为解决盾构穿越富水砂质地层时盾尾密封失效所引发的开挖面稳定性不足,隧道结构自身承载力差和隧道易渗漏等一系列工程问题,依托南昌轨道交通四号线盾构隧道交通工程,开展盾尾密封流体动力学研究,分析盾尾油脂在盾尾密封装置中的流动规律并通过油脂流动的压力场、速率场及体积相分布对其进行探究。数据表明:在加压瞬间,盾尾密封油脂与高压水有较为整齐的交界面。随着盾尾泄漏程度不断加大,速率峰值点由入口上端转移至尾刷处,且随着水压进一步入侵,速率影响范围进一步加大;压力分布模式也由初始均匀扩散向压力稳定分布转移,且高压区与低压区之间存在明显的多孔介质压力过渡区。

为了研究盾尾密封系统中盾尾密封刷的磨损现象,分析磨损对其密封性能的影响,并根据影响规律提出盾尾刷磨损判据。基于多孔介质理论,构建CFD模型,研究不同磨损情况下的盾尾刷对油脂腔压力、油脂泄漏量的影响,提出盾尾密封刷磨损判据。结果表明,同样的注脂压力下随着掘进距离的增加,当油脂腔内压力逐渐降低时,磨损正在发生。若油脂腔内压力下降为初始值的75%或油脂泄漏率持续升高达到初始泄漏率的3倍以上时,盾尾刷已经磨损而失去密封能力,需要及时更换。

盾尾密封系统的防水密封性能是影响盾构施工安全的重要因素,为分析其防水失效特性,设计了盾尾密封系统室内模型试验,并基于计算流体力学建立了对应的盾尾密封系统仿真模型。分析了在外部水压侵入过程中水油两相流体的体积分布、压力场和速度场变化,探究了盾尾结构参数、尾刷参数、油脂参数对密封性能的影响规律。结果表明:增加盾尾刷道数可有效提升防水能力;在防水失效过程中,在盾尾刷处出现流速的峰值点,流速的扩展分布与水侵入的体积分布具有一致性;盾尾刷渗透率、油脂粘度是影响初始漏水时间的敏感性因素;通过减小盾尾刷渗透率、增大油脂粘度,可有效延迟初始漏水时间,提升盾尾密封系统防水能力。