基于CFD-DEM方法的泥水平衡盾构排屑效率影响因素敏感度

泥水平衡盾构机气垫仓内岩屑的快速排出对于保证施工安全和提高掘进效率至关重要,已有研究主要集中在岩屑在排浆管中运输的运动特性,而从气垫仓进入排浆管直至排出的完整过程却往往被忽略,因此现有研究对于指导实际工程还存在局限性。基于CFD-DEM(computational fluid dynamics-discrete element method)计算流体力学-离散单元耦合计算方法并结合实际工程建立了可以完整反映气垫仓内岩屑排出的数值计算模型,对比了不同冲刷管布设情况下(垂直距离h1、水平距离h_(2)和转角β)岩屑的排出情况,总结了不同因素对岩屑排出率的敏感度。研究结果表明排出率随着h1的增加而减小,随着h_(2)和β的增加而增加,三个因素的平均敏感度排序从大到小依次为h1(1.6)>h_(2)(0.79)>β(0.61),因此在实际工程中降低冲刷管高度是提高岩屑率最有效的措施。研究结果可为优化冲刷管的布设和制定相关施工措施提供实用参考。

基于BP修正流变模型的泥水盾构泥浆流动模型开发及应用

为提高泥水盾构泥浆成膜质量,维持开挖面稳定性,在泥浆参数设计时,往往需要准确预测膨润土泥浆的流体动力学特征。针对目前泥水盾构泥浆流动模型求解过程中数值发散及计算参数严重依赖经验取值的问题,开展不同膨润土含量下泥浆流变室内试验;基于试验结果,将Bingham-Papanastasiou(BP)修正流变模型嵌入到计算流体动力学(CFD)框架下,开发一种用于泥浆流动模拟的优化数值方法,并通过开展平板间Bingham流体的泊肃叶流动数值模拟,验证该数值方法的有效性和准确性;之后建立泥浆三维管道流数值模型,探究不同流变参数影响下泥浆的管流特征。结果表明:随着膨润土含量的增加,泥浆的屈服应力与稠度系数等流变参数值呈现上升趋势;而流变参数的提高均会使泥浆在地层渗透时产生更多的能量损耗,随着稠度系数k从0.1 Pa·s增大到0.75 Pa·s,压降提高6.21 kPa,此时可以更好地维持泥浆压力的有效转化,提高泥浆成膜质量。

越海泥水盾构隧道泥浆流变特征试验研究

针对目前不同因素作用下海水泥浆流变特征及流变方程不明的问题,选取两种典型的增黏剂开展一系列室内流变试验,探究不同增黏剂含量及环境温度对海水泥浆流变参数的影响规律,并从微观层面揭示泥浆流变参数变化机理。结果表明:相较于羧甲基纤维素钠(CMC),同等含量的增黏剂聚阴离子纤维素(PAC)具有更好的海水泥浆流动性增强效果,可显著提升泥浆黏度和物理稳定性,含0.4%PAC、12%钠基膨润土的海水泥浆的黏度有较大程度提升;不同PAC含量下海水泥浆流动模式均符合幂律模型,且随温度的升高,其稠度系数k和流变指数n分别呈下降和增加趋势;微观角度上,增黏剂分子链上的羟基与膨润土颗粒之间相互作用形成分子内氢键,是增黏剂起到增强泥浆流动性作用的主要原因。

泥浆和岩渣特性对泥水平衡盾构气垫舱岩渣排出规律影响研究

泥水平衡盾构机气垫舱内岩渣的快速排出对于保证施工安全和提高掘进效率至关重要,为探究不同泥浆和岩渣特性对岩渣排出的影响,基于CFD-DEM耦合计算方法并结合实际工程建立可以完整反映气垫舱内岩渣排出的数值计算模型,探究不同泥浆膨润土含量、岩渣直径(d)和形状系数(Sf)条件下岩渣排出规律,分析不同因素对结果影响的程度。结果表明:随着泥浆中膨润土含量从8%增加至16%时,岩渣排出率从10.0%增加至21.9%;直径大的岩渣更不易被排出,随着岩渣直径从20 mm增加至40 mm时,排出率从14.4%降低至7.9%,这归因于直径大的岩渣起动需要更高的泥浆流速;由于岩渣的滚动趋势随着形状系数的减小而降低,因此形状系数小的岩渣无法通过滚动的方式直接排出,当形状系数从1减小至0.6时,排出率降低了约59.5%。