。

4.1. The Effect of Distribution of the Flow Rate

在总流量3340 m³/h、刀盘转速ω = 1 r/min且破碎机停机条件下，研究人员设置了三种流量分配策略FC1、FC2、FC3，分别对应常规输运、刀盘积泥和舱底沉积等工况。结果表明，刀盘旋转会诱导开挖舱形成顺时针循环流；当JU与JC关闭时，该循环结构尤为明显，而当其开启后，附加喷流动量会强化刀盘中心区域扰动，使流线更加复杂。JU对冲射流指向刀盘中心，受转子钟摆效应影响，两股喷流碰撞后向右偏转，说明旋转效应改变了原本对称的喷流组织。

刀盘面壁面剪切力分析显示，JU与JC的冲刷作用主要集中于刀盘中心约1 m × 1 m区域。FC2中JU + JC流量占比由FC1的54%提高至67%后，中心区剪切应力由约180 Pa增至约220 Pa，表明增加上部与中心喷流有利于缓解刀盘中心黏附和堵塞；但刀盘中心外大部分区域剪切应力低于25 Pa，说明其清除作用具有明显局部性。

对于下部输运区域，JD3在浆液闸门后方形成沿主流通道延伸的高速区，对维持由闸门至筛网的连续输运十分关键。JD3相向壁射流汇合碰撞后，在两喷嘴中点形成上升喷泉流（fountain flow），并裹挟周围流体，建立覆盖泥浆输运区域的卷吸区。FC3中该上升流速度可达2.5 m/s，显著强于FC1和关闭JD3时的状态，因此能明显改善舱底流动性。相比之下，JD2的竖直向上喷射虽然可将颗粒上推，但从流线组织看，过强上冲不利于实际排渣输运；筛网舱中JD4若扰动过强，也对颗粒输送帮助有限。

基于监测线X0与X1的L值分布，FC2在压力舱中的L通常小于1，X1处甚至出现L < 0，即局部竖向速度向下，说明若过多流量分配至开挖舱，反而不利于压力舱中颗粒悬浮与输运。FC1与FC3则通过增加压力舱相关喷流分配，使L逐步提高，其中FC1在浆液闸门相对高度0.1–0.5范围内L > 1，能够促进泥浆输运；FC3则几乎在全高度范围内均满足L > 1，更有利于颗粒悬浮并抑制压力舱沉积。区域改善率I的比较也表明，Region C中FC3比FC1提高约1%，优于FC1和FC2，因此从抑制沉积角度看，FC3效果最佳。熵产结果进一步显示，流量集中处平均熵产率明显增加，FC3在Region C中的平均熵产率比FC1和FC2高约70%，说明其在强化底部输运的同时也伴随更高局部能量耗散。

4.2. The Effect of Rotational Velocity of the Cutter Wheel

在固定采用FC3分配策略、破碎机停机条件下，研究人员考察了刀盘转速ω = 0、1、3 r/min对流场的影响。结果表明，当刀盘静止时，JD1对冲射流在喷嘴中心形成明显上洗流，并在两侧生成一对旋涡；当转速增至1 r/min后，旋转打破了双旋涡平衡，右侧旋涡开始压制左侧旋涡，流动波动增强；当转速进一步增至3 r/min时，刀盘旋转占据主导，上洗流结构难以维持，JD1的提升作用受到明显抑制。虽然刀盘外缘线速度较1 r/min提高了200%，达到2.36 m/s，但刀盘中心区速度仍仅为0.2–0.3 m/s，意味着中心区仍存在明显实土聚集风险。

湍动能k分布进一步证明，JD1形成的上洗流可诱导较强湍流波动，而ω = 1 r/min时旋转剪切与射流共同作用，使浆液闸门下部的k值进一步提高；但当ω增加至3 r/min时，刀盘旋转削弱了JD1剪切作用，最大k值由0.8 m²·s^?2降至0.35 m²·s^?2。这说明较高转速并非始终有利，过强旋转会抑制喷流诱导的竖向波动。

L值分析显示，无论在X0还是X1，随着刀盘转速升高，L总体呈下降趋势，尤其由1 r/min升至3 r/min时下降明显。在X0处，3 r/min时多数高度范围L < 1，颗粒沉积风险增大，表明开挖舱与压力舱下部区域中，刀盘旋转会部分抵消JD1、JD2和JD3的悬浮促进作用。但在1 r/min时，浆液闸门高度0.15H附近的L值最大，说明适度转速有助于将舱底易沉颗粒重新抬升进入主流。因此，刀盘转速对抗沉积的作用具有双重性：适中转速有利于颗粒提升，过高转速则可能削弱底部喷流效果。区域改善率I显示，随着ω由0增至3 r/min，Region A和B中I分别增至28.9%和24.9%，说明高速旋转显著增强了刀盘周缘区域的扰动和颗粒提升能力；但Region C仅由2.5%降至1.7%，变化较小，表明开挖舱内强扰动向压力舱的传递受到分隔结构限制。熵产分析表明，Regions A和B的平均熵产率随转速增加而显著升高，3 r/min时Region C也较低速工况高出28%，说明更高转速会强化不可逆能量耗散。

4.3. The Effect of the Crusher

针对破碎机作用，研究人员利用动态网格方法模拟其翼板在一个周期T = 24 s内的开闭运动，并与静止工况比较。结果显示，破碎机邻近JD3喷流区，其流动结构会受到刀盘旋转和翼板摆动的共同影响。当翼板全开时，底部泥浆受压缩和加速，在压力舱底部形成局部高速区，并强化靠近刀盘旋转方向一侧的旋涡；在运动工况下，左翼板回摆导致两侧形成不对称旋涡结构，表明翼板摆动对局部流动再分配具有显著作用。

进一步考察JD3剖面可见，静止破碎机时，其中一股喷流明显朝刀盘旋转方向偏转；而在运动工况下，两翼闭合过程产生的“挤压泥浆”会破坏双喷流的汇合，将高速流附着于压力舱底壁并改变方向，形成较大范围的高速区。经过两个振荡周期后，左侧高速泥浆区逐渐消失并向破碎机中心集中，说明破碎机振荡对局部流场具有一定改善作用，可减弱原有偏置结构。

熵产云图表明，无论破碎机运动还是静止，熵产主要集中于刀盘剖面一侧，这主要归因于刀盘旋转造成的能量损失。在运动工况下，平均熵产率在破碎机全开与全闭位置会间歇性升高，但总体上压力舱Region C中最大增幅仅约16%，即由2.5 W·K^?1·m^?3升至2.9 W·K^?1·m^?3。与之相比，Region A约15 W·K^?1·m^?3、Region B约24 W·K^?1·m^?3的高熵产率表明刀盘旋转区才是主要能量耗散源；筛网舱Region D中JD4引起的复杂湍流也产生显著损失，其整流效应造成的耗散强于破碎机本身。因此，就系统能耗优化而言，重点应放在刀盘区域与筛网附近区域，而非仅关注破碎机运动。

讨论部分指出，该研究提出的L与I两个工程导向指标，能够在不显式求解颗粒相运动的条件下，快速比较不同工况下局部输运能力与抗沉积性能。结果说明，FC1、FC2、FC3并不存在单一“最优”关系，而是分别对应正常输运、缓解刀盘堵塞和抑制舱底沉积等不同运行目标，因此喷流流量控制应被视为面向异常工况的差异化调控策略。与此同时，刀盘转速虽能增强舱内扰动并在一定程度上改善抗沉积能力，但过高转速可能增加开挖物进入量并加剧堵塞，过低又会降低掘进效率，因此应与流量分配联合调节，并结合刀盘扭矩、排浆流量等实时监测信号实施工程控制。研究人员同时指出，该模型将泥浆简化为牛顿流体，且沉积风险通过间接指标评价，尚未显式考虑非牛顿流变（non-Newtonian rheology）、颗粒—流体相互作用及地层差异，因此更适用于宏观流动趋势与策略优劣比较，而非精确预测颗粒级输运行为。

结论部分可译述如下：该研究针对配备冲刷喷流的盾构机内部流动动力学进行了分析，重点关注舱室堵塞与沉积问题的缓解。研究基于JU、JC、JD1、JD2、JD3和JD4六组喷流在舱室顶部、中部和底部的布置，分析了喷流流量分配对颗粒提升能力的影响，并考虑了刀盘旋转和破碎机运动等复杂流动部件的作用。其一，在固定ω = 1 r/min条件下，对FC1、FC2和FC3三种流量分配工况进行了比较，分别对应正常运行、刀盘岩渣聚积和舱底沉积三类代表性情形。结果表明，FC1中JD3对冲壁射流汇合形成上洗喷泉流，且在FC3中更为显著；增大压力舱流量分配可提高颗粒提升能力和区域改善率，尤其在最易沉积的Region C中，I由0.7%升至1.7%，且L在整个测量范围内均大于1，显示出对颗粒沉积的有效抑制。因此，FC1适用于常规输运，FC2适用于刀盘堵塞工况，FC3适用于舱底岩土颗粒沉积工况。其二，在固定FC3条件下，随着刀盘转速由1 r/min提高至3 r/min，外缘线速度增幅可达200%，Regions A和B中的I分别提升至28.9%和24.9%，有助于整体岩渣输运，而1 r/min更有利于清除料斗底部颗粒。其三，破碎机启用后，靠近刀盘旋转方向一侧翼板附近会形成旋涡，而平均熵产率分析说明，刀盘旋转区与筛网整流效应造成的能量损失明显大于破碎机运动本身，因此系统节能优化应优先关注刀盘区域和筛网周边区域。