EPB盾构刀盘泥饼成因分析及评价模型构建

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230385

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (5): 71-83.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.230385

EPB盾构刀盘泥饼成因分析及评价模型构建

丁小彬¹^,²(), 杨辉泰¹(), 施钰¹

^1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640
^2.华南岩土工程研究院，广东广州 510640

收稿日期:2023-06-05 出版日期:2024-05-25 发布日期:2023-09-08
通信作者: 杨辉泰（2000-），男，硕士，主要从事地下工程与结构研究。 E-mail:2641804764@qq.com
作者简介:丁小彬（1984-），男，博士，副教授，主要从事岩土工程、地下工程等研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(41827807);广东省现代土木工程技术重点实验室项目(2021B1212040003)

Formation Factor Analysis and Evaluation Model Construction of Mud Cake on EPB Cutterhead

DING Xiaobin¹^,²(), YANG Huitai¹(), SHI Yu¹

^1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.South China Institute of Geotechnical Engineering，Guangzhou 510640，Guangdong，China

Received:2023-06-05 Online:2024-05-25 Published:2023-09-08
Contact: 杨辉泰（2000-），男，硕士，主要从事地下工程与结构研究。 E-mail:2641804764@qq.com
About author:丁小彬（1984-），男，博士，副教授，主要从事岩土工程、地下工程等研究。
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(41827807)

摘要/Abstract

摘要：

目前土压平衡（EPB）盾构机刀盘结泥饼的研究大都聚焦在单一因素上，缺少整体的、量化的评价标准，难以满足工程上对刀盘结泥饼的预测需求。针对以上问题，文中从地质条件、盾构选型、施工因素3个层面出发，系统总结了导致土压平衡盾构机刀盘泥饼形成的23个主要因素；将土压平衡盾构机在掘进过程中的刀盘结泥饼风险划分为4个等级：高风险、中风险、低风险和无风险。同时提出了结泥饼的风险因子量化标准，并结合层次分析法构建了土压平衡盾构的刀盘结泥饼风险评价模型；基于广州地铁14号线马创区间右线115-165环盾构隧道工程的掘进数据，计算出盾构机掘进过程中不同环的刀盘结泥饼风险程度，验证了刀盘结泥饼风险评价模型的预测性能。研究结果表明：结泥饼风险评价模型的23个影响因子中，以塑性指数、刀盘扭矩、液性指数、总推力的影响权重最大，启动扭矩的影响权重最小；结泥饼风险评价模型表现出了良好的预测性能，计算得到的结泥饼风险变化曲线与现场施工情况基本吻合；盾构掘进参数的变化能很好地反映掘进过程中泥饼的形成，其中总推力对泥饼产生最敏感，刀盘扭矩、土仓压力、推进速度和螺旋机转速的敏感度依次降低。研究成果可适用于类似工程中的土压平衡盾构机刀盘结泥饼的评价分析。

关键词: 土压平衡盾构, 泥饼, 量化分析, 评价模型

Abstract:

Focusing on individual factors，the current research on the mud cake formation of earth pressure balance (EPB) tunnel boring machines (TBMs) lacks a comprehensive and quantitative evaluation standard and can’t meet the predictive needs of TBM mud cake in engineering. Addressing these issues, this paper systematically summarized 23 key factors contributing to the formation of mud cake of EPB TBMs from three aspects: geological conditions, TBM selection, and construction factors. The mud cake risk during the excavation process of EPB TBMs was classified into four levels: high, medium, low, and no risk. Simultaneously, the paper proposed a quantitative standard for mud cake risk factors and constructed a risk evaluation model for the mud cake of EPB TBMs utilizing the analytic hierarchy process (AHP). Based on excavation data from the Ma-Chuang section, right tunnel of Line 14 of the Guangzhou Metro, the mud cake risk levels for different tunnel rings during TBM excavation were calculated, validating the predictive performance of the mud cake risk evaluation model. Research results indicate that among the 23 influencing factors in the mud cake risk evaluation model, the plasticity index, cutterhead torque, liquidity index, and total thrust have the highest impact weights, while the startup torque has the lowest impact weight. The mud cake risk evaluation model demonstrates excellent predictive performance, with the calculated mud cake risk variation curve closely matching on-site construction conditions. Changes in TBM excavation parameters effectively reflect the formation of mud cakes during excavation, with total thrust being the most sensitive, followed by cutterhead torque, chamber pressure, advance speed, and screw conveyor speed in decreasing order of sensitivity. The research results can be applied to the evaluation and analysis of mud cake formation by EPB TBM cutterheads in similar engineering projects.

Key words: earth pressure balance shield, mud cake, quantitative analysis, evaluation model

中图分类号:

TU94⁺1

丁小彬, 杨辉泰, 施钰. EPB盾构刀盘泥饼成因分析及评价模型构建[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(5): 71-83.

DING Xiaobin, YANG Huitai, SHI Yu. Formation Factor Analysis and Evaluation Model Construction of Mud Cake on EPB Cutterhead[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(5): 71-83.

图/表 20

图1

图2

表1

表2

图3

表3

图4

图5

表4

结泥饼风险评价模型判断矩阵"

P_{b2 - c}	P_{b3 - c}	P_{c1- d}	P_{c2 - d}	P_{c3 - d}	P_{c4 - d}	P_{c5 - d}	P_{c6 - d}
$12 1 / 2 1$	$1 1 / 5 51 1 / 2 1 34 2 1 / 3 1 1 / 4 12 1 / 2 1$	$1 1 / 3 31 1 / 2 1 / 5 2 1 / 2 2 1 / 2 52 1 1 / 3 31$	$12 1 / 2 1 / 2 1 1 / 3 231$	$134 1 / 3 12 1 / 4 1 / 2 1$	$1 1 / 3 1 / 2 12 31235 2 1 / 2 124 1 1 / 3 1 / 2 12 1 / 2 1 / 5 1 / 4 1 / 2 1$	$1 1 / 3 1 / 3 311311$	$1$

表4

表5

图6

图7

图8

图9

表6

图10

图11

图12

图13

图14

参考文献 35

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风险因子	高风险（75<F≤100）	中风险（50<F≤75）	低风险（25<F≤50）	无风险（0<F≤25）
黏粒含量（d1）	>25%且小于0.075 mm的土粒含量>60%	25%~15%且小于0.075 mm的土粒含量>30%	15%~10%	<10%
塑性指数（d2）	>17	10~17	6~10	<6
液性指数（d3）	0.385~0.667	-0.600~0.385	0.667~1.000	>1或<-0.6
耐崩解性（d4）	0~34%	34%~75%	75%~85%	85%~100%

风险因子	高风险	中风险	低风险	无风险
刀具间距（d5）	与理论值误差50%以上	与理论值误差25%~50%	与理论值误差10%~25%	与理论值误差10%以内
刀具高差（d6）	<20 mm	20~35 mm	35~50 mm	>50 mm
刀具类型（d7）	无针对性设计	少量针对性设计	部分针对性设计	针对性设计
刀具开口率（d8）	<33%或低于理论值25%	33%~38%或低于理论值15%	38%~45%或低于理论值5%	>45%或大于等于理论值
搅拌棒数量（d9）	<4	4~6	6~8	>8
螺旋器相对伸入长度（d10）	<0.25	0.25~0.50	0.50~0.75	>0.75
冲刷系统（d11）	无冲刷系统	中心区域未设置冲刷孔	设置6路以上冲刷管道	设置10路以上冲刷管道且中心区域设置有冲刷孔

风险因子	高风险	中风险	低风险	无风险
启动扭矩（d12）	大于地层土体摩擦力25%以上	大于地层土体摩擦力10%~25%	大于地层土体摩擦力10%以内	等于地层土体摩擦力
渣土液面高度（d13）	大于2/3土仓高度	1/2~2/3土仓高度	小于1/2土仓高度	空仓推进或气压辅助
停机时间（d14）	>12 h或6倍管片拼装时间	3~6倍管片拼装时间	2~3倍管片拼装时间	等于管片拼装时间
土仓压力（d15）	>1.60 max｛T₀，T_e｝	（1.40~1.60）max｛T₀，T_e｝	（1.10~1.40）max｛T₀，T_e｝	<1.10 max｛T₀，T_e｝
刀盘扭矩（d16）	>1.50 max｛T₀，T_e｝	（1.30~1.50）max｛T₀，T_e｝	（1.10~1.30）max｛T₀，T_e｝	<1.10 max｛T₀，T_e｝
总推力（d17）	>1.50 max｛T₀，T_e｝	（1.30~1.50）max｛T₀，T_e｝	（1.10~1.30）max｛T₀，T_e｝	<1.10 max｛T₀，T_e｝
推进速度（d18）	<0.75 max｛T₀，T_e｝	（0.75~0.85）max｛T₀，T_e｝	（0.85~0.95）max｛T₀，T_e｝	>0.95 max｛T₀，T_e｝
螺旋机转速（d19）	<0.75 max｛T₀，T_e｝	（0.75~0.85）max｛T₀，T_e｝	（0.85~0.95）max｛T₀，T_e｝	>0.95 max｛T₀，T_e｝
注入比FIR（d20）	超出范围25%	超出范围15%	超出范围5%	经验或理论公式结果范围内
发泡率FER（d21）	<15	15~20	20~30	>30
泡沫半衰期（d22）	<4 min	4~6 min	6~8 min	>8 min
渣土温度（d23）	>38 ℃	35~38 ℃	31~35 ℃	28~31 ℃

二级指标	二级指标权重	三级指标	三级指标权重	风险因素（四级指标）		同级权重	全局权重 w_i
地质条件b1	0.297 3			d1	黏粒含量	0.170 7	0.050 7
				d2	塑性指数	0.449 5	0.133 6
				d3	液性指数	0.259 6	0.077 2
				d4	抗崩解系数	0.120 2	0.035 7
盾构选型b2	0.163 8	刀具系统c1	0.666 7	d5	刀具间距	0.088 3	0.009 6
				d6	刀具高差	0.157 5	0.017 2
				d7	刀具类型	0.271 8	0.029 7
				d8	刀具开口率	0.482 4	0.052 7
		非刀具系统c2	0.333 3	d9	搅拌棒数量	0.163 8	0.008 9
				d10	螺旋器深度	0.297 3	0.016 2
				d11	冲刷系统	0.539 0	0.029 4
施工因素b3	0.539 0	掘进模式控制c3	0.112 1	d12	渣土液面高度	0.623 2	0.037 6
				d13	停机时间	0.239 5	0.014 5
				d14	启动扭矩	0.137 3	0.008 3
		掘进参数控制c4	0.554 1	d15	土仓压力	0.133 6	0.039 9
				d16	刀盘扭矩	0.410 1	0.122 5
				d17	总推力	0.253 1	0.075 6
				d18	推进速度	0.133 6	0.039 9
				d19	螺旋机转速	0.069 6	0.020 8
		渣土改良效果c5	0.214 8	d20	注入比FIR	0.142 9	0.016 5
				d21	发泡率FER	0.428 6	0.049 6
				d22	泡沫半衰期	0.428 6	0.049 6
		温度控制c6	0.119 1	d23	渣土温度控制	1.000 0	0.064 2

环号	是否结泥饼	黏性矿物含量/%
115	是	98
135	是	95
155	是	81
175	否	56
195	否	55

EPB盾构刀盘泥饼成因分析及评价模型构建

Formation Factor Analysis and Evaluation Model Construction of Mud Cake on EPB Cutterhead

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