在沙子中钻孔时，EPB护盾前端的相互作用

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Interactions at the front face of EPB shield when drilling in sand

本文研究盾构机在饱和砂土中掘进时孔隙水压力的生成与土层相互作用机制，分析土层分层、掘进速度、渗透性及泡沫混合物特性对压力分布的影响，结合现场监测与实验室测试验证理论模型。

　　

亚当·贝祖延

根特大学，比利时根特

摘要

使用隧道掘进机（TBM）进行隧道施工时，会对TBM前方的土壤产生影响。在TBM前方会测量到过高的孔隙压力，这些压力会影响到土壤的稳定性。这些压力的大小取决于多种因素，包括土壤层理结构、钻进速度、土壤及泡沫混合物的渗透性以及混合室内的压力。钻进开始时压力的积累以及钻进停止后压力的衰减与浆液或泡沫混合物的涂抹性能有关。本文描述了在饱和沙土中施工时，土壤与土压平衡盾构（EBP）TBM之间的相互作用，并展示了现场监测结果及用于解释这些结果的理论依据。地下水流动在不同尺度上都非常重要：在隧道前端、泡沫-水-沙混合物中以及两个泡沫气泡之间的层状结构中。

引言

隧道掘进机（TBM）可以在软土中施工，因为它可以在前端施加压力，以抵消TBM所在深度处的土壤压力，从而在隧道周围形成稳定的土体。在TBM的掘进腔内，如果使用的是浆液盾构，则几乎没有有效应力；而如果使用的是土压平衡盾构（EBP），则几乎也没有有效应力（Bezuijen等人，2005年）。这意味着在掘进腔与土壤之间的某个位置，掘进腔内的孔隙水压力会被转化为土壤中的有效应力。这两种极端情况分别是：1）滤饼或低渗透性的泡沫混合物在掘进腔与土壤之间形成了一层“不透水”的屏障，孔隙水压力会“挤压”这层屏障，导致过高的孔隙水压力通过该屏障转化为有效应力；2）不存在这种不透水屏障，掘进腔内的水会通过地下水流动进入土壤。由于地下水流动，孔隙水压力会随着距离隧道越远而逐渐减小，从而有效应力相应增加。本文后续将解释这两种极端情况何时可能出现，以及何时会出现介于两者之间的情况，即隧道前端有一定程度的压力传递，而土壤中也有一定程度的压力传递。

Broere（2001年）和Bezuijen等人（2001年）的研究表明，掘进腔内的孔隙水压力转化为土壤中有效压力的方式会影响实现稳定隧道前端所需的压力。Zizka等人（2018年）、Dias和Bezuijen（2016年）使用分析或数值方法计算了不同条件下的地下水流动情况或土壤稳定性。此外，泡沫和膨润土浆液渗入土壤的过程也会影响在维护过程中施加空气压力时隧道前端的稳定性。关于浆液和泡沫渗入的实验室测试（Talmon等人，2013年；Krause，1987年；Xu和Bezuijen，2019年；Zheng等人，2021年；Qin等人，2023年；Zhang，2025年）提高了我们对涂抹过程的理解。这些测试通常是在饱和沙土中进行的。

本文首先介绍在Botlek铁路隧道现场测试中测量到的EBP TBM前方孔隙压力的情况。尽管该隧道建设已有20多年历史，但其中一些测量结果仍然具有独特性，值得研究。接下来的章节将描述不同的实验室测试，并提出一些理论来分析这些测试结果，重点关注所需的泡沫数量和质量。之后，本文将分析使用EBP盾构进行隧道施工的后果。文章最后得出结论。本文基于作者在2024年于澳门举行的Fujita讲座内容，该讲座是在第11届软土地区地下建筑地质技术研讨会上进行的。

章节摘录

理论

隧道掘进机（TBM）是一种大型设备，在施工过程中其前端会形成相对恒定的孔隙压力，这种压力由浆液盾构中的浆液压力或在EBP盾构中的泥浆产生。只有当浆液或泡沫渗入饱和土壤的速度超过TBM的钻进速度时，它们才能成功穿透土壤。否则，TBM前方的不透水层（由渗入的浆液或泥浆形成）会阻碍这一过程。

重要的泡沫特性

前一章将TBM前方土壤中的测量孔隙压力与地下水流动计算结果进行了对比。然而，对于使用EBP盾构和泡沫的TBM项目来说，泡沫的特性同样至关重要。本章研究了EBP盾构所需的泡沫特性，并对泡沫的半衰期测试进行了评估，同时展示了如何将本章中的理论和元件测试应用于实际工程中。

结论

本研究中的监测结果证实了钻进速度、隧道直径和土壤渗透性对隧道前方过高孔隙水压力的影响。对于无限制含水层，针对浆液盾构（Bezuijen等人，2016年）和EBP盾构（Zheng & Bezuijen，2023年）的分析计算方法已经得到了验证。由膨润土浆液形成的滤饼的渗透性可能非常低（Xu，2018年），但泡沫的渗透性并未出现如此低的情况。

CRediT作者贡献声明

亚当·贝祖延：撰写内容——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、形式化分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明自己没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢Filip Hoefsloot和Joost Joustra提供Botlek铁路隧道项目的原始数据。感谢根特大学岩土工程系的博士生们，他们的讨论激励了我，并通过辛勤工作使本文得以完成。