基于修正土性指标分类边界的软硬交替地层泥饼形成风险评估：以深圳前海-蛇口跨海隧道为例

《Frontiers in Marine Science》：Risk assessment of mud cake formation in alternating soft-hard strata using modified soil index classification boundaries: a case study of the Shenzhen Mawan Cross-Sea Tunnel

　　

专业摘要翻译 在海床下方的软硬交替地层中进行盾构隧道掘进时，由泥饼形成引发的刀盘堵塞是导致施工中断的关键因素。基于标准土性指标边界的传统风险评估方法往往不够充分，因为它们无法捕捉土体稠度与刀盘操作之间的复杂相互作用，导致早期预测不可靠。为克服这一局限，本研究通过将修正的土性指标边界与多因素分析相结合，开发了一种实用且定量的海底环境泥饼形成风险评估方法。研究人员对代表性的黏土-砂混合物进行了实验室阿太堡界限试验和改进型搅拌试验，以系统地重新定义软硬交替条件下塑性指数（plasticity index, Ip）和液性指数（liquidity index, IL）的分类范围。通过测量不同含水率下不同土样的粘附力，由此产生的风险分级系统定义了四个泥饼形成风险等级。在这些修订标准的基础上，研究人员建立了一个包含两个地质因素和四个施工相关因素的结构化评估体系，并使用层次分析法（analytic hierarchy process, AHP）量化了它们的相对贡献。结果表明，与传统标准相比，修改后的指标边界显著提高了对泥饼形成风险等级的区分能力。在所考虑的因素中，塑性指数起主导作用（49.5%），其次是刀盘中心无开口面积比（17.3%）和液性指数（16.5%），这表明堵塞是由土体塑性、流动特性和刀盘结构配置的综合效应所决定的。这种定量权重进一步揭示了泥饼形成风险对地质和操作控制的相对敏感性。该方法在深圳前海-蛇口跨海隧道项目（一个典型的海底基础设施工程）中的应用展示了其实际价值。与传统评估不同，该方法成功识别出先前未被发现的中等风险区，在这些区域观测到了显著的地层粘附和开挖效率降低。该案例验证证实，将修正的土性指标边界与多因素分析相结合，能够实现对海洋环境下复杂复合地层中的早期泥饼形成风险进行更灵敏、更可靠的评估。

专业论文解读文章

1. 研究背景与意义

在城市化进程加速的背景下，盾构法因其安全性高、可靠性好及施工效率高等优点，已成为城市和海底隧道建设的主流工法。然而，随着隧道工程向复杂的海洋和沿海地质环境延伸，盾构机频繁遭遇软硬交替地层，即短距离内开挖条件剧烈变化的地层。在这种条件下，尤其是在海底环境中，因泥饼形成导致的刀盘堵塞是最具破坏性的施工问题之一。泥饼是指开挖过程中粘性土颗粒粘附在刀盘和刀具上，逐渐形成的致密压实块体。若不有效控制，会导致推力和扭矩需求增加、掘进速度降低，甚至造成长时间施工中断。

现有研究表明，泥饼的形成主要受地质因素和施工因素影响。然而，由于缺乏对这些影响因素及其相关施工风险的系统性理解，可能导致重大的经济损失和工期延误。因此，在盾构施工前，特别是对于干预和修复更为困难的海底隧道工程，分析和评估盾构泥饼风险至关重要。传统的基于标准土性指标（如塑性指数、液性指数）的风险评估方法，通常采用经验值或参考文献中的分类边界，未能将土性指标分类与实验室观察到的粘附行为及施工因素有效关联，导致评估不准确。因此，迫切需要一种能够结合修正的土性指标和多因素分析的、面向工程的泥饼风险评估框架。

2. 研究方法与技术路线

为应对上述挑战，本研究提出了一套面向工程的泥饼形成风险评估框架，旨在通过将土性指标分类与实验室观察到的粘附行为及施工因素显式关联，提高早期风险识别的准确性。研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   阿太堡界限试验：按照中国国家标准，制备了不同粘土矿物含量（高岭石与蒙脱石混合，模拟天然粘土）和砂粒含量的六种土样，测定其液限和塑限，从而计算塑性指数（I_p）和液性指数（I_L）。
2. 2.
   改进型搅拌试验：使用定制化的实心钢制叶片（替代原有带孔叶片）的霍巴特搅拌机，在不同含水率条件下对不同土样进行搅拌，通过称量叶片上的粘附质量，定义了粘附率（λ）来定量表征泥饼形成的潜力。
3. 3.
   层次分析法（AHP）：邀请12位来自隧道工程、岩土工程和工程地质领域的资深专家，运用1-9标度法对选定的风险因素进行两两比较，构建判断矩阵，并通过一致性检验后，计算出各因素的全局权重。

3. 主要研究结果

3.1 阿太堡界限试验

通过对六种不同配比的土样进行阿太堡界限试验，获得了各土样的塑限（W_P）、液限（W_L）和塑性指数（I_p）。结果显示，随着粘土矿物含量的增加，土样的液限、塑限和塑性指数均呈上升趋势。

3.2 搅拌试验

通过改进型搅拌试验，测定了不同土样在不同含水率下的粘附率（λ）。研究发现，粘附率随液性指数（I_L）的变化呈现先增后减的趋势，存在一个峰值粘附区间。基于此，研究将粘附率划分为三个风险区：低风险（0-0.125）、中等风险（0.125-0.215）和高风险（0.215-0.325）。

3.3 修正的土性指标分类边界

将搅拌试验得到的粘附率数据点绘制在塑性指数（I_p）与液性指数（I_L）的空间中，根据上述三个风险区，重新划分了泥饼形成风险的分类边界。新的分类标准定义了四个风险等级：无风险、低风险、中等风险和高风险。例如，对于塑性指数，高风险定义为 >28；对于液性指数，高风险定义为 0.25-0.65。该修正边界较传统经验标准更能有效区分风险水平。

3.4 基于AHP的风险评估模型

利用AHP方法，建立了包含地质因素（塑性指数、液性指数）和施工因素（冲洗系统、刀盘中心无开口面积比、刀盘开口率、刀具布置）的多层次风险评估模型。专家打分和一致性检验后，得到各因素的全局权重：

• •
  塑性指数（I_p）：49.5%
• •
  刀盘中心无开口面积比：17.3%
• •
  液性指数（I_L）：16.5%
• •
  刀盘开口率：9.0%
• •
  刀具布置：5.1%
• •
  冲洗系统：2.6%

结果表明，塑性指数是影响泥饼形成的最主要因素，其次是刀盘中心无开口面积比和液性指数。

3.5 工程案例验证

将该方法应用于深圳前海-蛇口跨海隧道工程。与传统评估方法相比，新方法成功识别出了之前被忽略的中等风险区。现场监测数据（如刀盘扭矩系数和盾构贯入指数）显示，在这些被识别出的中等风险区，确实观测到了显著的地层粘附和开挖效率降低的现象，从而验证了新方法的有效性和可靠性。

4. 总结与结论

本研究针对海底软硬交替地层中盾构泥饼形成风险评估难题，提出了一种整合修正土性指标边界与多因素分析的新方法。研究通过系统的室内试验重新界定了塑性指数和液性指数的风险分类标准，并结合AHP法量化了各因素的权重。

研究结论如下：

1. 1.
   基于粘附行为的修正土性指标分类边界，相较于传统经验标准，能更准确地判别泥饼形成风险等级。
2. 2.
   在所有评估因素中，塑性指数（权重49.5%）是控制泥饼形成的主导因素，其次为刀盘中心无开口面积比（17.3%）和液性指数（16.5%），表明泥饼形成是土体塑性、流动特性和刀盘结构的综合作用结果。
3. 3.
   通过在深圳前海-蛇口跨海隧道工程中的应用验证，该框架成功识别了传统方法遗漏的中等风险区，证明了其在复杂海底复合地层中进行早期、灵敏、可靠的风险评估的实用价值。尽管部分引用的堵塞风险研究基于土压平衡盾构数据，但研究认为其背后的粘附机理和土性指标分类同样适用于泥水平衡盾构。