泥水盾构水平直管压力损失特性研究.pdf

——文章编号：１００９～４５３９（２０１７）１００００７０４・科技研究・泥水盾构水平直管压力损失特性研究孙桐林１，２（１．中铁二十二局集团第三工程有限公司福建厦门３６１０１０；２．中国铁建股份有限公司东南指挥部福建厦门３６１００８）摘要：为保证泥水盾构环流系统安全运行和降低能耗，基于计算流体力学和离散元法建立泥水盾构环流系统水平直管内卵石运动仿真模型，研究卵石浓度、卵石粒径和卵石比重对管道压力损失的影响。仿真研究结果表明：管道压力损失随卵石浓度增大呈近似线性增大；随卵石粒径的增大呈先增大后减小的趋势；随着卵石比重的增大几乎不变。关键词：泥水盾构水平直管压力损失卵石浓度卵石粒径卵石比重中图分类号：Ｕ４５５．４３文献标识码：Ａ—ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１７．１０．００２ＳｔＩｌｄｙｏｎＰｒ髑ｓｕｒｅＬｏｓｓＣｈａｍｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＳｔｒａｉｇｈｔＰｉｐｅｉｎＳｌｕｒｒｙＳｈｉｅｌｄＭａｃｈｉ玳Ｓｕｎ’ＴｏｎｇＩｉｎｌ２（１．ＣｈｉｎａＲａ订ｗａｙ“２２。Ｂｕｒｅ舳Ｇｍｕｐ３ｒｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｌｄ．，Ｘｉ枷ｅｎＦｕｊｉ帅３６ｌＯｌ０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓ０ｕｔｈｅａｓｔＣｏ咖觚ｄＰｏｓｔ，ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＣｏｎｓｔｎｌｃｔｉｏｎＣｏｒｌ）ｏｍｔｉｏｎＬｉｌＴＩｉｔｅｄ，ｘｉ枷ｅｎＦｕｊｉ衄３６１００８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔ髓ｃｔ：ＩＩｌｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｓａｆｅｏｐｅｍｔｉｏｎａｎｄｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｌｕｒｒｙｓｈｉｅｌｄｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｌｌｅｐｅｂｂｌｅｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｔｒａｉｇｈｔｐｉｐｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｎｕｉｄｄｙｎ帅ｉｃｓａｎｄｄｉｓｃｒｅｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｉＴｌｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｐｅｂｂｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｅｂｂｌｅｓｉｚｅａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｇｒａｖｉｔｙｏｆｔｌｌｅｐｅｂｂｌｅｏｎｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｐｒｅｓｓｕｆｅｌｏｓｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｓｌｉｎｅａｒｌｙ讷ｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｐｅｂｂｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｅｒｄｌ帅ｃｅｓｆｉｒｓｔｌｙ龃ｄｒｅｄｕｃｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅ髂ｉｎｇｏｆｐｅｂｂｌｅｓｉｚｅ，ａｎｄｋｅｅｐｓａｌｍｏｓｔｕｎ－ｃｈａＪｌｇｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｏｆｔｈｅｓｐｅｃｍｃ酽ａｖｉｔｙｏｆｔｈｅｐｅｂｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌｕｎ７ｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｊｎｅ；ｓ￡ＩＩａｉｇｈｔｐｉｐｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ１０ｓｓ；ｐｅｂｂｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｊｏｎ；ｐｅｂｂｌｅｓｊｚｅ；ｐｅｂｂｌｅｄｅｎｓｉｔｙ１引言近些年随着国内地下工程的快速发展，盾构机施工技术得到广泛的推广。目前，穿越复杂地层一般会使用到泥水盾构¨。Ｊ，与土压盾构相比泥水盾构施工更为安全，但存在推进速度慢，工程耗费大等问题。环流系统作为泥水盾构输渣的核心系统，其工作是否稳定严重地制约着泥水盾构施工效率以及施工成本。为降低输送能耗，保证工程顺利推进，需研究环流系统管道内压力分布特性，这对于—收稿日期：２０１７０７一１０基金项目：中铁十四局集团有限公司科技发展计划项目（公司科［２０１６］ｏｌ号）作者简介：孙桐林（１９７０一），男，高级工程师，主要从事工程机械施工与管理等工作。泥浆泵选型具有一定的指导意义。目前国内外学者针对管道输送以及压力损失特性开展了一些相关研究。王少勇等Ｍ１搭建实验平台研究了管道尺寸、管道流量、物料粒径等因素对管道压力损失的影响规律；Ｆ．Ｒａｖｅｌｅｔ¨ｏ由实验证明管道压力损失随颗粒粒径的增大而减小，并对相关经验公式进行了修正；万会雄等旧１基于能量守恒原则建立了超长液压管压力损失模型，研究了管道压力损失变“化规律；Ｊｉａｎ等一１使用自制仪器测试密相气力输送，得到颗粒和输送气体的物性指标对颗粒流动特性起到主导作用；庞建明等¨训基于实验测量获得塑料管内的压损系数，研究塑料颗粒运动速铁道建筑技术ＲＡＪＬｗＡｙＣ０￣Ｓ丁只ＵＣ丁ｆ０～陌ＣＨ～０ＬＯＧｙ２ＤＴ７仃ＤＪ７万方数据・科技研究・度对管道压力损失的影响；周知进等¨¨研究了颗粒组分特性对垂直管输送特性的影响，得到输送速度随颗粒粒径的增大而增加；许振良等¨２ｏ通过数值建模，分析了浆体粒径大小对管道压力损失的影响规律；曹斌等¨３。研究粗颗粒堵管现象的影响因素，得到了颗粒粒径和体积浓度是引起管道堵塞的主导因素。在泥水盾构环流系统中，直管长度约占环流系统输送总长的８０％左右，本文以排浆管人口段水平直管为研究对象，采用计算流体力学软件与离散元方法联合仿真，分析卵石浓度、卵石粒径和卵石比重对环流系统管道压力损失特性的影响规律。２数学模型２．１浆液流动模型现有浆液流动模型主要考虑了浆液流动过程中的质量守恒和动量守恒，而对于浆液输送过程中能量耗散以及浆液与卵石相互作用导致的能量交换问题暂不考虑。输送连续性方程：盖（ｐ）＋ｖｇ（ｐｕ）＝ｏ（１）动量守恒方程：周围卵石以及相邻壁面产生碰撞。卵石与浆液作用力主要分为三大部分：（１）与相对运动无关的力，如卵石的重力；（２）卵石与浆液间相对运动产生的作用力，如拖曳力、Ｂａｓｓｅｔ力、Ｍａｇｎｕｓ力；（３）卵石相互碰撞产生的作用力。因此卵石在浆液中的受力平衡方程：ｍ警＝Ｆｇ＋凡＂。＂，＂ｓ＂Ｂ＂Ｍ＂ｃｒ５１’卵石建模如图１所示。２．３几何模型管道长５０００ｒ砌，直径为３００ｍｍ，如图２ａ所示。采用ＩＣＥＭ软件对水平管道模型进行前处理得到六面体结构网格，网格截面如图２ｂ所示。管道模型图１卵石模型（ｄｓ＝３０ｍｍ）采用速度人口，压力出口边界条件，不考虑壁面粗糙度，求解使用ｓＩＭＰＬＥＣ算法，计算精度为１×１０一。∥导（Ｐｕ）＋ｖｇ（ｐｕｕ）：一ｖｐ＋ｖｇ（ｆ）（２）３・管道几何模型６管道网格模型其中，ｐ为液体密度；ｕ为液体流速；ｇ为重力加图２管道仿真模型∥速度；为颗粒体积力；ｖｐ为压力梯度力；Ｖ（ｆ）为３直管压力损失分布规律浆液黏性力。泥水环流系统排浆管道内浆液处于湍流运动状３・１卵石浓度对压力损失影响规律态，结合工程实际情况，选用的湍流模型是ＲＮＧ｜ｊ｝一占为研究卵石浓度对管道压力损失的影响，现分模型，该模型的输送方程如下：别取管道入口卵石浓度Ｃ秽＝０％、１％、５％、８％，卵ａ（础）ａ（ｐ地ｉ）ａｒａ．｜｝、，，¨石粒径ｄ。＝６０ｍｍ，卵石形状系数．ｓｒ２０・４，泥浆浆液—节＋瓦『－２瓦。口ｋｕｅ盯瓦Ｊ＋饥一ｐ８’（ｊ密度ｐ＝１２００ｋｇ／ｍ３，泥浆浆液粘度：２０ｒｎ】Ｐａ．ｓ。由ａ（Ｄ占）“ａ（舻ｉ）ａ，ａｓ，ｃ，ｓ．．ｓ：此得到不同卵石浓度下排浆管压力损失变化规律，—■∽“—彳＋面２瓦ｅＭ鲋瓦ｏ＋ＴｔＬ炉ｉ如图３所示。（４）图３ａ表示不同浓度下排浆管总压力损失变化曲“其中，湍动能产生项Ｇｔ；有效粘性系数ｕ。；ｃ。＝线。由图可知，当管道内卵石浓度较低时，管道内总０．０８４５；口。＝口ｋ＝１．３９；Ｃｔ＝１．４２。压力损失受卵石浓度国影响较小，总压力损失随时２．２卵石运动模型间￡的增加基本不变；随着卵石浓度函进一步增大，卵石作为离散相在管道中运动过程中会与其波动幅度呈现增大趋势，且随着时间￡的增大趋于稳８∞铁道建茨技术ＲＡｆＬＷＡｙ￣Ｓ丁开ＵＣ订０～琵＿ｃＨＮＯＬｏＧｙ２０７７仃ＤＪ万方数据・科技研究・定。当人口卵石浓度勖＝０％、ｌ％、５％、８％，ｔ＝５ｓ时管道内总压力损失分别为２８３０、４１４１、１００３０、１５２０９Ｐａ，对比￡＝１ｓ时管道中总压力损失分别增长０．３％、１７％、４８％、５６％。卵石浓度函＝０％时，管道中总压力损失ｉ。等于浆液摩阻损失ｉ，，即管道中固相摩阻损失ｉ。＝０∥—ｎｍ，与Ｄａｒｃｙｗｅｉｓｂａｃｈ公式估算值相比两者差距较小，由此可得卵石浓度国与管道固相摩阻损失ｉ。的关系，如图３ｂ所示。入口卵石浓度国越大，管道固相摩阻损失ｉ。越大，两者成近似线性关系。卵石浓度对于管道总压力损失而言，其主要作用于固相摩阻损失。当伪＝ｏ％、１％、５％、８％时，固相摩阻损失平均值＝０、Ｏ．０２、０．１２、∥０．２２（ＩＩｍ）。（ｒ州０ｂ．固相摩阻损失图３不同卵石浓度下管道内压力损失变化曲线３．２卵石粒径对压力损失影响规律为研究卵石粒径对管道压力损失的影响，设定管道人口卵石粒径ｄ。＝３０、５０、６０、９０、１１０ｍｍ，得到不同卵石粒径ｄ。下管道总压力损失随时间ｔ的变化曲线，如图４所示。铁道建箭技术ＲＡ『ＬｗＡｙ℃Ｃ０￣Ｓ丁开ＵＣ丁『０～丁￡ＨＮＯＬＯＧｙａ．总压力损失＼Ｏ．１厂《一曩量ｏ｜全：＝一。～０．０５Ｏ．１０Ｏ．１５Ｏ．２０Ｏ．２５Ｏ．３０ｂ．固相摩阻损失图４不同卵石粒径下管道内压力损失变化曲线由图４ａ可知：随着卵石粒径增大，管道总压力损失波动幅度呈现减小趋势，这是因为一定浓度下随着卵石粒径的增大卵石的数量会相应减小，这导致卵石对浆液的影响作用也相应减小。当卵石粒径ｄ。＝３０、５０、６０啪时，由于卵石间体积区别较小，管道内总压力损失的变化规律基本一致，总压力损失随时间的增加而增大并趋于稳定。当ｄ。＝９０、１１０咖时，卵石体积较前者出现较大增幅，同时卵石数量会大大减少，此时管道中压降损以及波动幅度出现下降现象，因此卵石间相互作用对管道内总压力损失存在影响。当ｄ。＝５０却、９０、１１０Ｈ１ＩＩｌ，扛５ｓ时，管道内总压降损分别为３８９８、３９３３、３０１９、２８６ｌＰａ，对比卵石粒径ｄ。＝３０舢时压力损失变化幅度分别为：７％、８％、一１７％、一２１％。由图４ｂ可知：当管道入口卵石浓度一定时，随着卵石粒径取值的增大，管道内固相摩阻损失呈现先增大后减小的趋势，造成该现象的原因主要是由卵石间相互作用引起的，随着卵石粒径的增大卵石间相互作用减小，由此浆液携带卵石所耗费的能量也相应减小。当ｄ。＝３０、５０、６０、９０、１１０ｍｍ时，管道固相平均水头损失ｉ。＝Ｏ．０１６、０．０２１、０．０２２、０．００４、０．０００—６（ｎ／ｍ），从固相水头损失变化曲线的取值大小可看出：在卵石浓度较低的情况下，卵石粒径的变化对管道压力损失几乎没有影响。２Ｄ１７ｆ７０Ｊ９万方数据・科技研究・３．３卵石比重对压力损失影响规律为研究卵石比重对管道压力损失的影响，通过改变卵石比重ｓ＝２６００、２７００、２８００、２９００、３０００ｋｇ／ｍ３，分析卵石比重ｓ对水平排浆直管中的压力分布影响规律。从图５ａ可知，不同卵石比重下管道内总压力损失波动幅度基本一致，随时间的增大逐渐增加并趋于稳定。当卵石比重ｓ＝２．１７、２．２５、２．３３、２．４１、２．５０Ｌ／ｍ３，￡＝５ｓ时，管道内总压降损分别为４１４２、４０６６、４２４５、４２２２、４０４６Ｐａ，对比ｔ＝１ｓ时管道内总压力损失增长幅度分别为１７％、１７．５％、２１％、２２％、１４％。，／Ｓａ．总压力损失２．２２．４颗粒比重ｓｂ．固相摩阻损失图５不同卵石比重下管道内压力损失变化曲线理论上卵石比重ｓ的增大会相应地增加卵石的质量，会导致浆液输送过程中的能量损失增加，本文基于现场实际情况选取的卵石比重在一定程度上反映了该规律，但在该范围内的卵石比重的改变对管道内的总压力损失影响较小。将排浆管中的总的压力损失减去浆液自身引起的摩阻损失ｉ，，得到图５ｂ中卵石比重与管道固相摩阻损失关系曲线，根据关系曲线得到不同卵石比重ｓ下，管道内卵石平均固相摩阻损失为Ｏ．０１７、０．０１８、０．０１９、０．０１９、Ｏ．０１８（ｍ／ｍ），从曲线数值大小和变化幅度上可以判断现有工况下卵石比重的改变对管道固相损失影响较小。４结论本文结合计算流体力学和离散元法建立了泥ｌＯ铁道建贫技术水盾构环流系统中水平直管内卵石运动仿真模型，分析了卵石浓度、卵石粒径和卵石比重对管道压力损失的影响，其结论如下：（１）当卵石浓度低于８％时，管道压力损失随卵石浓度增大呈近线性增大，其固相摩阻损失平均值—在００．２２（ｍ／ｍ）。—（２）卵石粒径在３０１１０ｍｍ，管道压力损失随着卵石粒径的增大呈现先增大后减小的趋势，其固相摩阻损失平均值在０．０００６～０．００４（－ｎ／ｍ）。∥（３）卵石比重ｓ在２．１７～２．５０ｍ３，总压力损失随着卵石比重的增大几乎不变，卵石平均固相摩阻损失在０．０１７～０．０１９（ｍ／ｍ）。建议在泥水盾构挖掘过程中，保证工程安全施工基础上，尽可能降低刀盘推进速度，使管道内卵石浓度在５％左右。参考文献［１］ＦａＩｌｌｕＭｉｎ，ｗｅｉ“ｚｈｕ，ｃｈｅｎｇｎ，ｅｔａ１．Ｏｐ觚ｎｇｔｈｅｅｘｃａ．ｖａｔｉｏｎｃｈａｍｂｅｒｏｆｔｈｅ—ｌａｒｇｅｄｉ踟ｅｔｅｒｓｉｚｅｓｌｕｎｙｓｈｉｅｌｄ：Ａｃ踮ｅｓｔｕｄｙｉｎＮａｎｊｉｎｇＹａｎｇｔｚｅＲｉｖｅｒＴｕ妯ｅｌｉｎｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｔｕ加ｅｌｌｉｎｇ趾ｄＵｎｄｅ印ｕｎｄＳｐａｃｅ７ｋｈｎ０１０科，２０１５（４６）：１８一刀．［２］刘亚辉．新建盾构隧道穿越铁路应用技术［Ｊ］．铁道—建筑技术，２０１５（１２）：６７７０．［３］孙立建．浅覆土大粒径无水砂卵石地层盾构施工技术—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：６９７６．［４］牛会勤．浅析工程地质分析在盾构施工中的重要性—［Ｊ］．铁道建筑技术，２００９（９）：１２７１３１．［５］史佩栋．日本盾构技术的新进展［Ｊ］．铁道建筑技术，—１９９６（１）：１７２１．［６］王少勇，吴爱祥，尹升华，等．膏体料浆管道输送压力—损失的影响因素［Ｊ］．工程科学学报，２０１５（１）：７１２．［７］ＲａｖｅｌｅｔＦ，ＢａｋｉｒＦ，Ｋｈｅｌｌａｄｉｓ，ｅｔａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｎ．ａｎｓｐｏｒｔｏｆＩａｒｇｅｐａｎｉｃｌｅｓｉｎｈ硎ｚｏｎｔａｌｐｉｐｅｓ［Ｊ］．Ｅ）（ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ’１Ｉｌｅ肌ａｌ锄ｄｎｕｉｄｓｃｉｅｎｃｅ，２０１３（４５）：１８７一１９７．［８］万会雄，黄辉，黄海波．超长液压管道压力损失的计—算与试验分析［Ｊ］．液压与气动，２００９（１０）：２３２５．［９］“Ｊ，ＦｕＦ，Ｌｉｓ，ｅｔａ１．Ｖｅｌｏｃｉｔｙｃｈａ瑚【ｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｄｅｎｓｅｐｈａｓｅⅡｐｎｅｕｌａｔｉｃａＵｙｃｏｎｖｅｙｅｄｓｏｌｉｄｐａＩｔｉｃｌｅｓｉｎｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｐｉｐｅｌｉｎｅｔ１１Ｉ．ｏｕｇＩｌ锄ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓｅｎｓｏｒ［Ｊ］．Ｉｎ．ｔｅｍａｔｉｏｎａｌＪｏ哪ａｌｏｆＭｕｌｔｉｐｈａｓｅ—ｎｏｗ，２０１５（７６）：１９８２１１．（下转第４９页）ＲＡＩＬＷＡＹｃＯＮｓＴＲＵＣＴｔｏＮＴＥｃＨＮＯＬｏＧＹ２０１７１１０ｌ１ＯＯ一暑＼暑一＼《辱水某。～万方数据万方数据