砂砾地层中泥浆盾构高效清洁掘进：堵塞特征、机理与防控技术研究

针对泥水平衡盾构机(SPB TBM)在砂砾地层中频繁堵塞导致的能耗激增、效率下降及安全风险问题，本研究通过振动信号与掘进参数融合分析，揭示了管道堵塞的四阶段特征（振动幅值从0.001 m/s2 升至0.04 m/s2 ），发现砾石拱结构是主因，提出冲洗系统、附加泥浆循环模式等针对性措施，工程实践表明能耗降低10–15%，停机时间减少30–40%，为类似工程提供理论支撑与技术指导。

　　

随着城市化进程加速，地下空间开发成为缓解交通压力的关键。泥水平衡盾构机(SPB TBM)因其在富水砂砾地层中控制地表沉降的优势被广泛应用，但堵塞问题导致能耗飙升（电力碳排放因子达0.817 kg CO₂
/kWh）、效率骤降甚至引发地面塌陷等安全事故。例如兰州地铁黄河隧道施工中，砾石层堵塞泥浆泵造成进度滞后；广州地铁3号线则因渣土堆积导致开挖舱压力骤降。传统研究多聚焦于刀盘堵塞，而对泥浆循环系统堵塞，尤其是砂砾地层的振动信号监测缺乏深入探索。

针对这一瓶颈，浙江大学联合深圳大学等团队在杭州之江路隧道工程（直径14.5 m超大断面SPB TBM）中展开研究。通过部署加速度传感器监测管道振动，结合掘进参数分析，首次将堵塞过程划分为四个阶段：初期振动幅值仅0.001 m/s²
，随着砾石堆积形成拱结构，低频振动（0–25 Hz）响应显著增强，振幅激增至0.04 m/s²
。研究揭示砾石粒径分布与泥浆流变特性的不匹配是堵塞主因，并量化了堵塞导致推力阻力增加30%、扭矩需求上升25%的能耗机制。

关键技术包括：(1) 多通道振动信号采集系统实时监测管道状态；(2) 基于LSTM-autoencoder的堵塞预警算法；(3) 泥浆流变特性与砾石级配匹配实验；(4) 工程验证采用对比分析法，比较措施实施前后能耗与停机时长。

研究结果方面：

1. 刀盘堵塞：东南地铁项目显示，黏土地层中刀盘转速低于1.5 rpm时黏土板结风险增加2.3倍；
2. 泥浆室堵塞：杭州工程中砾石体积浓度超过15%时，泥浆泵压力波动幅度增大40%；
3. 管道系统堵塞：频谱分析发现25–50 Hz频段能量占比超60%可作为预警阈值。

创新性防控措施包括：

• 高压旋转冲洗系统破坏砾石拱结构；
• 双模式泥浆循环（主回路+辅助回路）将砾石输送效率提升35%；
• 储石箱设计使大粒径砾石分离效率达90%。

该研究发表于《Journal of Cleaner Production》，其意义在于：

1. 首次建立振动信号与堵塞程度的定量关系，实现实时诊断；
2. 工程应用使单环掘进能耗降低12.7%（相当于减少碳排放14.3 kg CO₂
   /环）；
3. 提出的"振动谱-流变参数-结构优化"三位一体防控体系，为全球类似地层盾构施工提供范式。

讨论部分指出，未来需进一步研究振动信号与不同地质参数的映射关系，并探索AI驱动的自适应调控系统。该成果不仅推动盾构技术向低碳化发展，更为实现"双碳"目标下的绿色基建提供关键技术支撑。