一种针对泥浆盾构机刀盘冲刷系统的新优化设计方法：从局部到整体

《Powder Technology》：A new optimized design method for the cutterhead scouring system of a slurry shield: From local to global

　　刘金辉|王涵|丁万涛|王成振|王志成
山东交通大学交通运输与土木工程学院，中国山东省济南市250002

**摘要**
在使用泥浆盾构机挖掘粘土层时，切割头容易受到泥饼的粘附和堆积影响。冲刷系统在减轻切割头堵塞风险方面起着关键作用。为了提高冲刷系统的性能，本研究提出了一个优化框架，该框架采用CFD-DEM方法，整合了局部和全局尺度上的协同机制。通过将泥饼的强度特性纳入分析，该框架能够进行定量的堵塞风险评估。研究结果表明，冲刷速度（v）与泥饼脱离性能之间存在明显的阈值响应关系，本研究中确定的泥饼临界脱离速度为5 m/s。增加冲刷距离（L）并不能完全防止泥饼的去除，但会显著延迟脱离开始的时间。在早期粘附阶段及时进行冲刷可以减轻后续泥饼去除的难度。泥饼内部粘附强度的增加（用γ1表示）会显著延缓脱离过程；例如，当γ1从15 J/m2增加到35 J/m2时，脱离时间延长了76.9%。相比之下，泥饼与切割头之间的粘附强度增加（用γ2/γ1表示）只会放大二次粘附效应。从切割头中心向外进行的冲刷能够形成最大比例的低风险区域（36.4%），而仅依靠提高v来提高去除效率存在局限性。这些发现为优化泥浆盾构机的冲刷系统提供了宝贵的见解。

**引言**
由于机械化程度高、适应不同地质层的能力强以及卓越的挖掘效率，泥浆盾构已成为跨河和跨海隧道工程中最广泛采用的施工方法之一[1][2]。然而，在复杂的地质环境中，切割头堵塞已成为一个频繁且严重的问题，对施工安全和运营效率构成重大威胁。特别是在高凝聚力和高含水量地层中，粘土容易在切割头上堆积并固化，最终形成覆盖整个切割头的厚泥饼，如图1所示。这不仅降低了切割头的开口比率，显著减缓了挖掘速度，还会导致诸如泥浆排放管堵塞和挖掘面不稳定等严重工程问题[3][4][5]。因此，开发有效的泥饼去除方法对于确保泥浆盾构隧道施工的安全和进度具有重要的工程和经济价值[6]。

现有研究提出了多种泥饼去除策略。其中一些研究人员通过添加化学改性剂来降低泥饼的粘附强度，从而促进其分解。例如，Fang等人[7]和Yan等人[8]研究了不同化学改性剂对泥饼分解速率的影响。他们的研究发现，增加草酸和六偏磷酸钠的浓度可以加速分解过程，且当浓度超过某个临界值时效果更为明显。值得注意的是，湿润-干燥循环与化学处理之间也存在协同效应。Xu等人[9]发现，当泡沫改性剂达到临界剂量时，渗透阻力和扭矩均显著降低，证实了泡沫改性剂对土壤-切割头界面的机械行为的有益影响。Fang等人[10]研究了蒙脱石、高岭石和伊利石对土壤-金属界面粘附特性的影响，确定接触角是量化粘附强度的关键参数，并发现阴离子表面活性剂最能有效降低蒙脱石的界面强度。Zhao等人[11]表明，在泥浆中添加适量的分散剂可以同时满足保持泥浆膜质量和最小化粘附风险的要求，从而实现施工的双重目的，并确定了最佳分散剂用量以获得最佳性能，同时强调了泥浆粘度在减轻粘附中的关键作用。Liu等人的实验结果[12]表明，聚丙烯酸钠可以通过吸附作用降低粘土的ζ电位，从而显著增加总排斥能量的峰值，使泥饼更具流动性，便于在泥浆循环过程中有效去除。尽管先前的研究通过实验证明了化学添加剂在减轻堵塞风险方面的积极作用，但这些方法在实际应用中面临重大挑战。首先，大量材料的使用会导致显著的经济效率低下。具体来说，在直径为15米的泥浆盾构隧道中，泥浆循环速率可达到2000 m3/h，即使添加量仅为1-2%，长期隧道施工中的相关成本也会成为重大财务负担。其次，所使用的化学物质通常具有环境危害：许多化学物质具有毒性，且其较差的生物降解性可能导致生态污染。这些因素共同限制了化学添加剂在工程项目中的大规模实际应用。

在实际工程中，也常使用物理冲刷方法来去除泥饼。该方法利用安装在切割头上的冲刷系统，通过高压流体作为能量载体来分解或去除泥饼，类似于水射流的作用。这项技术已广泛应用于采矿和深海资源勘探[13][14][15]。实验表明，Dong等人[16]发现粘土的侵蚀阻力随含水量的增加而先增加后减少。他们利用量纲分析推导出了预测冲刷深度和宽度的公式。Qiu等人[17]基于普朗特理论开发了一个计算射流深度的理论模型，该模型比基于量纲分析得出的经验公式提供了更清晰的物理解释，并阐明了射流过程中的缩颈效应机制。Ji等人[18]提出，在相同流速下，较小的喷嘴直径有助于增加土壤切割深度，这一原理也适用于岩石[19][20]。Sang等人[21]发现土壤侵蚀特性与含水量之间存在显著相关性，侵蚀机制主要由拉伸破坏而非剪切破坏控制，这与Kim等人[22]提出的剪切强度主导机制相矛盾。这种差异可能是由于所用土壤的物理和化学性质不同所致，表明土壤冲刷机制需要进一步研究。Wang等人的实验结果[23]表明，随着甲烷水合物饱和度的增加，临界射流速度也随之增加，这促使人们开发了计算射流破裂速度的模型。在此基础上，Zhang等人[24]考虑了喷嘴运动的影响，并提出了一种描述侵蚀界面形状的方法。此外，Zhang等人[25]比较了单排和双排射流条件下的侵蚀特性，强调射流速度与运动速度的比率是决定侵蚀深度的主要因素。

随着计算科学的快速发展，数值模拟逐渐成为研究流体-固体相互作用机制的重要方法。与传统实验方法相比，数值模拟能够捕捉实验中难以直接观察的微观信息，并有效模拟复杂的边界条件。这一优势在诸如水射流这样的瞬态过程中尤为显著。CFD-DEM和SPH-DEM方法常用于模拟流体对固体的影响。这两种方法分别依赖于粒子-网格混合离散化和欧拉-拉格朗日框架耦合。Li等人[26]研究了异质岩石的侵蚀特性，发现射流优先沿着强度较弱的接触界面传播，形成破坏性通道。Xiao等人[27]发现，在相同的冲击能量条件下，脉冲射流具有更好的破碎效果，这归因于它们能够更有效地激发水锤效应，产生更大的剪切和拉伸应力。Zuo等人[28]通过CFD-DEM证实，增加冲击角有助于提高破碎效率。此外，为了充分利用射流的膨胀效应，建议适当延长射流距离。Xiao等人[29]得出结论，随着压实强度的增加，泥饼变得更难去除，并总结了泥饼粘附强度与临界脱离速度之间的关系。尽管SPH-FEM和CFD-DEM方法都能反映流体冲击下固体的侵蚀或破坏行为，但材料输入参数的有效性直接决定了模拟结果的准确性。这两种方法在参数校准的难度上存在显著差异。SPH-FEM依赖于连续介质强度准则（如RHT和HJC本构模型）来确定材料参数[30][31]，这些参数众多且物理含义不明确，需要繁琐的数值实验或反演分析，从而导致校准过程主观性和局限性较大。相比之下，CFD-DEM参数来源于标准的岩土工程测试（如休止角测量、直剪试验和单轴压缩试验[32][33]），具有明确的物理含义和标准化的校准程序。图2全面比较了这两种方法的特性。显然，CFD-DEM方法在模拟具有不同力学特性的土壤的侵蚀特性方面具有优势，使其成为后续研究的首选数值方法。

尽管上述研究在相关工程实践中取得了积极成果，但需要强调的是，泥浆盾构隧道中切割头冲刷的独特性在于冲刷参数与泥饼强度特性之间的适当匹配。例如，如果冲刷速度过低，泥饼去除效率将不足。因此，必须确保冲刷速度不低于泥饼脱离的临界速度[29]。虽然现有研究已经对切割头冲刷系统的有效性进行了初步探索，例如Xia等人[34]使用动态压力等参数评估了切割头附近的流动性，并分析了不同冲刷条件下的关键性能指标演变，但这些研究主要提供了不同因素影响的定性比较。然而，由于它们没有考虑泥饼脱离的临界条件，因此仍无法定量评估各种地质条件下的堵塞风险。此外，当前冲刷系统的设计主要依赖于制造商的经验，在确定关键参数（如冲刷方向和速度）方面仍存在较大不确定性。

为了解决现有研究的局限性，本研究提出了一个结合局部和全局视角的冲刷系统优化框架。首先，使用CFD-DEM耦合方法开发了一个局部泥饼冲刷模型。随后，系统研究了常见工程条件对泥饼冲刷性能的影响，并确定了临界脱离速度。最后，评估了冲刷过程中切割头附近的流场分布特性，并定量评估了不同冲刷参数下的泥饼去除效果。这些发现为评估泥浆盾构隧道中切割头堵塞风险和优化冲刷系统提供了宝贵的见解。

**工程背景**
南城跨河隧道位于安徽省芜湖市（31.3°N, 118.3°E），挖掘直径为15米，采用泥浆盾构机施工。该隧道在连接主要城区和新城区方面发挥着关键作用，穿越长江，如图3所示。隧道总长度约为6公里，其中盾构隧道段超过4公里。河床段的最小覆盖层厚度仅为12米。

**技术框架**
切割头上泥饼的粘附特性受其局部冲刷特性与全局流场分布的协同作用影响。基于此，提出了一个技术框架（图4），包括两个主要组成部分。第一个组成部分关注粘附在切割头上的泥饼（局部），主要研究其在不同条件下的脱离特性，目的是确定临界...

**流体相建模**
在本研究中，使用FLUNT和EDEM两个商业软件程序实现了CFD-DEM耦合。对于流体，其压力和速度必须满足以下条件：
??tαfρf + ??αfρfuf = 0
??tαfρfuf + ??αfρfuf = ?αf?P + ??αfτf + αfρfg ? S
其中 αf、ρf、uf 和 τf 分别代表体积比、密度、速度和剪切应力。▽P 是压力梯度。

**颗粒相建模**
颗粒的基本方程需要满足方程 (3) 和 (4)：
midup,idt = ∑j=1n fn,ij + ft,ij + mpg + fd,i + fl,i + fp,i + fv,iIpd

**模型描述**
使用 CFD-DEM 耦合方法开发了一种泥饼冲刷模型。该泥饼由总共 23,693 个颗粒组成。由于在正常情况下泥饼通常不会自行脱落，因此排除了重力效应，以提高观察和分析的清晰度 [29]。冲刷管被配置为速度入口，右侧边界定义为压力出口。JKR 接触模型被用来模拟颗粒之间的粘附特性。

**泥饼冲刷行为分析**
本研究主要探讨了六个参数——v、L、D、H、γ? 和 γ?/γ?——对冲刷行为的影响。需要注意的是，为了增强研究结论的普遍适用性，在参数分析过程中，泥饼的大小被定义为冲刷管直径的倍数。此外，γ?/γ? 的比值被用来标准化并表示 γ? 的相对大小。实验设计采用单变量控制方法，即只考虑一个参数。

**切削头附近流场分布特性分析**
在上一章中对泥饼的冲刷特性进行了系统研究。然而，这还不足以优化冲刷系统，因为仅关注局部冲刷特性无法完全反映实际工程中泥饼对切削头的整体粘附情况。本节将进一步结合不同工况下的流场分布特性，以更全面地评估切削头堵塞风险。

**讨论**
本研究将泥饼的冲刷行为与切削头附近的流场特性结合起来，提出了一个从局部到全局视角的冲刷系统优化框架，从而便于定量评估切削头堵塞风险。然而，仍存在一些局限性，需要进一步研究和改进。由于计算能力的限制，本研究主要探讨了泥饼的冲刷行为。

**结论**
为了降低泥浆盾构隧道施工过程中由于泥饼过度粘附导致的切削头堵塞风险，本研究全面考虑了泥饼的冲刷行为以及切削头附近的流场分布特性。提出了一个创新的冲刷系统优化框架，强调了从局部到全局尺度的协同作用。该框架的核心优势在于其能够整合泥饼的强度特性。

**CRediT 作者贡献声明**
刘金辉：研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
王涵：方法论、资金获取、正式分析、数据管理。
丁万涛：项目管理、正式分析、数据管理、概念化。
王成珍：项目管理、方法论。
王志成：方法论、研究。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者非常感谢国家自然科学基金（项目编号 52278403）和山东省自然科学基金（项目编号 ZR2021ME135）的财政支持。