在泥浆堆积效应下，TBM刀盘与地面相互作用机制的分析

《Frontiers in Earth Science》：Mechanistic analysis of TBM cutterhead-ground interaction under mud build-up effect

泥沙堆积导致盾构机刀盘扭矩和推力剧增，降低掘进效率。本研究提出综合考虑刀盘开口率与泥沙覆盖效应的负荷预测模型，通过深圳某复合地层盾构工程案例验证。模型显示泥沙堆积使实际开口率下降约40%，导致推力理论值超实际值6.8%，扭矩超值14.7%。优化策略表明增大刀盘开口率可有效缓解泥沙堆积，维持掘进效率。

　　在隧道工程中，使用掘进机（TBM）进行掘进是一项重要的施工技术。然而，由于地质条件复杂，TBM的刀盘在施工过程中常会遇到泥浆堆积的问题，这种现象会显著影响掘进机的扭矩和推力，进而降低整体的掘进效率。为了提升掘进效率和确保施工安全，理解刀盘与周围地层之间的相互作用机制，尤其是在泥浆堆积条件下的表现，成为研究的重点。

在TBM施工过程中，刀盘所承受的负载受到多种因素的影响，包括地质组成、刀具几何形状、掘进速度以及刀盘与土壤的相互作用。泥浆堆积不仅改变了刀盘表面的接触面积，还影响了土层和岩石之间的压力分布，这些变化进一步影响了刀盘的扭矩和推力。因此，建立一个能够准确预测刀盘负载的模型，是解决掘进效率下降和泥浆堆积问题的关键。本文提出了一种考虑刀盘有效开口率和泥浆覆盖效应的刀盘负载模型，并建立了适用于复合地层的负载预测框架。

该模型的核心在于引入“开口率”这一关键参数。开口率是指刀盘上实际可以进行切割的区域与刀盘总表面积的比值，它受到泥浆堆积的影响。泥浆堆积会降低刀盘的开口率，从而改变刀盘与地层之间的相互作用，进而影响掘进所需的扭矩和推力。在复合地层中，刀盘不仅要与土壤相互作用，还需与岩石进行切割和破碎，因此，泥浆堆积对刀盘开口率的影响更为复杂。研究中提出，通过合理设计刀盘的开口率，可以有效减少泥浆堆积带来的负面影响，提高掘进效率。

为了验证模型的有效性，本文结合了现场监测数据进行分析。研究发现，在泥浆堆积区域，刀盘的推力和扭矩均出现了显著的变化。例如，当刀盘的开口率较低时，推力明显增加，而扭矩则呈现出更大的波动。这一结果表明，泥浆堆积对掘进机的推力和扭矩均有重要影响，尤其是在刀盘与地层接触面发生变化时。此外，模型还表明，泥浆堆积对刀盘负载的影响具有一定的非线性特征，即随着泥浆覆盖程度的增加，推力和扭矩的变化幅度逐渐增大。

在工程案例分析中，研究选取了深圳某段隧道作为背景，该隧道穿越的复合地层包括砾石土、砂土、粗砂、强风化砂岩和中风化砂岩。在掘进过程中，泥浆堆积现象频繁出现，特别是在穿越砾石土与强风化砂岩交界处。研究对这一区域的推力和扭矩进行了详细的分析，并发现泥浆堆积的形成过程可以分为五个阶段：正常掘进阶段、泥浆堆积形成阶段、泥浆堆积扩展阶段、泥浆堆积完全覆盖阶段以及泥浆堆积稳定阶段。在每个阶段，推力和扭矩的变化趋势不同，泥浆堆积对掘进效率的影响也逐渐显现。

在正常掘进阶段，掘进机的推力和扭矩均保持相对稳定，但随着掘进的深入，泥浆开始在刀盘表面堆积，导致推力和扭矩逐渐上升。泥浆堆积的形成阶段中，虽然刀盘的开口率有所下降，但推力和扭矩的增加幅度仍较小。到了泥浆堆积扩展阶段，推力和扭矩的变化趋势更加明显，泥浆覆盖面积的扩大进一步加剧了刀盘的负载。当泥浆堆积完全覆盖刀盘时，推力和扭矩均达到峰值，此时刀盘的切割能力显著下降，导致掘进效率大幅降低。而在泥浆堆积稳定阶段，推力和扭矩的变化趋于平缓，表明泥浆堆积已经达到了某种平衡状态。

研究还分析了泥浆堆积对刀盘开口率的影响。通过现场监测数据，绘制了刀盘开口率和泥浆堆积覆盖率随掘进阶段的变化曲线。结果表明，刀盘开口率在泥浆堆积过程中呈现下降趋势，而泥浆堆积覆盖率则逐渐上升。当刀盘开口率较低时，泥浆堆积对掘进机的推力和扭矩影响更为显著。因此，提高刀盘的开口率，是减少泥浆堆积影响的有效策略。

此外，研究还提出了一些优化建议，以提高掘进效率。首先，刀盘设计应尽可能增加开口率，从而减少泥浆堆积的可能性。其次，刀盘的开口位置也应合理安排，以降低泥浆堆积对刀盘结构的破坏。研究建议，在刀盘的中心区域设置更多的开口，而在外围区域则应增加封闭结构，如辐条和面板，以确保掘进面的稳定性。这种设计策略可以有效平衡刀盘的开口率与结构稳定性之间的关系，从而提高整体的掘进效率。

通过分析不同地层条件下的刀盘负载，研究还发现，泥浆堆积对不同类型的刀具影响不同。例如，滚动刀具和盘式刀具在泥浆堆积条件下均会受到较大的阻力，而刮刀则可能因泥浆堆积而失去其原有的切割能力。因此，在设计和施工过程中，应充分考虑刀具的类型和数量，以适应不同地层条件下的泥浆堆积情况。

研究还指出，泥浆堆积对掘进效率的影响不仅限于刀盘的开口率，还包括泥浆对刀盘表面的摩擦力和附着力。这些因素会显著增加刀盘的负载，进而影响掘进机的整体性能。因此，除了提高刀盘开口率外，还应考虑如何减少泥浆对刀盘表面的附着力和摩擦力。例如，通过改进刀盘表面的材料或涂层，可以降低泥浆的附着程度，从而减少刀盘负载。

最后，研究总结了刀盘负载模型的适用性和工程意义。该模型不仅适用于不同地层条件下的掘进机施工，还具有较强的通用性和适应性。通过该模型，可以更好地预测和控制掘进机的负载，从而提高施工效率和安全性。此外，研究还为泥浆堆积现象的防治提供了理论支持和实际指导，特别是在喀斯特地貌等复杂地层中，刀盘设计和施工策略的优化对于提高掘进效率和确保施工安全具有重要意义。