《Geotechnics》：Axial Force-Balance Modeling and Field Validation of an EPB Shield During Air-Assisted Excavation in Hard Rock
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当土压平衡（EPB）盾构于硬岩中采用气压辅助开挖时，常规全仓土压模式下的开挖面压力项不再直接适用，而仓内气压与刀盘—岩石相互作用成为轴向荷载的重要组成。研究人员提出一种面向半仓气压辅助硬岩开挖的轴向力平衡模型：引入有效气压作用面积系数χa以刻画气压力反力的不确
当土压平衡（EPB）盾构于硬岩中采用气压辅助开挖时，常规全仓土压模式下的开挖面压力项不再直接适用，而仓内气压与刀盘—岩石相互作用成为轴向荷载的重要组成。研究人员提出一种面向半仓气压辅助硬岩开挖的轴向力平衡模型：引入有效气压作用面积系数χa以刻画气压力反力的不确定性，并以单位贯入扭矩IM结合刀盘转速n与推进速度v表征等效硬岩掘进阻力。基于青岛地铁硬岩段现场数据，研究人员开展参数辨识、气压项消融、敏感性分析、连续区段验证与跨线验证。在χa=0.75代表工况下，左线模型R2=0.771，RMSE=1158.6 kN，实测与计算总推力相关系数0.878；剔除气压力反力后精度下降且残差与气压相关性显著增强，证实该项不可忽略。同结构在右线重标定后R2=0.647，而直接移植左线参数表现较差，表明模型结构具跨线适用性但参数依条件而定。该模型为半仓气压辅助硬岩掘进中环均化推力解释及实测—计算偏差评估提供了物理约束框架。
研究背景与问题提出
土压平衡（EPB，Earth Pressure Balance）盾构通常依赖土仓内渣土压力平衡开挖面水土压力。当盾构进入自稳性较好的硬岩地层时，若继续全仓保压，会加剧刀具磨损、增大刀盘扭矩并降低掘进效率。工程上常改用半仓、低渣位、压缩空气辅助支护的气压辅助开挖模式。既有EPB推力模型以“满仓土压力”为核心，其开挖面压力项在半仓条件下不再适用；同时硬岩中刀盘—岩石破碎相互作用对轴向荷载的贡献显著增强。现有研究多分别关注软土推力模型或硬岩TBM破岩荷载，尚缺乏将“仓内气压反力”与“刀盘—岩石等效掘进阻力”统一纳入准静态轴向平衡的物理模型，导致半仓气压辅助硬岩工况下总推力构成机制认识不足。
研究人员据此开展的研究与核心结论
研究人员以准静态平衡为基础，将实测总推力解构为：气压力反力、盾尾阻力、后配套拖曳阻力与等效硬岩掘进阻力。针对半仓条件引入有效气压作用面积系数χa（effective air-pressure action-area coefficient，表征实际受气压有效面积与全开挖面面积之比的折减系数），以仓内气压pa与全断面面积Afull计算气压力反力Fair=100χapaAfull。针对硬岩破岩，定义单位贯入扭矩IM=M/(v/n)（unit-penetration torque，每单位贯入量的刀盘扭矩需求，作为刀盘—岩石相互作用的复合指标），并结合刀盘转速n与推进速度v建立等效硬岩掘进阻力的一阶线性表达。研究以青岛地铁四方厂—海云庵区间左右线硬岩段为对象，取开挖直径D=6.48 m，左线150—250环用于辨识与验证，右线同区段作独立跨线验证。结论表明：在χa=0.75代表工况下，左线R2=0.771、RMSE=1158.6 kN、相关系数0.878；气压项不可省略；模型结构可跨线迁移但参数需本地重标定。
关键技术方法概述
研究人员采用青岛地铁硬岩段EPB现场监测数据，筛选半仓气压辅助稳定掘进记录，剔除启停与异常值后按管片环均值聚合为环尺度样本。基于准静态轴向平衡建立含气压力反力、盾尾阻力、后配套阻力与等效硬岩掘进阻力的集成模型；以尾刷密封与后配套重量参数计算常数项，用左线环样本辨识IM、n、v回归系数；通过气压项消融、χa敏感性扫描、候选子模型嵌套检验、连续区块留一验证与右线结构重标定/参数直传对比，评估模型拟合、稳定性与跨线适用性。
研究结果
轴向力分析
研究人员将总推力写为气压力反力、盾尾阻力、后配套拖曳阻力、等效硬岩掘进阻力与残差之和。硬岩中间歇接触摩擦与铰接阻力难以独立观测，并入等效掘进阻力项。
气压力反力模型
以χa折减全断面面积计算气压轴向反力。χa=0.75对应渣位约仓高四分之一的工程近似，而非实测有效面积比；敏感性显示χa在0.50—1.00内RMSE变化很小，数据不足以独立辨识其物理值。
等效硬岩掘进阻力模型
由每转贯入量P=v/n与单位贯入扭矩IM=M/P构成复合指标，再对IM、n、v作均值中心化一阶线性近似。左线辨识中IM与v显著，n不显著但保留全结构以利跨线重标定。
集成轴向力平衡模型
代入以上各项得总推力方程；尾阻与后配套阻按参数计算，其余系数由现场数据辨识。
模型辨识与验证
左线拟合R2=0.771，RMSE=1158.6 kN；消融试验去气压项后R2降至0.718、残差—气压相关升至0.409。连续区块验证中部分区块R2为负，说明工况偏移时泛化有限。右线重标定R2=0.647，左线参数直传则失效，证明结构可迁移、参数条件相关。
讨论与结论翻译
讨论指出：半仓工况下“空仓”不等于无面压，气压反力须重构入平衡；IM比单一扭矩或贯入量更能表征破岩负荷；模型残差吸收未建模拟土摩擦、铰接、地质与刀具状态异质性，环均值框架不适于瞬时峰值诊断。
研究结论部分翻译如下：
（1）半仓气压辅助硬岩开挖中，传统满仓土压力项须重构；引入χa将仓内气压转为轴向反力并纳入总推力平衡，为半仓工况提供物理框架。
（2）单位贯入扭矩IM可有效表征刀盘—岩石相互作用；左线IM与推进速度v贡献显著，全结构IM+n+v作参考模型，IM+v可作精简替代，转速项增益不稳定且参数依工况而定。
（3）χa=0.75时左线R2=0.771、RMSE=1158.6 kN、相关系数0.878；连续区块验证呈现不均匀预测性能，部分区块R2为负，泛化能力受限。
（4）右线同结构重标定后R2=0.647，左线参数直传显著退化；模型结构具跨线适用性，参数具线路与条件依赖性，新区段须保留力学结构并本地重辨识。
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