泥水盾构环流系统土石团聚体运移试验

王承震; 李树忱; 于文端; 孙腾云; 王品; 苗成

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505689

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (22) :9671-9679 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505689

交通运输

泥水盾构环流系统土石团聚体运移试验

王承震 ¹ ,
李树忱 ²^,^* ,
于文端 ¹ ,
孙腾云 ¹ ,
王品 ¹ ,
苗成 ¹

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Transport of Soil-stone Aggregates in Slurry Shield Tunneling Circulation System

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摘要

泥水盾构在黏砾交互地层掘进时,极易形成团聚体,增大泥水舱和环流系统中团聚体沉积堵塞风险。自主设计了泥水环流系统排渣试验装置,分析了单颗粒团聚体与团聚体颗粒群的运动形式,探究了水平管、倾斜管和竖直管路下团聚体尺寸、数量、泥浆密度对临界速度的影响,揭示了不同泥浆运移速度下土石团聚体的运移特征,结果表明:水平管中团聚体主要以滚动和跃移形式运移,进入倾斜和竖直管段后,团聚体临界速度高于水平管,且易在弯头部位发生淤积或滞回;团聚体临界速度与泥浆密度成反比,并随团聚体粒径增大呈现先增大后减小的趋势;随着团聚体数量增加,临界速度逐渐增大,其中水平管中增幅最大,而倾斜管和竖直管增幅相对较小;泥浆流速越大,团聚体通过管段的时间越短,团聚体速度波动幅度增大,运动轨迹的周期性更为明显。

Abstract

During slurry shield tunnelling in interbedded clay-gravel strata, soil-rock agglomerates are readily formed, which increases the risk of deposition and blockage of agglomerates in the slurry chamber and circulation system. A slurry circulation system discharge test apparatus was independently designed to analyse the motion patterns of single agglomerates and agglomerate particle groups. The effects of agglomerate size, quantity and slurry density on the critical velocity in horizontal, inclined and vertical pipelines were investigated, and the transport characteristics of soil-rock agglomerates under different slurry velocities were revealed. The main conclusions are as follows. In horizontal pipes, agglomerates are mainly transported in the form of rolling and saltation. After entering inclined and vertical pipe sections, the critical velocity of agglomerates is higher than that in horizontal pipes, and deposition or stagnation is prone to occur at elbows. The critical velocity of agglomerates is inversely proportional to slurry density and exhibits a trend of first increasing and then decreasing with the increase in agglomerate size. As the number of agglomerates increases, the critical velocity gradually increases. The largest increment occurs in horizontal pipes, while the increments in inclined and vertical pipes are relatively smaller. As slurry velocity increases, the transit time of agglomerates through the pipe section becomes shorter, the fluctuation amplitude of agglomerate velocity increases, and the periodicity of the motion.

Graphical abstract

关键词

泥水盾构 / 环流系统 / 土石团聚体 / 临界速度 / 运移试验

Key words

slurry shield / circulation system / soil-stone aggregates / critical velocity / transport test

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王承震, 李树忱, 于文端, 孙腾云, 王品, 苗成. 泥水盾构环流系统土石团聚体运移试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(22): 9671-9679 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505689

WANG Cheng-zhen, LI Shu-chen, YU Wen-duan, SUN Teng-yun, WANG Pin, MIAO Cheng. Transport of Soil-stone Aggregates in Slurry Shield Tunneling Circulation System[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(22): 9671-9679 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505689

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盾构法机械化程度高、安全可靠,逐渐在公路及铁路隧道等工程建设中广泛应用,成为城市地下空间工程建设的重要工法^[1]。泥水平衡盾构开挖对地面环境影响小、施工准确度高,能适应复杂地质条件,是目前隧道施工常用的技术形式^[2-5]。

泥水盾构在黏砾复合地层掘进时,刀盘切削下来的黏土和砾石会形成团聚体。若形成的团聚体体积过大,泥水舱和环流系统易发生团聚体沉积堵塞,导致泥水循环参数异常,降低施工效率^[6]。另外,团聚体沉积在开挖仓内和泥水舱格栅处,使得盾构挤压或超挖土体,容易引发塌方等事故。广州狮子洋隧道建设过程中,泥浆环流系统故障,造成长时间的盾构停机^[7]。武汉地铁12号线盾构掘进中气垫仓吸口、排浆管弯头、排浆泵等区域堵塞,大大延误了施工时间^[8]。因此,研究盾构环流系统团聚体运移特性对滞排堵塞的预警与防控有重要价值。

在泥浆运移试验方面,Min等^[9]提出了含有2%羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)溶液的膨润土泥浆的流变学模型。于文端等^[10]基于CFD-DEM方法,建立了可以完整反映气垫仓内岩屑排出的数值计算模型;Lü等^[11]通过室内流变测试揭示了含有聚合物的泥浆中的非线性本构关系。孙腾云等^[12]针对泥水盾构传统添加剂羧甲基纤维素钠降解困难的问题,提出一种以亚麻籽胶作为添加剂的环保泥浆。Vlasák等^[13]对水平和倾斜管道中粗颗粒-水混合物的运移情况开展研究,发现水和颗粒会出现明显分层。Hashemi等^[14]利用电阻抗断层成像(electrical impedance tomography,EIT)技术对水平管回路内细砂和水混合物的速度及浓度分布进行了研究,发现管壁附近颗粒浓度波动幅度较大。黄威然等^[15]对广州地铁项目中德国和日本泥水盾构循环系统进行了对比,发现盾构环流逆循环功能有效解决堵塞问题。姜龙^[16]对两相流中颗粒受力特性进行了分析,发现粗颗粒在竖直管中向上运动主要受周围水流流速影响。曹斌^[17]研究了粗颗粒在复杂管道中的运移特性,发现粗颗粒存在悬移、滚动推移和滑动推移3种运动状态。夏毅敏等^[18]针对不同的石渣形貌,采用数值建模的方法探究了直管内石渣形状对起动流速的影响,结果表明石渣起动速度随等容粒径的增大呈指数增大,随石渣数量增多呈对数增大。

目前中外学者在泥浆流变特性方面做了大量研究^[19],但土石团聚体临界运移条件与影响因素研究较少,因此,现以芜湖城南过江隧道为基础,自主设计泥水环流系统排渣试验装置,分析单颗粒团聚体与团聚体颗粒群的运动形式,探究团聚体尺寸、数量、泥浆密度对临界速度(团聚体顺利通过管段的泥浆最小速度)的影响。研究结果对环流系统滞排堵塞的预警与防控具有重要价值。

1 盾构环流系统团聚体运移试验方案

1.1 试验装置

芜湖城南过江隧道位于安徽省芜湖市长江皖江段,全长5.96 km,采用2台直径15.07 m泥水平衡盾构机同向掘进,盾构隧道801环~951环穿越黏砾复合地层,此时,环流系统排出的多为土石团聚体(图1)。

根据芜湖城南过江隧道皖江奋斗号盾构机参数,自主设计泥水环流系统排渣试验系统。试验系统为完全闭环的管道环路。管道内径为50 mm,管道为亚克力材料,以便于观测管道内部情况。环流管道设置水平管、45°倾斜管和竖直管段进行观测。

图2为泥水环流系统排渣试验装置,其动力由泥浆泵提供,泵的转速通过变频箱调控,频率范围为0~80 Hz,可实现对管道内浆液流速的精细控制。管路上装有电磁流量计,可实时监测并显示流量数据;同时配置可调节流量的蝶阀。为了保证整个装置的气密性,蝶阀、泵与流量计通过标准法兰盘接入管道系统,法兰盘接口采用橡胶密封垫、防水胶等进行连接,防止管路系统出现漏液失压。在管路各处设置投料口,可进行持续物料的投放。水箱50 cm×50 cm×60 cm,用于提供循环的盾构浆液,水箱底部设置排水口,水箱内部管道端口设置滤袋,承接通过环流系统排出的团聚体。水平管段上设置两个压力计,通过两个压力差和压力计的距离以计算沿程压力损失。

1.2 试验材料

工程泥浆并不透明,团聚体运移情况难以观测。为此,在室内试验时设计了一种透明泥浆。配置方法是向水中添加氯化钠与聚合物调整密度与漏斗黏度(密度:1.15~1.32 g/cm³,漏斗黏度:24~29 s),从而使透明泥浆性能与工程泥浆性能相匹配。同时,使用流变仪对工程泥浆和透明泥浆进行流变性测试,如图3所示,两条流变曲线基本一致,验证了透明泥浆的可靠性。

如图4所示,土石团聚体由黏土(膨润土与高岭土按1∶1比例混合)和砾石颗粒通过球形模具制备而成。该模具可用于制作不同规格、不同尺寸的团聚体。制备完成的团聚体采用密封袋储存,以保证其性能稳定和使用效果。

1.3 试验步骤与方案

泥水盾构环流系统团聚体运移试验方案如表1所示,具体步骤如下。

(1)通过天平称量固定比例的氯化钠、水和聚合物,并进行混合搅拌,制作透明泥浆。

(2)称量一定比例的膨润土和砾石进行混合,制作不同尺寸的团聚体,使用密封袋进行保存。

(3)将试验泥浆装填进水箱,打开蝶阀与水泵,缓慢调整变频器,使泥浆充满环流系统后关闭水泵和蝶阀,检测装置密闭性。

(4)提前在需要观测的管段设置摄像机,试验中可手动移动三脚架切换观测位置,实现对管道内部团聚体运移状态记录。

(5)在目标观测管段前端的投料口投放团聚体,使团聚体进入环流系统。

(6)调整变频器,改变环流系统内部泥浆流速,实现团聚体的顺利运移,最终进入滤袋。

(7)后期处理,处理摄像机记录的团聚体运动图片,提取运移轨迹与运动速度数据。

(8)重复进行步骤(4)~步骤(6),研究水平管、倾斜管和竖直管路下不同因素对于团聚体运移的影响。

2 团聚体运动形态分析

2.1 单颗粒团聚体运动形式

试验结果表明,水平管道中团聚体的运动形式主要为滚动和跃移。当泥浆流速较低时,团聚体在泥浆曳力作用下,沿管道底部发生滚动(图5)。随着泥浆流速增大,团聚体上下两端泥浆压差增大,更易发生跃移。

在倾斜管道中,团聚体在弯头部位会出现抖动和往复运动。当泥浆流速增大至一定程度时,团聚体通过跃移跳出弯头,进入倾斜管段,并依靠滚动和滑动向上运动。当团聚体抵达倾斜管顶部区域时,由于该区域存在较大的压力损失,其运动速度会显著减缓,甚至出现停滞。

进入竖直管时,在水平管转为竖直管的弯头部分,重力成为运动阻力,团聚体移动速度减缓。随着泥浆流速增大,团聚体在弯头底部发生滞回、空转,当泥浆流速进一步增大时,团聚体获得了足够动能,得以进入竖直管,并呈盘旋状漂浮上升。

2.2 团聚体颗粒群的运动形式

团聚体颗粒群的运移形式,除静止不动外,还有扬动状态、间歇式推移状态、连续式推移状态和悬移状态4种运动状态,如图6所示。

(1)扬动状态:表层少许颗粒达到运动条件,向前滚动,但其速度远小于水流速度,停滞与滚动交替出现。

(2)间歇式推移:表层大部分颗粒受升力和曳力影响,开始爬升运动,颗粒滚动和滑动状态同时出现,出现“沙丘”式的运动状态,呈现一定的周期性。

(3)连续式推移:颗粒群呈现稳定的分层运动,各层颗粒运动基本平行。运动速度从上至下依次递减,颗粒之间会不断碰撞摩擦,浆液产生较大压力损失。

(4)悬移:颗粒升力大于重力,颗粒物开始脱离床面,悬浮在液相中,水平管道中悬移颗粒速度与水流速度基本一致。

3 临界速度影响因素分析

3.1 团聚体尺寸对临界速度影响

由图7(a)可知,在0.8~1.4 cm粒径范围,随着团聚体粒径增加,水平管段临界速度先增大后减小。这是由于随着团聚体粒径增大,阻力随之增长,需要泥浆提供更大动能团聚体才能运动。而当粒径增大到1.4 cm时,团聚体迎流面挤入管道截面高速区域,此时摩擦阻力的增幅小于团聚体获取动能的增幅,使得临界速度轻微降低。

团聚体的管段通过时间是评价顺利运移的重要标准。图7(b)为达到临界速度后,团聚体尺寸对通过管段所需时间的影响。水平管段中,当粒径由0.8 cm 增大到 1.4 cm 时,通过时间仅由2.52 s 增加到4.54 s,增幅约2.02 s,变化相对平缓。这是因为在水平直管内,团聚体主要受到流体阻力和壁面摩擦作用,粒径增大虽然使质量和惯性提高,但流体阻力随之增长,运移时间略有增加。

倾斜管和竖直管中团聚体则表现出明显的非线性增长。倾斜管内,当粒径由0.8 cm 增至1.4 cm时,通过时间由4.11 s增加到15.05 s,约为原来的3.7倍;竖直管内则由2.9 s急剧增至 22.8 s,增长近20 s,约为原来的7.9倍;这是因为倾斜和竖直上升段中,团聚体需持续克服沿轴向的重力分量甚至全部重力,而所受流体升力和阻力增长相对较慢,使得大尺寸团聚体在加速-减速-滞留之间反复变化,通过时间显著增加。

从工程角度看,倾斜管和竖直管对大尺寸团聚体极为不利,是潜在堵塞高风险区。实际设计与施工中需重点关注这些非水平管段,降低堵塞风险。

3.2 泥浆密度对临界速度影响

由图8(a)可知,团聚体运移临界速度与泥浆密度成线性负相关,随着泥浆密度增大,临界速度逐渐减小,密度由1.05 g/cm³增大到1.35 g/cm³时,水平管临界速度下降15.2%,倾斜管临界速度下降14.2%,竖直管临界速度下降12.6%。这是由于泥浆密度增大,动能增大,团聚体易获取更多的动能,从而达到临界运移条件。

图8(b)为泥浆密度对达到临界速度时管段团聚体运移时间变化规律。总体上,水平管中通过时间最短,倾斜管次之,竖直管通过时间最长。在水平管中,随着泥浆密度由 1.05 g/cm³增加至 1.35 g/cm³,水平管内的通过时间由 2.66 s 变化到 2.98 s,增幅为 0.32 s,基本保持稳定。与水平管类似,倾斜管和竖直管中,密度变化对团聚体通过时间影响较小,增幅分别为0.35、0.40 s。

3.3 团聚体数量对临界速度影响

为了准确描述床层推移过程中运动速度分布特征和运动形态的演化规律,定义团聚体颗粒群运移时,75%团聚体在管道中达到运动状态时的泥浆速度为临界速度v_c。图9为团聚体颗粒群运移形态示意图,沿床层高度方向可划分团聚体为表层快速移动颗粒、近壁层低速颗粒和过渡层颗粒。

图10为30个团聚体颗粒群运移过程。在水平管段中,团聚体颗粒群呈间歇式推移,偶尔滑移。位于上游的表层颗粒获得较多动能,主要进行跃移和滚动运动。当这些表层颗粒运动至下游区域时,速度降低,逐渐转变为过渡层或近壁层颗粒。过渡层颗粒的运动以滚动和滑移为主,其动力来源于颗粒间的摩擦力及泥浆施加的曳力。而近壁层颗粒则主要以滑移运动为主。

倾斜管和竖直管中,底部弯头部位会形成短暂的团聚体淤积堆,表层颗粒处于泥浆高流速区域,容易脱离淤积堆实现顺利运移。随着泥浆流速增大,淤积堆颗粒迎流面积增加,泥浆动能变大,淤积堆整体会缓缓滑移进入倾斜或竖直管,实现顺利运移。

图11(a)为团聚体数量对临界速度的影响规律。随着团聚体数量增加,临界速度逐渐增大,当团聚体数量达到一定程度后,临界速度增速放缓,这是因为颗粒数量增多后,泥浆移动所需动能增大,而随着颗粒群进一步增多,形成床层高度增大,部分表层颗粒接触高速泥浆后率先运移,使得运移床层整体的泥浆流速要求降低。

水平管临界速度对团聚体数量更加敏感,倾斜管和竖直管整体临界速度变化相对更小。当团聚体数量由20增大到50时,水平管临界速度增大59.6%,倾斜管临界速度增大19.8%,竖直管临界速度增大14.6%。

图11(b)为水平管道中团聚体数量对管道压力损失的影响。可知,随着团聚体数量增大,管道压力损失逐渐增大。团聚体数量由20增加为50,压力损失增大45.2%。这是因为随着团聚体数量增加,体系中固相体积分数提高,泥浆流动结构更加紊乱,沿程能量损失显著增加。同时,团聚体在截面内的堆积会缩小有效过流断面,从而进一步放大压降。

3.4 泥浆流速对团聚体运移形态的影响

在试验组1的基础上,改变泥浆流速为1.0v_c、2.2v_c、3.6v_c,并使用后期处理软件提取团聚体运动数据进行定量分析。沿着管道行进方向定义为x方向,垂直于管道方向定义为y方向。

图12为团聚体运移形态随泥浆流速变化情况。当泥浆流速达到临界速度v_c时,水平管内的团聚体开始翻滚运动。随着流速增加,团聚体会出现跃移现象。在倾斜管中,1.0v_c时,底部弯头处团聚体会出现停滞、回旋等往复运动,主要表现为翻转和滑移,且由于压力损失,倾斜管顶部泥团聚体会发生短暂停滞^[20]。当泥浆流速增大到3.6v_c后,倾斜管的停滞和回旋现象消失,团聚体运动轨迹变得更平稳流畅。在竖直管中,当流速达到1.0v_c时,团聚体在管内呈漂浮旋转状态,运动轨迹较为复杂;随着流速增加,底部弯头处的停滞现象逐渐消失,当提高流速到3.6v_c后,团聚体轨迹趋于平滑。

取倾斜管和竖直管进行具体分析。图13(a)为倾斜管团聚体运移x方向速度变化。在泥浆流速为1.0v_c时,0~3 s 和 9.5~12.5 s 区间内v_x=0,表明团聚体分别在底部弯头和倾斜管顶部发生了停滞,团聚体通过整个管段所需时间约为13 s;当速度增至2.2v_c时,通过时间缩短至约1.2 s;而在3.6v_c下,通过时间进一步缩短至约0.8 s。由此可见,随着泥浆流速的增大,团聚体通过管段的时间显著缩短,滞排风险也随之明显降低。

图13(b)为倾斜管团聚体运移中y方向速度变化。泥浆流速为1.0v_c时,v_y始终在 0 附近小幅振荡,持续时间可达 14 s 左右。流速增至2.2v_c后,v_y 的峰值扩大,振荡周期明显缩短,在截面内呈左右摆动状态。进一步提高到3.6倍临界速度时,v_y波动范围为-0.18~0.14 m/s,横向摆动更为剧烈。总体来看,随着泥浆流速提高,倾斜管内团聚体的横向速度幅值显著增大,表现为“更剧烈但更短暂”的盘旋现象。

图14(a)为竖直管团聚体运移中x方向上速度变化。1.0v_c时,0~8 s内速度正负波动,竖直管底部弯头部分团聚体进行往复运动。脱离弯头后,团聚体速度基本大于零,持续向上运动,速度竖直方向呈现周期性变化。随泥浆速度增大,通过时间迅速减小。

图14(b)为竖直管团聚体运移中y方向上速度变化。当泥浆流速为1.0v_c时,v_y始终在 0 附近小幅振荡,此时横向动力扰动与团聚体惯性基本抵消,团聚体主要沿管轴向缓慢上升,横向偏移较小。当流速提高至 2.2v_c时,v_y波动范围放大至-0.25~0.25 m/s,振荡周期增长至 3 s,团聚体在截面内呈现明显的“向一侧漂移-受涡流作用回摆”的往复运动特征。进一步提高到3.6v_c时,团聚体在强牵引下快速通过竖直管段,仅在短时间内经历数次横向摆动,表现为更强烈但持续时间更短的漂移与盘旋过程。

4 结论

根据芜湖城南过江隧道工程皖江奋斗号盾构机参数,自主设计泥水环流系统排渣试验装置,分析了单颗粒团聚体与团聚体颗粒群的运动形式,探究团聚体尺寸、数量、泥浆密度对临界速度的影响,揭示了不同泥浆运移速度下土石团聚体的运移特征,得出如下结论。

(1)水平管中团聚体主要以滚动和跃移形式运移;进入倾斜和竖直管段后,由于重力分量的影响,团聚体易在弯头部位发生淤积或滞回。团聚体颗粒群在管路运移中呈“沙丘式”形态推移,并出现明显的速度分层现象。

(2)团聚体临界运移速度受粒径与泥浆密度共同影响,随着团聚体粒径增大,临界速度先升高后略有降低,且在倾斜与竖直管中临界速度高于水平管;泥浆密度提高可有效降低临界速度,有助于团聚体顺利运移。

(3)团聚体数量对临界速度有显著影响,随着团聚体数量增加,临界速度逐渐增大,但当数量达到一定程度后,增幅减小。水平管的临界速度对数量变化更为敏感,增加59.6%;而倾斜管和竖直管的临界速度增幅相对较小,分别为19.8%和14.6%。

(4)泥浆流速越大,团聚体通过管段的时间越缩短。此外,流速增大使团聚体所受拖曳力和升力急剧增大,湍流强度提高,速度的波动幅度和周期性更为明显。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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