Analiza sprzężenia CFD-DEM rozładunku urobku ślimaka TBM typu EPB w wodonośnych warstwach piaszczysto-kamienistych

Bezpieczne drążenie tuneli w wilgotnym, kamienistym gruncie

W miarę rozbudowy sieci metra inżynierowie coraz częściej muszą przeciskać tunele przez zdradliwe podłoże: warstwy luźnego piasku, kamieni wielkości pięści i wysokociśnieniowe wody gruntowe. W takich warunkach gigantyczne maszyny tarczowe typu „earth pressure balance” (równoważenie ciśnienia gruntu), które zwykle tną ziemię gładko, mogą nagle zacząć wyrzucać mulistą wodę, zaciąć się albo ulegać silnemu zużyciu. Badanie wyjaśnia, dlaczego problemy te pojawiają się w przenośniku ślimakowym — wewnętrznej „windzie urobku” maszyny — i pokazuje, jak nowy model komputerowy może przewidzieć niebezpieczne wyrzuty i ukryte zużycie, zanim zagrożą realizacji robót.

Dlaczego ta ukryta część maszyny ma znaczenie

W osłonie TBM z równoważeniem ciśnienia obrotowy tarczownica skrobie grunt z czoła tunelu do zamkniętej komory. Stąd długi metalowy przenośnik ślimakowy dawkowo wydala wymieszaną masę ziemi, kamieni i wody na zewnątrz. Poprzez precyzyjne sterowanie prędkością obrotową ślimaka operatorzy utrzymują ciśnienie przy czole tunelu na odpowiednim poziomie, aby teren nad ulicami miasta ani się nie zapadał, ani nie wybrzuszał. W wodonośnym, piaszczysto-kamienistym podłożu grunt jest jednak słabo uziarniony i wysoce przepuszczalny. Duże kamienie mogą zablokować ślimak, podczas gdy szybko przemieszczająca się woda gruntowa przecieka przez szczeliny, osłabiając uszczelniający efekt urobku. Skutkiem jest delikatna gra równowagi: transportować materiał wydajnie, kontrolować wodę i unikać rozdrabniania ślimaka na elementy.

Bliższe spojrzenie do strumienia urobku

Wcześniejsze symulacje traktowały urobek albo jako płyn, albo jako stos suchych cząstek, przez co pomijały rzeczywistą interakcję między rwącą wodą gruntową a przemieszczającymi się kamieniami. To badanie łączy oba podejścia w jednym dwukierunkowym modelu. Woda jest opisywana metodami dynamiki płynów obliczeniowej (CFD), które obliczają jej przepływ i zmiany ciśnienia wzdłuż ślimaka. Głazy i ziarna gruntu traktowane są jako pojedyncze cząstki w modelu elementów dyskretnych (DEM), który śledzi ich zderzenia, tarcie i toczenie. Obie części stale wymieniają informacje: woda oddziałuje siłowo na cząstki, a cząstki z kolei blokują i przekierowują przepływ. Model oparto na realnym projekcie — linii nowego lotniska metra w Pekinie — i starannie skalibrowano przy użyciu badań laboratoryjnych na wilgotnych glebach kamienistych oraz danych polowych dotyczących ciśnienia i momentu obrotowego zmierzonych na pracującej maszynie.

Jak ciśnienie wody przechyla układ

Za pomocą tego sprzężonego modelu autorzy zbadali, co się dzieje, gdy rośnie ciśnienie wód gruntowych przy utrzymanym stałym ciśnieniu gruntowym przy wlocie ślimaka. Wprowadzili prosty wskaźnik, „stosunek ciśnienia wody do ciśnienia gruntu”, zdefiniowany jako ciśnienie wody podzielone przez ciśnienie gruntowe. Gdy ten stosunek utrzymywał się w przedziale około 0,24–0,48, ciśnienie wzdłuż ślimaka spadało płynnie w kierunku wylotu, a ilość wydalanego materiału odpowiadała klasycznym obliczeniom projektowym. Urobek zachowywał się jak gęsta zatyczka, która jednocześnie uszczelniała ciśnienie i poruszała się równomiernie. Jednak gdy stosunek wzrósł do 0,56 — odpowiadając wyższemu poziomowi wód — obraz się zmienił. Woda zaczęła wymywać drobne cząstki z przestrzeni między dużymi głazami, powodując segregację materiału. Kanał ślimaka przestał się właściwie wypełniać i chociaż mieszanina poruszała się ogólnie szybciej, objętość przenoszonych stałych cząstek spadła do około jednej piątej oczekiwanej wartości.

Ukryte ścieżki przepływu i nierównomierne zużycie

Symulacje ujawniły również, jak siły i zużycie koncentrują się wewnątrz maszyny. Na dnie komory wykopowej uformowała się wachlarzowa „strefa przepływu preferencyjnego” w pobliżu wlotu ślimaka, gdzie cząstki napływały do przenośnika intensywniej niż w innych miejscach. Ciśnienie w tej strefie zawaliło się do niewielkiej części wartości początkowej, tworząc kieszeń aktywnego ciśnienia gruntowego, która mogłaby niekontrolowanie wysysać ziemię z czoła tunelu, jeśli otwory tarczownicy są zbyt duże. Wzdłuż trzonu ślimaka zużycie nie osiągało szczytu w jednym miejscu, lecz przyjmowało „podwójny szczyt w trzech etapach”: bardzo silne zużycie udarowe tuż przy wlocie, drugi, łagodniejszy lecz utrzymujący się szczyt tarciowy kilka metrów dalej, a następnie malejące zużycie w kierunku wylotu. Wzorzec ten wynika z faktu, że cząstki uderzają w ślimak przy pierwszym wejściu, następnie osiadają w stanie stałego ślizgu w środkowej części, a w końcu tracą energię blisko wylotu.

Od komputerowych wglądów do bezpieczniejszych tuneli

Dla wykonawców tuneli wnioski te przekładają się na praktyczne wskazówki. Stosunek ciśnienia wody do ciśnienia gruntu wynoszący 0,56 działa jak wyraźny wczesny próg ostrzegawczy: gdy stosunek zbliża się do tej wartości, operatorzy powinni obserwować oznaki zmniejszonego wypełnienia i segregacji cząstek, zamiast czekać na dramatyczny wyrzut. Projektanci mogą wzmocnić przenośnik ślimakowy w miejscach, gdzie model przewiduje dwa szczyty zużycia, stosując twardsze materiały lub wymienne wykładziny przy wlocie i w środkowym odcinku, zamiast nadmiernie wytrzymałej konstrukcji na całą długość. A poprzez dostosowanie rozmiarów otworów tarczownicy wokół strefy przepływu preferencyjnego można zmniejszyć ryzyko nierównomiernego obciążenia przy czole tunelu. Razem te spostrzeżenia pokazują, jak szczegółowy obraz kamieni i wody przemieszczających się przez stalowy ślimak może pomóc uczynić głębokie drążenie tuneli w miastach bezpieczniejszym, bardziej wydajnym i bardziej przewidywalnym.

Cytowanie: Guo, C., Liu, G., Wang, X. et al. CFD-DEM coupling analysis of EPB screw conveyor muck discharge in water-rich sandy cobble strata. Sci Rep 16, 12407 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41903-7

Słowa kluczowe: tarcza, przenośnik ślimakowy, wodonośne warstwy piaszczysto-kamieniste, symulacja CFD-DEM, przebicie tunelu