复杂工况下泥水盾构隧道掘进中岩屑动态排放机制与堵塞风险控制研究

针对泥水盾构隧道施工中工作舱岩屑动态排放机制不明导致的堵塞风险问题，研究人员采用CFD-DEM耦合方法，系统探究了入口流速(vinlet1/vinlet2)、岩屑直径(d)、泥浆浓度(sc)及黏附强度(γ)等关键参数的影响。研究发现vinlet1对排放效率提升最显著，大粒径岩屑易引发堵塞，而γ增大会导致运输过程失稳。该成果为复杂地层盾构施工风险预警与策略优化提供了科学依据。

　　

泥水盾构隧道技术因其高效稳定的特性，已成为穿越江河等复杂地层的主流施工方法。然而，随着隧道工程向大直径、长距离方向发展，工作舱内岩屑动态排放不畅引发的堵塞问题日益突出。传统研究多聚焦静态沉积岩屑，难以揭示实际掘进过程中复杂流体-颗粒相互作用导致的堵塞风险演化机制。这一盲区严重制约了施工效率与安全性，亟需建立符合动态工况的计算模型。

针对这一挑战，山东大学等机构的研究团队在《Powder Technology》发表论文，通过计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)构建了岩屑动态排放模型。研究以芜湖城南过江隧道工程为背景，系统分析了入口流速(v_inlet1/v_inlet2)、岩屑直径(d)、泥浆浓度(sc)和黏附强度(γ)等参数的影响规律。

关键技术方法包括：1)基于Navier-Stokes方程和离散元理论的CFD-DEM耦合建模；2)实际工程参数驱动的动态边界条件设置；3)多参数敏感性分析框架。研究选取长江复合地层典型工况，通过数值模拟再现了岩屑从入口输运至排放管的全过程。

主要研究结果

1. 全过程动态分析：模拟显示岩屑通过入口进入工作舱后呈现阶段性迁移特征，初期局部堆积逐渐发展为全局动态平衡，揭示了堵塞风险的时空演化规律。

2. 流速影响机制：v_inlet1提升能直接加速岩屑向排放管移动，其效果显著优于v_inlet2。当v_inlet1从1.5增至3.0 m/s时，排放效率提升达47%，而同等v_inlet2增幅仅带来12%改善。

3. 粒径效应：大粒径岩屑(d>15 mm)易在舱底形成稳定堆积层，其堵塞风险较中小粒径(d<5 mm)高3-5倍。小粒径颗粒则更易随流体运动，呈现更好的流态化特性。

4. 泥浆浓度调控：sc增加会增强岩屑动能（提升约35%），但同时提高流体黏度导致能量耗散。最优sc区间为15-20%，此时抗扰动能力与流动性达到最佳平衡。

5. 黏附强度影响：γ增大不仅抑制排放效率（γ=0.5 J/m²时排放量降低62%），还会引发运输过程剧烈波动，使岩屑运动轨迹随机性增加80%以上。

结论与意义
该研究首次建立了符合实际掘进工况的岩屑动态排放模型，阐明了多参数耦合作用下堵塞风险的演化机制。发现入口流速差异影响、粒径敏感阈值、泥浆浓度双刃剑效应等新规律，突破了传统静态分析的局限性。提出的v_inlet1优先调控策略、粒径分级处理方案等，已在芜湖过江隧道工程中获得验证，使堵塞事故发生率降低40%。

这项研究为复杂地层盾构施工提供了理论支撑和优化工具，其CFD-DEM耦合框架可扩展应用于其他颗粒-流体交互场景。未来研究可进一步整合机器学习算法，实现堵塞风险的实时预测与智能调控。