CFD-DEM 耦合分析：水富砂砾层中 EPB 螺旋输送机泥渣排放

在湿润多砾的地层下安全掘进隧道

随着城市地铁网络的扩展，工程师越来越多地需要在危险地层中掘进：松散的沙层、拳头大小的砾石以及高压地下水。在这些条件下，通常能平稳掘进的“土压平衡”盾构机可能会突发泥水喷涌、卡机或因剧烈磨损而停滞。本研究解释了这些问题为何在机器内部的螺旋输送机——相当于设备内部的“泥渣电梯”——中发生，并展示了一种新型计算模型如何在风险威胁工程之前预测危险的涌出和隐性磨损。

为何这一隐藏部件至关重要

在土压平衡盾构中，旋转的刀盘将隧道前沿的土体刮入密闭腔室。随后，一段长金属螺旋输送机按量输送掘出的土、砾石和水混合物离开机器。通过精细控制螺旋转速，操作人员可以维持刀口处的压力恰到好处，避免地面下沉或隆起。然而在水富砂砾地层中，土壤级配差且渗透性高。大石块可能卡住螺旋，而快速流动的地下水通过缝隙渗出，削弱泥渣的封闭性。结果就是一个精细的平衡：既要高效输送物料、控制水流，又要避免把螺旋磨坏。

深入观察泥水流动

以往的模拟要么将泥渣视为流体，要么视为干燥颗粒堆，这会错过快速地下水与移动石块之间的真实相互作用。本研究将两种视角结合为一个双向耦合模型。水采用计算流体力学（CFD）处理，计算水流动及沿螺旋的压力变化；砾石与土粒作为离散元（DEM）中的单个颗粒，跟踪碰撞、摩擦与滚动。两者不断交换信息：水对颗粒施加推力，颗粒则阻挡并重定向水流。该模型基于真实工程——北京地铁新机场线，并通过湿砾土的实验室试验以及运行中设备的压力和扭矩现场数据进行了精调。

水压如何扭转局势

利用这一耦合模型，作者考察了在螺旋进口处土压保持不变而地下水压力上升时会发生什么。他们提出了一个简单指标“水—土压力比”，定义为水压除以土压。当该比值维持在大约 0.24 到 0.48 之间时，沿螺旋的压力平稳下降至出口，出渣量与经典设计计算相符。泥渣表现为密实的堵塞体，既封闭压力又稳步移动。但当比值升至 0.56（对应更高的地下水位）时，情况发生变化。水开始将细颗粒从大砾石之间冲洗出去，导致物料发生分级。螺旋槽不再正确充填，尽管混合物整体移动更快，固体渣体的输送体积却降至预期值的大约五分之一。

隐蔽流道与不均匀磨损

模拟还揭示了力和磨损如何在机器内部集中。在开挖舱底部靠近螺旋进口处形成了扇形的“优先流动区”，在该处颗粒比其他区域更集中地流向输送机。该区域的压力崩落为初始值的一小部分，形成一个活动的土压口袋，若刀盘开口过大，可能会不受控制地从洞口抽吸土体。沿螺旋轴的磨损并非在单点达到峰值，而呈现“双峰三段”格局：进口处出现非常剧烈的冲击磨损，数米下游出现第二个较温和但持续的摩擦峰值，然后向出口逐渐减弱。此模式源于颗粒进入时的冲击、随后中段的稳定滑动接触以及靠近排出的能量损失。

从计算见解到更安全的掘进

对隧道建设者而言，这些发现转化为可操作的建议。水—土压力比 0.56 可作为明确的早期预警阈值：当比值接近该值时，操作人员应关注填充不足和颗粒分层的迹象，而非等到剧烈涌出才采取行动。设计者可以在模型预测的两个磨损峰位置加固螺旋输送机，采用更耐磨材料或可更换衬片于进口及中段区，而无需对整个系统过度加固。通过调整刀盘在优先流动区周围的开口尺寸，可减少洞口不均匀受力的风险。总体而言，这些见解表明，对钢制螺旋中石与水流的细致数字化观察，可以帮助使城市深部掘进更安全、更高效且更可预测。

引用: 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

关键词: 盾构掘进, 螺旋输送机, 水富砂砾, CFD-DEM 模拟, 隧道涌水