《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Kinetic equivalence-based testing and DEM analysis of the muck transfer mechanism in inclined shaft TBM
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摘要斜井隧道掘进机重力排渣效率及刀具磨损研究，基于动能等效测试平台和离散元模型，分析转速、进尺率与倾角对排渣效率误差（8.65%）、磨损率（WR）及稳定性系数（CV）的影响，揭示参数耦合效应，推荐转速5.5r/min、进尺率15mm/min、倾角40°为最优工况。
肖彦秋|张同全|陈志军|曹阳|李一豪|孙春雅|贾连辉|崔广振
河南智能隧道掘进机协同创新中心，郑州轻工业学院，中国郑州450000
摘要
随着城市深地下空间和抽水蓄能电站等大规模项目的发展，对倾斜井隧道掘进机（TBM）应用的需求日益突出。重力驱动的排渣过程可以有效降低倾斜井TBM的能耗和运营成本。然而，在施工过程中面临一些挑战，例如在陡峭倾斜条件下不规则形状的渣料传输效率低以及溜槽严重磨损等问题。为此，本研究开发了一个动力学等效（KE）测试平台，并建立了离散元方法（DEM）模型来模拟不规则形状渣料颗粒从切割头到溜槽的整个传输过程。结果表明，测试平台与DEM模型在排渣效率（ME）方面的平均误差为8.65%。单因素分析显示，ME通常随着切割头转速（n）和推进速率（v）的增加而增加，并在中等到高倾斜角度（β）时达到较优水平。溜槽磨损率（WR）随着v的增加而加剧，而其与n和β的变化则不单调。变异系数（CV）在适中运行水平下相对较低，表明排渣稳定性较好。交互作用分析表明，涉及n的耦合效应更为显著，特别是n × v和n × β对ME的影响，n × β和n × v对CV的影响，以及n × β对WR的影响。基于这些结果，建议最佳运行条件为n = 5.5 r/min、v = 15 mm/min和β = 40°。
引言
隧道掘进机（TBM）是现代隧道工程的核心设备，其技术水平直接决定了在复杂地质条件下的施工效率和安全性。它已成为抽水蓄能、交通隧道和城市地下空间开发等领域的重要工具（Liu等人，2016年；Yang等人，2019年；Zheng等人，2016年）。在全球碳中和目标的推动下，作为大规模储能设施的抽水蓄能电站正在快速发展。然而，过大的倾斜角度会导致碰撞引起的能量损失和流动控制问题。此外，渣料的流动特性受其颗粒大小分布、含水量和岩性的影响。这些因素共同对高倾斜条件下倾斜井TBM中的重力驱动排渣过程构成了重大挑战，包括排渣效率降低、运行稳定性差易堵塞以及溜槽严重磨损，最终可能导致设备停机（Bai等人，2021年；Fan等人，2024年；Li等人，2017年）。
多年来，人们已经对水平隧道掘进机（TBM）的排渣性能和掘进稳定性进行了大量研究。关于排渣效率，Geng等人（2019年）使用了一个几何缩比的测试平台，证明渣料传输能力受到渣料形状的显著影响，而随着排渣溜槽数量的增加，运行稳定性明显提高。Lee和Kwon（2023年）研究了球形和片状渣料的排放行为，发现最大渣料颗粒大小与螺旋螺距的匹配关系是控制排放速率的关键因素。此外，学者们根据不同的地质特性优化了切割头的推进速率和转速，明确了操作参数对不同地层掘进性能的影响，为实现高效掘进提供了参数基础（Lee等人，2023年；Xia等人，2022年；Yang等人，2024年）。在掘进稳定性方面，以隧道面稳定性为核心，学者们从多个维度进行了研究，包括地层中的颗粒相互作用、岩体的智能识别、渗流压力的演变以及曲线掘进参数等。这些努力显著提高了对地质适应性掘进控制的理解，并提高了隧道施工的可预测性和安全性（Huang等人，2025年；Niu等人，2023年；Shi等人，2024年；Wang等人，2024年）。在磨损方面，学者们利用离散元方法（DEM）模拟和实验分析优化了渣料刮板的安装角度，并为盘式切割器开发了磨损预测模型，从而为切割器设计、布局和掘进参数的优化提供了理论基础（Xia等人，2021年；Zhang等人，2021年）。在泥浆TBM循环管道磨损的研究中，学者们利用数值模拟方法系统地揭示了颗粒和泥浆参数对管道振动和磨损的影响机制，提出了振动评估标准，并基于振动特性实现了磨损区域的准确定位（Fang等人，2023年；Fang等人，2025年）。基于现场观测数据，Li等人（2024年）开发了一个描述管道内表面磨损分布的现象学模型，并量化了不同地层中的磨损率。这些发现加深了对关键TBM组件磨损机制的理解，共同推动了TBM技术向更安全、更高效的方向发展。
关于小倾斜角度，Cheng等人（2024年）构建了一个改进的三维多块失效模型，系统分析了隧道倾斜角度和地面倾斜角度对浅层隧道面稳定性的综合影响。Li和Li（2025年）通过全尺寸线性破岩试验和3D激光扫描获得了实际渣料的几何模型，并在此基础上建立了大直径切割头的排渣过程数值模型。他们系统研究了盘式切割器系统、接头发育程度、掘进方向以及切割头操作参数对排渣性能的影响。这些研究共同证实了倾斜角度对隧道工程中机械行为的显著影响。
在理解TBM的挖掘机制、运行稳定性和组件磨损方面取得了实质性进展。然而，大多数现有研究集中在水平条件或接近0°的倾斜角度上，其结论不能直接应用于抽水蓄能项目中的大倾斜井，其中井倾斜角度可达到40°。在这些条件下，沿井方向的重力分量变得更强，排渣过程不再主要受传统机械输送的支配，而是受到重力驱动滑动、颗粒碰撞、局部堆积和间歇性释放的共同影响。因此，切割头转速（n）、推进速率（v）和倾斜角度（β）之间的相互作用效应与标准TBM操作中的情况不同。
此外，大多数先前的研究将渣料颗粒简化为球体。对于在较大倾斜角度井中运行的TBM，由于排渣依赖于重力流动，颗粒形状的不规则性、大小分布和与重力相关的流动行为起着更重要的作用。此外，大多数当前的TBM排渣实验研究依赖于几何缩比的测试平台，这种方法常常忽略了由于渣料颗粒尺寸变化而产生的显著尺度效应，这可能会影响实验结果的准确性。
因此，本研究以洛宁抽水蓄能电站使用的“永宁浩”TBM为工程背景，重点研究大倾斜井中的重力驱动排渣问题。建立了KE测试平台和相应的DEM模型，以研究切割头转速n、推进速率v和倾斜角度β对排渣效率、排渣稳定性和溜槽磨损率的影响。进一步探讨了效率、稳定性和磨损之间的权衡，并为大倾斜条件下的参数选择提供了工程建议。
测试平台的设计与开发
该平台由五个主要部分组成：切割头主体结构、溜槽、驱动系统、承重阶梯井和铝型材框架，如图4（a）所示。切割头直径为1米，切割头和溜槽均采用Q235钢材制成。切割头圆周上均匀分布有六个渣料进口开口，并配备了渣料刮板（图4（b））。为了观察颗粒轨迹，
掘进参数对排渣性能的影响
为了进一步阐明关键参数在倾斜井TBM掘进过程中对排渣性能的影响模式，选择n、v和β作为控制变量，而ME、WR和CV作为目标变量。本研究中的控制参数变化范围是根据倾斜井TBM的实际掘进条件设计的，具体数值范围见表6。最终，通过仿真和实验研究，得出了15组
结论
本研究解决了大倾斜井TBM重力驱动排渣过程中的关键问题，包括排渣效率低、频繁堵塞和溜槽严重磨损。开发并建立了KE测试平台和相应的多功能排渣数值模型。结合测试和仿真方法揭示了关键掘进参数影响排渣性能的机制和模式。主要结论如下：
1.设计
作者贡献声明
肖彦秋：撰写 – 审稿与编辑、调查、资金获取、概念化。张同全：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、调查。陈志军：撰写 – 审稿与编辑、监督、调查、概念化。曹阳：调查。李一豪：方法论。孙春雅：调查。贾连辉：调查。崔广振：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们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
本文得到了河南省高校科技创新人才（26HASTIT061, 25HASTIT035）、河南省科技研发项目（262102221018, 252102220095）以及2025年河南省重点研发计划（251111222100）的资助。
