上软下硬复合地层盾构隧道掌子面软硬交界面识别方法

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Identification method for soft-hard interfaces at shield tunnel face in upper-soft and lower-hard composite strata

　　

摘要

盾构隧道技术已广泛应用于城市地下工程。然而，当盾构机穿越上软下硬复合地层时，掌子面地质信息不足经常导致掘进参数设置不合理、刀盘磨损严重以及姿态控制稳定性差。为解决上述工程问题，本文系统研究了盾构机在此类复合地层中的振动响应特性，并进一步提出了一种新颖的软硬地层界面识别方法。在刀盘静止和旋转工作条件下对盘形滚刀进行了冲击载荷实验室测试，以明确刀具的固有振动响应规律。在此基础上，基于济南地铁工程项目实施了现场监测。在不同掌子面硬岩占比条件下，综合分析了盾构振动信号的时域和时频域演化规律。研究结果表明，随着掌子面硬岩占比的增加，从多个盘形滚刀采集到的振动信号产生叠加效应并形成明显的特征信号簇。据此，本研究推导了相邻盘形滚刀穿透硬岩地层的时间差计算公式，并建立了该时间差与硬岩占比之间的定量相关性。同时，提出了一种基于振动信号峰值时间差的软硬地层界面识别方法。实际工程应用验证表明，所提出的方法能够实现掌子面地层分布的实时精确表征。本研究可为盾构掘进参数优化提供重要技术参考，并提高复杂复合地层中盾构隧道的施工安全和效率。

引言

盾构隧道技术具有高效掘进和实时支护的综合优势，已成为城市地下开发的主要方法。它被广泛应用于地铁隧道、综合管廊和公路隧道等重大基础设施项目，在推动城市化和增强城市综合承载能力方面发挥着不可替代的作用（Jin等，2022；Wang等，2022；Yang等，2025；Yang等，2026）。然而，随着施工规模的扩大和规划路线的延伸，盾构隧道项目不可避免地需要穿越多样复杂的地质条件。复合地层以软硬岩混杂和强度差异显著为特征，已成为盾构隧道最常见且最具挑战性的地质条件之一（Li等，2021；Xu等，2019）。在这些复合地层中，盾构机既要满足下部硬岩对刀具破岩能力和设备性能的高要求，又要应对上部软土对掘进扰动的敏感性。由于盾构机封闭土舱环境，施工人员无法直接观察掌子面地层特征。他们只能基于初步地质勘探数据粗略评估前方地层，然后根据工程经验调整盾构掘进参数。当实际地层条件与先前数据显著偏离或地质数据缺失时，容易导致掘进效率降低、刀具异常磨损、掘进参数控制困难，甚至引发一系列工程事故，如路线偏差和地表沉降（Li等，2020；Peng等，2023）。因此，科学有效地识别盾构掌子面地层特征，不仅对提高盾构施工的安全性、效率和经济性具有直接的工程价值，而且对推动复杂地质条件下的盾构技术、确保重大工程顺利施工具有重要的理论和实践意义。

在盾构施工过程中，切削系统与岩土发生剧烈相互作用，导致盾构刀盘振动，尤其是在硬岩地层和上软下硬复合地层中。盘形滚刀作为盾构最直接的破岩部件，在刀盘旋转和推进过程中，在掌子面上滚出一个环形破碎沟槽，从而切削岩土。切削岩层因弹塑性和脆性特征呈现阶梯式破碎，对盘形滚刀产生突然的冲击载荷，随后引起盘形滚刀和刀盘的强烈振动（Deng等，2017）。基于广泛的现场实践和实验室测试（Balci等，2009；Peng等，2018；Pan等，2019），发现盘形滚刀破岩过程呈现显著的动态突发性变化。切削过程中盘形滚刀上的载荷剧烈振荡，导致刀具和周围岩层产生强烈振动。Huo等（2015；2017）建立了一个由刀圈、刀体和刀轴组成的多自由度耦合动力学模型，并搭建了硬岩地层中隧道掘进机的主系统测试台。通过考虑刀具的时变外部随机激励、齿轮的时变啮合刚度、啮合误差和主轴承刚度，建立了多自由度耦合动力学模型以研究刀盘的载荷和振动特性（Huo等，2021）。Liao等（2018）考虑盾构机封闭结构与岩石之间的相互作用，建立了多系统耦合闭合动力学模型，并在广义坐标系下推导了隧道掘进机系统中各刚体的运动方程。Xu等（2024）分析了切削深度和切削力对盘形滚刀振动的影响，发现最剧烈的振动发生在刀具法线方向，且切削力越大，振动越剧烈。此外，盾构主轴承负责传递盾构前进方向的推力和径向力，并承受刀盘旋转产生的扭矩和刀盘重量产生的倾覆扭矩。盾构运行期间振动是不可避免的（Liu等，2020）。

随着机器学习等计算机技术的发展，利用盾构施工期间监测数据识别地层特征已成为研究热点。Chen等（2018）建立了盘形滚刀破岩力学模型，并开发了基于模糊径向基函数神经网络的围岩力学参数识别算法。M. Mooney等（2014）和Niu等（2017）基于盾构施工中卵石地层振动信号的现场监测，建立了振动冲击信号数量与掌子面卵石含量之间的关系。Abate等（2020）基于盾构施工期间的振动特性，利用剪切波与纵波的傅里叶频谱比识别掌子面地层的类型和分布特征，并建立了掌子面地层特征分布模型。Ates等（2019）根据含硬岩脉地层中盾构施工的振动特性，建立了振动信号峰值时间差与盘形滚刀破岩周期之间的相关性。Guan等（2012）建立了基于马尔可夫随机过程和贝叶斯更新过程的隧道地质条件预测方法。Guo等（2023）使用粒子群优化（PSO）优化样本数据比例，并将PSO与BPNN结合建立了PSO-BPNN理论模型来预测地质指标。Shi等（2019）利用深度神经网络模型建立了基于TBM掘进数据的隧道地质条件预测方法。Zhang等（2019）依托吉林引松供水隧道项目，基于大数据掘进方法和人工智能算法建立了根据掘进参数分类围岩特征的方法。Wang等（2025）提出了一种轻量级物理数据驱动方法，基于单一物理模型的计算施加弱约束。Chen等（2024）基于时间感知长短期记忆（Time-Aware LSTM）算法开发了盾构隧道姿态偏差预测模型。Tian等（2026）提出了一种面向盾构隧道的力学驱动数字孪生方法，该方法结合贝叶斯推断与力学仿真技术，从变形数据中识别加载条件并量化相应的不确定性。Yu等（2026）提出了一种基于岩块图像和Squeeze-and-Excitation增强型Inception-VGG19网络准确识别TBM隧道岩体完整性等级的方法。

总之，随着计算机人工智能技术的进步，利用掘进参数和渣土图像识别方法识别掌子面地层已取得显著进展。众多研究人员采用回归分析、深度学习和机器视觉来识别地层特征。然而，关于盾构掌子面上软下硬复合地层的软硬占比的定量分析仍十分有限。在不中断正常盾构掘进过程的情况下实现掌子面地层的精确实时感知仍是一项重大挑战。

与现有研究主要依赖掘进参数或渣土图像等间接信息进行地层反演不同，本研究基于盾构盘形滚刀与围地层的相互作用机制，并采用振动响应作为获取地质信息的载体。这种方法为掌子面地层特征识别提供了新的研究途径，同时深化了对盾构穿越上软下硬复合地层时振动响应行为的理解。通过建立振动时间滞后与硬岩面积比例之间的定量关系模型，本研究实现了从振动信号到地层成分比例的数学映射，从而克服了以往对软硬界面定性或半定量识别的局限性。本研究的成果对推动上软下硬复合地层条件下盾构隧道的智能施工水平具有重要的学术意义和应用前景。

章节片段

方法

盾构隧道经常穿越上软下硬复合地层。在此条件下，切削系统与围岩以复杂方式相互作用。当盘形滚刀从软土移入硬岩时，它会经历突然的冲击载荷。这种载荷是盾构外部振动的主要来源。刀盘包含多个振动激励点，这些点的位置可能影响振动响应。此问题构成了应用的前提

复合地层与盾构刀具的相互作用模式

在盾构机穿越上软下硬复合地层过程中，当软硬界面位于盾构中心轴线以下时（即硬岩占比低于50%时），只有部分盘形滚刀会与硬岩接触。为便于说明，假设掌子面地层仅由上覆软土和下伏硬岩组成，具有水平的软硬界面，则对应的刀具与...

软硬界面识别方法的优势

在盾构隧道地层表征领域，可用的技术手段主要包括地质钻孔勘探、超前地质预测、掘进参数反馈和渣土图像分析。这些方法的适用场景和相对优势总结见表6。地质钻孔勘探是在隧道施工前进行的，从地面向下钻凿钻孔至隧道开挖区域。该方法...

结论

本文基于上软下硬复合地层的发展特性，对盾构盘形滚刀在冲击载荷下的振动响应进行了试验，并总结了刀盘静止和刀盘动态条件下盘形滚刀的振动响应规律。基于济南地铁项目的现场数据，对不同掌子面硬岩占比下盾构振动的时域和时频域响应特性进行了...

CRediT作者贡献声明

方正东：撰写——初稿，方法论，数据管理。杨卫民：资源，项目管理，形式分析。王静：资源，资金获取。宋占平：软件，方法论。孙尚渠：调查。巴兴智：构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（编号2023YFB2603600、编号2023YFB2603604）、青年拔尖人才支持计划（编号2024JJLJRC-086）、济南新大学20基金项目（编号202228054）、国家自然科学基金（编号52378403）以及山东省自然科学基金（ZR2024YQ038）的支持。

方正东｜杨卫民｜王静｜宋占平｜孙尚渠｜巴兴智