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

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

Abstract

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

CLC Number:

TU94⁺1

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.

Figures/Tables 20

Fig.1

Fig.2

Table 1

Table 2

Fig.3

Table 3

Fig.4

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Table 4

Mud cake risk model judgment matrices"

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

Table 4

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Fig.7

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Fig.9

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Fig.11

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Fig.13

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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