Анализ CFD-DEM сцепления при разгрузке грунта шнековым конвейером ЭПБ в водонасыщенных песчано-валунных слоях

Безопасная проходка в сырых, каменистых грунтах

По мере расширения городских метро инженерам всё чаще приходится прокладывать тоннели через коварные грунты: слои рыхлого песка, валуны размером с кулак и насыщенные под давлением грунтовые воды. В таких условиях гигантские щитовые установки с балансом давления земляного пласта, которые обычно режут землю плавно, могут внезапно выпустить поток мутной воды, заглохнуть или подвергнуться серьёзному износу. В этом исследовании объясняется, почему такие проблемы возникают в шнековом конвейере — внутреннем «лифте» для грунта машины — и показано, как новая компьютерная модель может предсказать опасные прорывы и скрытый износ до того, как они угрожают проекту.

Почему эта скрытая деталь важна

Внутри щита с балансом давления ротирующий режущий головной барабан соскребает грунт с забоя в герметичную камеру. Оттуда длинный металлический шнековый конвейер дозирует извлечённую смесь грунта, валунов и воды наружу. Тщательно регулируя скорость вращения шнека, операторы поддерживают давление у забоя так, чтобы земля под городскими улицами ни просаживалась, ни вздутиялись. Однако в водонасыщенных песчано-валунных грунтах материал плохо сортирован и сильно проницаем. Крупные камни могут заклинивать шнек, а быстро движущаяся грунтовая вода просачивается через зазоры, снижая герметичность грязевой массы. В результате получается тонкий баланс: перемещать материал эффективно, сдерживать воду и избегать интенсивного износа шнека.

Более пристальный взгляд на поток грунта

Предыдущие моделирования рассматривали грунтовую массу либо как жидкость, либо как груду сухих частиц, и поэтому не фиксировали истинное взаимодействие между стремительной грунтовой водой и движущимися камнями. В этом исследовании обе точки зрения объединены в одну двунаправленную модель. Вода описывается методом вычислительной гидродинамики (CFD), который рассчитывает её поток и изменение давления вдоль шнека. Валуны и зерна грунта рассматриваются как отдельные частицы в дискретной элементной модели (DEM), отслеживающей их столкновения, трение и качение. Обе части постоянно обмениваются информацией: вода давит на частицы, а частицы в свою очередь блокируют и перенаправляют воду. Модель основана на реальном проекте — линии метро «Новый аэропорт» в Пекине — и была тщательно настроена с помощью лабораторных испытаний влажных валунных грунтов, а также полевых данных по давлению и крутящему моменту, снятым с работающей машины.

Как гидростатическое давление качает систему

С помощью этой связанной модели авторы изучили, что происходит при повышении давления грунтовой воды при постоянном давлении земляного пластa у входа шнека. Они ввели простой показатель — «коэффициент водо‑грунтового давления», определяемый как отношение давления воды к давлению грунта. Когда этот коэффициент оставался в пределах примерно 0,24–0,48, давление вдоль шнека плавно уменьшалось к выпускному отверстию, а объём выносимого материала соответствовал классическим расчётам. Грязевая масса вела себя как плотная пробка, одновременно удерживая давление и перемещаясь равномерно. Но при повышении коэффициента до 0,56 — что соответствует более высокому уровню грунтовых вод — картина изменилась. Вода начала вымывать мелкие частицы из междуклапанных зазоров крупных валунов, вызывая сегрегацию материала. Канал шнека перестал правильно заполняться, и хотя смесь в целом двигалась быстрее, объём твёрдой массы, выносимой наружу, упал примерно до одной пятой ожидаемого значения.

Скрытые пути течения и неравномерный износ

Моделирование также выявило, как внутри машины концентрируются силы и износ. У дна камеры экскавации в виде веера сформировалась «зона предпочтительного потока» у входа в шнек, где частицы направлялись к конвейеру интенсивнее, чем в остальной части камеры. Давление в этой зоне уменьшилось до небольшой доли от исходного значения, образовав карман активного давления грунта, который при слишком крупных отверстиях режущего барабана мог бы неуправляемо втягивать грунт с забоя. Вдоль вала шнека износ не имел единой точки максимума, а следовал «двухпиковому, трёхфазному» шаблону: очень сильный ударный износ непосредственно у входа, второй, более мягкий но постоянный пик трения на несколько метров дальше и затем затухание износа к выпуску. Этот рисунок возникает потому, что частицы сначала врезаются в шнек при входе, затем переходят в устойчивое скользящее контактное движение в средней части и, наконец, теряют энергию ближе к выпуску.

От компьютерных выводов к более безопасной проходке

Для строителей тоннелей эти результаты превращаются в практические рекомендации. Коэффициент водо‑грунтового давления 0,56 служит чётким ранним предупредительным порогом: по мере приближения к этому значению операторам следует следить за признаками уменьшения заполнения и сегрегации частиц, а не дожидаться резкого прорыва. Конструкторы могут укреплять шнековый конвейер именно в тех местах, где модель предсказывает два пика износа, используя более твёрдые материалы или сменные вкладыши у входа и в средней части, вместо избыточного усиления всей конструкции. А за счёт регулировки размеров отверстий режущего барабана в районе зоны предпочтительного потока можно снизить риск неравномерной нагрузки на забой. В совокупности эти выводы показывают, как детальная цифровая картина движения камней и воды через стальной шнек помогает сделать глубокую городскую проходку безопаснее, эффективнее и предсказуемее.

Цитирование: 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

Ключевые слова: щитовое проходческое, шнековый конвейер, водонасыщенные песчано-валунные, CFD-DEM моделирование, прорыв туннеля