超大直径泥水盾构排浆管磨损研究

陈瑞祥，杨振兴，韩伟锋

（1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450000；2.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

泥水平衡盾构因其良好的压力控制效果及在富水地层的良好适用性，在穿江、越河、跨海、城市地铁等富水地层隧道建设工程中得到大量应用[1]。泥水环流系统是泥水平衡盾构的关键组成系统，可将开挖的渣土与泥浆混合后输送到地面。当排浆中含有固体颗粒时，排浆管长期承受高速持续撞击，致使管壁逐渐磨损变薄甚至磨穿。

针对泥水环流系统管路磨损问题，崔建等[2]以京张高铁清华园隧道盾构段泥水平衡盾构为例，对砂卵石地层泥水平衡盾构泥浆输送参数进行统计分析，并通过现场实测对输送管路磨损进行探讨；黄波等[3]结合南京地铁10 号线盾构隧道工程，研究了不同材质、流速、泥浆密度及泥浆中固体颗粒大小等因素对泥浆输送管道磨损的影响，提出了减小管路磨损的技术措施。董伯让[4]以兰州地铁为例，对输送管道的磨损状况开展了研究，提出了一系列能改善输送管道磨损的措施。

上述研究结合工程实际对排浆管磨损影响因素、改进措施进行探讨。但由于泥浆管的密闭性，岩渣在管内的分布特征难以直观确定，岩渣对管道不同位置的磨损规律缺乏系统研究。流动过程中泥浆和岩渣具有复杂的相互作用，采用流固耦合方法能更准确、直观地反映岩渣在泥浆流场作用下的运动过程和磨损规律。本文依托深圳春风隧道超大直径泥水盾构工程，建立携渣泥浆在排浆管内流动的流固耦合数值模型，对岩渣运动特征及其对管壁的磨损作用进行研究，从而揭示排浆管磨损规律，并提出改进措施。

1 工程概况

春风隧道位于深圳市罗湖区和福田区，隧道长约4.65km，其中盾构施工段长约3.58km。盾构段采用开挖直径15.8m 的泥水平衡盾构施工。隧道段主要穿越的地层多为粗粒花岗岩、构造碎裂岩、凝灰质砂岩、板岩等，全断面岩层占全线80%以上。环流系统进、排泥管选用DN500 的输送管，壁厚25mm。系统主要参数如表1 所示。

表1 环流系统主要参数

2 排浆管流固耦合数值模型及参数

2.1 建模区域

排浆管从盾构泥水仓引出后，经隧道、基坑、地表引入泥水处理厂。其管路主要由直管、90°弯管组合而成。直管、弯管均可布置为水平和竖直两种状态。不同状态引起的泥浆流向与重力方向的差异也会影响管路的磨损状态。考虑排浆管的常见情况，选取直管水平放置、直管竖直放置、90°弯管水平放置、90°弯管竖直放置四种情况分别进行分析。泥浆流向与重力方向（G1、G2）相对关系及建模区域尺寸如图1 所示。

图1 管路建模区域

2.2 计算模型及边界条件

2.2.1 流固耦合计算模型

环流系统管道输送模型主要由液相流动模型与固相运动模型构成[5]。计算流体力学（CFD）在解决流体与固体颗粒问题时未能涉及两者之间拖拽力等相互作用，也无法考虑固相颗粒大小、碰撞等物理作用，而这些因素对管道磨损的影响至关重要。结合离散元方法（DEM）能更准确地反映固相的运动规律[6]。通过引入包含磨损的材料模型，还可以计算颗粒对管壁的磨损效应。因此采用CFD-DEM 耦合的方法建立排浆管计算模型。

由于泥浆中岩渣颗粒体积分数较大且会影响泥浆流动，采用Euler-Euler 耦合方法对两相流进行模拟，通过CFD 方法计算泥浆对岩渣颗粒的拖拽力等参数，由DEM 方法计算岩渣运动参数，并通过耦合接口进行数据交换。首先使用CFD方法计算泥浆流场，迭代收敛后，将流场计算结果输入DEM 模型，根据流场作用力计算岩渣运动情况；随后把岩渣的位置结果返回并进行下一步流场计算，最终得到岩渣在排浆管中的运动情况。通过在DEM 模型岩渣与管壁的接触中加入相对磨损（Relative Wear）模型，可以显示出管道最容易发生磨损的部位。

2.2.2 边界条件

对于流体计算，根据环流系统相关参数，设置泥浆密度ρ1为1 250kg/m3，泥浆粘度为40mPas，并在排浆管进口处设置速度入口条件，在出口处设置压力出口条件，管壁设置无滑移边界条件，湍流模型选择为 Standardk-ε模型。结合表1 数据，可以由式（1）求得排浆管入口流速为

对于固相计算，假设泥浆与岩渣体积均不可压缩，则单位时间内岩渣进入排浆管的质量可根据下式计算。

V1+V2=Q

ρ1V1+ρ2V2=ρQ

m1=ρ1V1

m2=ρ2V2

其中，V1和V2为单位时间内泥浆和岩渣流过排浆管的体积，m1和m2为单位时间内通过排浆管泥浆和渣土质量。计算得到岩渣进入排浆管速度m2为262kg/s。由于岩渣数量多且形状尺寸各异，按照实际形状建模会极大地消耗计算资源，因此以球形颗粒代替。根据部分统计，排出的岩渣尺寸一般不超过150mm。因此设定在排浆管入口处以262kg/s 的速度持续随机生成直径不超过150mm 的颗粒。

3 计算结果及分析

3.1 岩渣分布及速度变化规律

由图2 可见，在管道入口附近，岩渣速度及位置分布比较均匀。通过弯头时，岩渣速度明显减小，在弯管外侧约45°位置降到最小。这是由于携渣泥浆大角度冲击管道内壁造成动能严重损失，使泥浆与岩渣速度很快降低，同时岩渣由于离心力的作用而全部聚集在管壁外侧，岩渣的集中冲击也会造成这些区域的磨损。

图2 岩渣速度分布

岩渣进入水平放置的直管后，在重力作用下向底部聚集，在1m 位置冲击管壁底部后减速并集中在管壁底部流动，这也可以反映排浆泵出口附近岩渣的流动状态。对于竖直放置的直管而言，由于重力作用方向与泥浆流动方向平行，岩渣分布相对均匀，速度变化主要受管壁及重力影响。

如图3 所示，岩渣进入管道后平均速度快速降低随后稳定。直管水平放置时岩渣总体速度损失最小，平均速度最终稳定在3.57m/s；弯管竖直放置时岩渣总体速度损失最大，平均速度最终稳定在2.90m/s。这表明管路竖直放置和水平放置均能保证渣土连续稳定排出，此外，由于渣土速度普遍低于泥浆流速，为保证岩渣的顺利排出，泥浆流速不能过低。

图3 岩渣平均速度

3.2 排浆管磨损规律

法向累积接触力和切向累积接触力是相对磨损接触模型的2 个重要衡量指标，可以显示出管道最容易发生磨损的部位。分别提取排浆管在4 种状态下的平均法向累计接触力和切向累计接触力随时间变化曲线，如图4 和图5 所示，随着岩渣颗粒的不断进入，相对磨损量曲线经历短暂的弧形上升后均进入稳定的线性增加阶段。相同放置状态下法向累积接触力均大于切向累积接触力，这表明法向冲击对管道磨损有着重要影响。

图4 弯管相对磨损量

图5 直管相对磨损量

在稳定磨损阶段，管道各部分磨损量与时间近似成正比，曲线斜率反映出了各部位的相对磨损速度。如图6 所示，弯管整体的磨损速度明显大于直管，水平放置的弯管受磨损最严重。水平状态下，弯管的法向相对磨损速度是直管的2.66倍，切向相对磨损速度是直管的2.71 倍；岩渣在直管内竖直输送时对管壁造成的磨损最小。

图6 相对磨损速度

图7 为弯管相对磨损量分布情况。图中显示了弯管水平放置和竖直放置时的相对磨损量和主要磨损区域分布。两种放置状态主要磨损区域均集中在弯管外圆面上，最大磨损位置位于弯管45°左右，与岩渣主要冲击区域一致。弯管水平放置时，由于重力的作用，主要磨损区域位于弯管轴线剖面以下的外圆面上；弯管竖直放置时，主要磨损区域在弯管轴线两侧外圆面均匀分布。从最大相对磨损量上看，弯管水平放置时弯头的法向和切向相对磨损量均大于竖直放置，这表明弯管水平放置时更容易产生磨损。

图7 弯管相对磨损量分布

图8 为直管相对磨损量分布情况。由于直管水平放置时岩渣沿管道底部随泥浆流动，管道的磨损区域也集中在管道底部。在管道入口1m 附近位置底部管道磨损更为严重，这是由于渣土颗粒初始速度较大，且在重力作用下加速下沉冲击该区域造成的。考虑到环流系统不会一直工作在最大流量，排浆泵出口1m 以内的管道都应重点关注。直管竖直放置时，岩渣在管内运动对管壁冲击最小，相应的管壁磨损量最小且分布均匀。

图8 直管相对磨损量分布

4 结论与建议

采用流固耦合的方法对排浆管内泥浆和岩渣运动情况进行了计算，并获取了不同布置方式下排浆管的相对磨损情况，主要表现出以下规律。

1）携渣泥浆流过弯管时，磨损区域主要分布在弯管外圆面。排浆管路中水平放置的弯管受到磨损最严重，且主要磨损区域位于弯管轴线剖面以下的外圆面上，最大磨损位置在弯管45°附近。

2）水平放置的直管磨损较严重，且主要磨损区域位于底部管壁。

3）排浆泵出口位置1m 附近的排浆管底部区域相对于其他位置更容易磨损。

4）竖直放置的管路磨损量相对较少。

据此，为避免排浆管路磨损过快，可以采取以下措施：①对弯管外圆面采用加厚、安装耐磨板等措施增强耐磨性能；②水平放置的直管可以采用上薄下厚的偏心圆截面，或者在排浆管底部进行加厚和耐磨处理。由于磨损位置集中在管道底部，可以在使用一段时间后将管道旋转180°继续使用，以延长使用寿命；③对弯管、排浆泵出口附近等高磨损区域的排浆管设计为便于拆装的结构，并进行重点监测，及时掌握磨损情况，及时进行修复或更换；④尽量减少90°弯头的使用，或采用大角度弯头，以减少渣土颗粒的冲击。