趙 威，劉子康，孫開欣，孫 偉，郭正剛，王林濤

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

0 引言

盾構(gòu)施工技術(shù)(即掘進(jìn)機(jī)隧道施工技術(shù))以其安全、高效的優(yōu)勢，被越來越廣泛的運(yùn)用到了相關(guān)工程項(xiàng)目上[1]。盾尾密封系統(tǒng)作為確保盾構(gòu)施工安全平穩(wěn)進(jìn)行的重要保護(hù)系統(tǒng)，在確保工程安全推進(jìn)中起到至關(guān)重要的作用。

圖1 盾尾密封結(jié)構(gòu)原理簡圖

現(xiàn)代的盾尾密封結(jié)構(gòu)一般采用多道彈簧鋼片與鋼絲刷充填盾尾密封油脂的刷式密封結(jié)構(gòu)[2]，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。盾尾刷通過焊接或者螺釘連接到盾構(gòu)機(jī)殼體后部，接著工人手動(dòng)將盾尾密封油脂均勻涂抹在刷絲之間。盾構(gòu)機(jī)正式工作時(shí)，盾構(gòu)機(jī)通過分級(jí)流量控制閥將盾尾密封油脂注入到盾尾刷組成的空腔之中，完成對盾構(gòu)機(jī)尾部的密封。一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就有可能造成重大安全事故的發(fā)生。

導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)失效的原因有很多，常見的有盾尾密封油脂質(zhì)量不佳、施工操作不當(dāng)?shù)?。潘國慶[3]發(fā)現(xiàn)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，施工軸線曲率變化過大會(huì)導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)。秦蘇娟[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥漿注漿壓力超出油脂腔壓力時(shí)會(huì)導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)擊穿風(fēng)險(xiǎn)。張廣鵬[5]提出管片拼裝不合格會(huì)導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)泥漿滲漏通道造成水泥漿液侵入，導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)失效。工程中只有通過合適的油脂腔壓力控制才能在盾尾刷與拼裝管片間形成穩(wěn)定的盾尾密封油膜，從而在盾構(gòu)機(jī)工作過程中實(shí)現(xiàn)密封與潤滑的雙重作用，保證盾尾密封的結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間的工程磨損而被破壞。

1 盾尾密封結(jié)構(gòu)簡析

盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)時(shí)會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境的不同而調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)輸出狀態(tài)以保證盾構(gòu)機(jī)在正常掘進(jìn)工作中的受力平衡。這個(gè)調(diào)節(jié)過程往往會(huì)涉及到盾構(gòu)機(jī)殼體的姿態(tài)變化，這樣的調(diào)節(jié)過程將不可避免的改變盾構(gòu)機(jī)尾部與拼裝管片間的間隙[6]。因此，現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)尾部大多采用刷式密封結(jié)構(gòu)完成整機(jī)密封[7]。

刷式盾尾密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由盾尾刷、管片、盾尾密封油脂以及相關(guān)泵送系統(tǒng)組成。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)，盾尾刷在彈簧板作用下被固定于盾構(gòu)機(jī)殼體尾部，與拼裝管片間形成空腔。盾構(gòu)機(jī)開始掘進(jìn)時(shí)，盾尾密封油脂被泵送系統(tǒng)送入空腔至填滿空腔形成油脂腔。在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過程中，為了保持盾尾密封系統(tǒng)的密封效果以及保護(hù)盾尾刷，盾尾密封油脂會(huì)被不斷消耗而在盾尾密封刷與拼裝管片間形成一層潤滑油膜。盾尾密封油膜的產(chǎn)生與盾構(gòu)機(jī)油脂泵送系統(tǒng)的壓力存在緊密聯(lián)系，若泵送系統(tǒng)輸出壓力過小，油脂腔內(nèi)部壓力將遠(yuǎn)小于外界泥漿壓力，盾尾密封刷在內(nèi)外壓差作用下會(huì)被緊緊壓迫在拼裝管片表面，盾尾刷產(chǎn)生劇烈磨損，破壞盾尾密封結(jié)構(gòu)完整性。若油脂腔內(nèi)部壓力過大，則會(huì)導(dǎo)致盾尾刷出現(xiàn)大變形狀態(tài)，盾尾密封油脂會(huì)快速通過盾尾刷與管片間的環(huán)形間隙，導(dǎo)致油脂大量浪費(fèi)，造成經(jīng)濟(jì)損失。

2 盾尾密封結(jié)構(gòu)模型分析

2.1 流體仿真分析原理

流場問題仿真分析研究基礎(chǔ)是流體力學(xué)中最為經(jīng)典的三大守恒方程：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒[8]。盾尾密封油脂在流體腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)也滿足這三項(xiàng)基本方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，式(1)是質(zhì)量守恒方程，式(2)至式(4)是動(dòng)量守恒方程，式(5)是能量守恒方程。P表示作用在體積單元上的壓力，τxx、τxy、τxz等表示應(yīng)力分量，F(xiàn)x、Fy、Fz表達(dá)體積單元上所受的外力。

2.2 邊界層網(wǎng)格計(jì)算

劃分邊界層網(wǎng)格是確保流固耦合運(yùn)算精度的重要保證，運(yùn)用Fluent進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分時(shí)有幾個(gè)重要參數(shù)，分別為：First Layer Thickness(第一層網(wǎng)格厚度)、Growth Rate(比率)、Maximum Layers(最大層數(shù))。

三個(gè)參數(shù)中最重要的是第一層網(wǎng)格厚度。該數(shù)值可以通過式(6)計(jì)算獲得：

(6)

式中，L是邊界層長度，y+是一個(gè)無量綱數(shù)，其具體定義為：

(7)

其中：u*為近壁面摩擦速度，y*為第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與壁面的期望值，v為流體運(yùn)動(dòng)黏度。劃分邊界層網(wǎng)格可以精準(zhǔn)表現(xiàn)出流體在流經(jīng)固體壁面時(shí)在近壁面區(qū)域形成較大的速度梯度變化的過程狀態(tài)，獲得更為貼合工程實(shí)際的流固耦合計(jì)算結(jié)果。

2.3 盾尾密封結(jié)構(gòu)CFD模型建立

盾尾密封結(jié)構(gòu)中最外側(cè)油脂腔是最容易被泥漿侵入的部位，工程實(shí)踐證明，當(dāng)最外側(cè)油脂腔出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時(shí)，盾尾密封的效果將出現(xiàn)較大幅度下滑。針對這部分結(jié)構(gòu)，本文建立了如圖2所示的盾尾密封結(jié)構(gòu)全尺度模型，為了細(xì)化流固耦合時(shí)網(wǎng)格尺寸，對全尺寸模型進(jìn)行簡化，獲得如圖3所示的部分截面模型。

圖2 全尺度盾尾密封結(jié)構(gòu)模型

圖3 部分截面流體腔三維模型

2.4 網(wǎng)格劃分

由于盾尾密封結(jié)構(gòu)存在較多交界面、斜面等不規(guī)則面[9]，同時(shí)考慮到后續(xù)流固耦合仿真中的負(fù)網(wǎng)格重構(gòu)問題，以及Fluent求解器僅支持非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，所以對整體三維模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行模型劃分，針對流體區(qū)域與固體區(qū)域的交界面采用鋪設(shè)邊界網(wǎng)格的方式進(jìn)行過渡，由于盾尾刷與管片間縫隙較小，為了保證流體區(qū)域計(jì)算的收斂性，采用小網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，最終得到如圖4所示的網(wǎng)格模型。

圖4 部分截面網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.5 邊界條件設(shè)置

流固耦合計(jì)算需要流體和固體具體的材料參數(shù)屬性，盾尾密封油脂的具體材料參數(shù)可以通過設(shè)計(jì)相關(guān)流變實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)值擬合本構(gòu)模型的方法獲取。本文通過圖5所示的流變儀測量了盾尾密封油脂的相關(guān)特性。實(shí)驗(yàn)表明，盾尾密封油脂是一種典型的高粘度非牛頓流體。計(jì)算流場雷諾數(shù)，將流場區(qū)域設(shè)置為層流求解，油脂材料按照非牛頓流體材料進(jìn)行具體設(shè)置。

盾尾刷材料參數(shù)通過如圖6所示的盾尾刷按壓實(shí)驗(yàn)獲取具體參數(shù)，通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)獲得的材料曲線圖可以對固體部分材料參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)定。

圖5 AR2000EX電流變儀 圖6 尾刷擠壓實(shí)驗(yàn)圖

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對本文算例作邊界條件設(shè)置如表1。

表1 邊界條件設(shè)置

3 流固耦合計(jì)算結(jié)果

3.1 流固耦合壓力分布云圖結(jié)果分析

為研究不同壓差狀態(tài)下，盾尾密封油膜厚度及壓力分布狀態(tài)，選定出口壓力為1 bar，通過UDF功能將入口壓力設(shè)置為不同壓力值，計(jì)算不同壓差條件下盾尾密封油膜厚度及壓力分布狀態(tài)如圖7。

圖7 不同壓差下油膜壓力分布云圖

由圖7可知，當(dāng)兩側(cè)壓差出現(xiàn)變化時(shí)，盾尾密封刷也會(huì)隨著產(chǎn)生變形，刷面與拼裝管片間會(huì)不可避免產(chǎn)生分離，細(xì)縫的寬度也在不斷變大，油膜壓力承載能力會(huì)隨著油膜厚度的變化產(chǎn)生變化。仿真分析中油膜可以產(chǎn)生的最小壓差條件為油脂腔內(nèi)部壓力比外界泥漿壓力大0.5 bar，當(dāng)壓差值小于該值時(shí)，盾尾刷緊貼管片表面無法形成穩(wěn)定的密封潤滑油膜。

3.2 流固耦合速度分布云圖結(jié)果分析

油脂腔內(nèi)壓力大于外界泥漿壓力，達(dá)到0.5 bar時(shí)油膜可以順利形成。當(dāng)該壓差值進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，油脂流動(dòng)速度將進(jìn)一步增大。該速度值大于盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行速度時(shí)，從客觀角度而言，油脂便產(chǎn)生了浪費(fèi)現(xiàn)象。設(shè)定不同壓差值，通過流固耦合計(jì)算油脂流動(dòng)的速度云圖，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同壓差下盾尾密封油脂速度分布云圖

圖8中顯示，當(dāng)盾尾密封系統(tǒng)中壓差達(dá)到9 bar時(shí)，盾尾密封油脂的移動(dòng)速度絕大多數(shù)集中在1.5 mm/s的速度區(qū)間。因此盾尾密封結(jié)構(gòu)中壓差需要進(jìn)一步控制在9 bar以內(nèi)，避免造成不必要的油脂浪費(fèi)。

4 結(jié)論

本文主要通過流固耦合方法計(jì)算了盾尾密封結(jié)構(gòu)不同壓差作用下油膜的形成狀態(tài)與流動(dòng)速度狀態(tài)，結(jié)合相關(guān)工程數(shù)值得出如下結(jié)論：

1)在油脂腔壓力比泥漿腔壓力高0.5 bar時(shí)，才可以形成穩(wěn)定的盾尾密封油膜，保證盾尾密封效果。

2)為了避免昂貴的盾尾密封油脂被無故浪費(fèi)，油脂腔與泥漿腔間壓力需要控制在9 bar以內(nèi)。

3)本文針對盾尾密封結(jié)構(gòu)提出了基于壓力的壓差控制方案，為將來盾尾密封安全性能研究提供數(shù)值基礎(chǔ)。