在通过完全风化花岗岩地层的EPB盾构隧道施工中，对改良土体的流变实验及运输模拟研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Rheological experiment and transport simulation of conditioned soil in EPB shield tunneling through fully weathered granite strata

泡沫改良土流变特性及盾构机运输模拟研究：基于沈阳地铁风化花岗岩地层试验与CFD耦合模型分析，揭示剪切应力非线性增长规律及刀盘开口比优化策略。

　　

钱白|徐静敏|赵文|李家龙|杨青海|刘欢

东北大学资源与土木工程学院，中国沈阳110819

摘要

在完全风化的花岗岩地层中，泡沫改良土壤的流变行为和运输特性对土压平衡（EPB）盾构的掘进效率和安全至关重要。本研究使用自主研发的实验室加压旋转剪切装置，重点研究了从沈阳地铁1号线东三环站至东陵公园站区间采集的完全风化花岗岩样本的这些性质。分析了泡沫改良土壤在垂直载荷下的流变行为，并建立了一个耦合的计算流体动力学（CFD）模型，以模拟全尺寸EPB盾构机内的土壤运输过程。该模型评估了在不同流变参数下腔室土壤压力的分布和传递效率。此外，还分析了螺旋输送机的承压运输特性，以全面了解流变参数和刀盘开口比对盾构隧道系统中土壤运动的影响。结果表明，改良土壤的剪切应力随剪切率非线性增加，遵循Herschel-Bulkley（H-B）模型。在掘进过程中，压力波动主要发生在与刀盘旋转方向对应的侧面开口附近，增加了堵塞的风险。屈服应力和粘度系数与土壤压力传递系数以及螺旋输送机两侧的压力差呈强负相关。此外，增加刀盘开口比显著提高了土壤压力传递的连续性，但也放大了螺旋输送机两侧的压力降。研究发现，50%的开口比在平衡施工过程中的土壤运输效率和能耗方面是最优的。这些发现为优化完全风化花岗岩地层中EPB盾构掘进中的改良土壤排放系统提供了宝贵的指导。

引言

完全风化的花岗岩地层是土压平衡（EPB）盾构掘进中典型的复杂地质条件。与粘土或沙子等常见地层不同，完全风化的花岗岩由于强烈的风化作用而具有松散的结构，其颗粒主要由粘土组成。这种组成使材料具有很强的塑性，并且在接触水时容易形成泥浆。此外，由于风化程度的不同和矿物成分的重新排列，这种土壤的颗粒大小分布可能呈现双峰特性（Lu等人，2025年）。除了大量的细颗粒（如粘土矿物）外，这些地层还含有大量的粗颗粒，包括晶体和长石，它们保留了原始岩石的一些机械性能。这些综合特性给掘进带来了重大挑战（Wang等人，2019年）。常见的问题包括刀盘泥饼形成和螺旋输送机堵塞，这可能导致掘进腔室内的压力不平衡。这种不平衡对盾构机的稳定性构成严重威胁，可能导致工程故障，包括地表沉降和隧道错位（Zhuo等人，2025年；Wang等人，2020年；Tao等人，2019年；Xu等人，2025a年；Xu等人，2025b年）。在严重情况下，土壤排放系统的故障可能迫使作业完全停止（Gharahbagh等人，2014年；Oliveira等人，2018年），增加施工风险和经济损失。此外，粗颗粒的存在还可能导致刀盘表面或螺旋输送机内部的磨损。这些挑战突显了针对完全风化花岗岩特定条件进行隧道掘进实践研究的迫切需要。克服这些挑战的核心是了解高粘度环境中泡沫改良土壤的流变行为和迁移机制。优化改良土壤的流变参数以达到合适的流动状态对于确保高效稳定的盾构掘进至关重要（Kim等人，2019年；Lee等人，2023年）。研究改良土壤的迁移对于揭示改良土壤与盾构系统之间的动态相互作用以及准确预测掘进面、腔室和螺旋输送机中的压力分布和排放速率至关重要。这些见解还有助于实时反馈土壤改良效果，并帮助建立土壤改良与运输之间的动态平衡。因此，对完全风化花岗岩中盾构改良土壤的流变特性和运输特性进行全面研究具有重要的实践和理论意义。

改良土壤的流变特性反映了剪切应力与剪切率之间的关系（Wang等人，2023a年），为其在掘进腔室和螺旋输送机内的流动性和变形行为提供了关键见解。（Hu和Rostami 2020年）开发了一种实验装置，用于评估盾构掘进过程中产生的改良土壤的流变行为。在后续研究中，他们建立了改良剂与改良土壤流变参数之间的相关性，并基于这些测量结果提出了一种动态模拟方法（Hu和Rostami 2021年）。（Barnes和Nguyen 2001年）回顾了常用的流变仪，并指出旋转叶片流变仪特别适合测试非牛顿流体，特别是确定无机分散体的关键参数，如表观屈服应力。Galli和Thewes（2019年）研究了土壤颗粒大小、泡沫参数和含水量对泡沫改良土壤流变特性的影响，并验证了旋转流变仪在测试改良土壤流变行为方面的有效性。Chen等人（2025年）提出了一种能够测量改良沙子和金属之间不排水剪切强度、压缩性和切向粘附强度的测试装置。在进一步的研究中，Chen等人（2026年）在相同的压力条件下对沙子进行了压缩剪切测试，比较了盘式剪切强度和跨板剪切强度，并使用切向粘附强度与剪切强度的比率建立了两者之间的关系。然而，现有研究主要集中在一般的软土或沙土条件下，对完全风化花岗岩中泡沫改良土壤的流变行为关注有限。此外，腔室压力对改良土壤流变特性的显著影响常常被忽视，导致实验室结果与盾构掘进操作中的实际表现存在差异。

盾构机内部改良土壤的实际运输过程分为三个阶段，主要包括掘进土壤从刀盘进入腔室的阶段、螺旋输送机运输阶段和输送带运输阶段（Tao和Adam，2024年；Tao等人，2022年）。在这些阶段中，改良土壤在腔室和螺旋输送机内处于受压状态，这对土壤的流动塑性和改良土壤排放设备的性能提出了高要求（Wan等人，2024a年）。Wan等人（2024b年）研究了泡沫与土壤颗粒之间的相互作用，使用离散元方法（DEM）分析了泡沫增强土壤在整个迁移过程中的力学行为。类似地，Jiang和Yin（2014年）以及Qu等人（2019年）通过小规模DEM模拟研究了掘进腔室内淤泥的大变形。然而，这些方法更适合不连续介质（如沙子），不适用于粘性材料（如粘土）。此外，DEM的大计算复杂性使得开发用于模拟改良土壤排放的全尺寸颗粒流模型变得具有挑战性。对于高粘度土壤（如完全风化的花岗岩），可以将其视为连续流体介质，其在腔室和螺旋输送机中的运输行为可以通过计算流体动力学（CFD）方法进行模拟（Jin等人，2023年；Guo等人，2025a年；Guo等人，2025b年）。Talebi等人（2015年）应用CFD模拟了EPB盾构掘进中螺旋输送机的改良土壤排放性能，并用现场监测数据验证了数值模拟结果。Zhong等人（2022年）开发了一个具有改进入口边界的CFD模型，用于模拟遵循Bingham模型的改良沙子，并分析了腔室和螺旋输送机内的压力分布。然而，尚未建立完全风化花岗岩地层中改良土壤迁移特性的数值模型，不同流变参数和刀盘开口比对整体迁移的影响需要进一步研究。

本研究聚焦于在完全风化花岗岩地层中EPB盾构掘进过程中挖掘的泡沫改良土壤。使用自主研发的实验室加压旋转剪切装置系统地研究了改良土壤在加压载荷条件下的流变和力学特性。基于简化的刀盘-腔室-螺旋输送机系统耦合模型和实验获得的流变参数，进行了CFD模拟，以评估不同流变特性和刀盘开口比对腔室压力和螺旋输送机排放效率的影响。结果阐明了改良土壤在整个盾构机内的传输过程。总体而言，这项研究为理解完全风化花岗岩粘性地层中EPB盾构改良土壤的流变行为和运输机制提供了有用的参考。

章节摘录

土壤样本

图1显示了中国东北沈阳地铁1号线东延线东三环站至东陵公园站之间的区间。该盾构隧道段的总长度约为1.3公里（DK6+779.63至DK8+088.27）。该段采用土压平衡（EPB）盾构机建造，掘进直径为6,470毫米，刀盘开口比为46%。该区间的地质剖面如图2所示。

流变曲线分析

泡沫改良土壤表现出粘塑性流体的特性，在施加的剪切应力低于屈服应力时表现为固体，一旦超过这一阈值则转变为类似流体的状态。如图7所示，在300千帕的压力下，改良土壤的剪切应力随剪切率非线性增加，增长率逐渐减慢，表现出剪切稀化流动行为和屈服应力特性。

几何尺寸和计算域

使用ANSYS Fluent软件通过CFD方法模拟了盾构隧道系统中改良土壤的运输特性。如图10所示，模拟模型包括一个旋转刀盘、一个土壤腔室和一个螺旋输送机。每个组件的几何参数详细列在表4中。为了确保与实际掘进条件一致，螺旋输送机延伸0.5米进入腔室，以便连续排放改良土壤。

结论

本研究利用自主研发的加压旋转剪切装置系统地研究了来自完全风化花岗岩地层的泡沫改良土壤的流变行为。全面考察了ω、FIR和垂直压力对改良土壤流变力学特性的影响。此外，还进行了CFD模拟，以模拟改良土壤的运输过程，阐明了流体动力学的控制特性。

CRediT作者贡献声明

钱白：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。徐静敏：撰写——初稿、验证。赵文：撰写——审稿与编辑、监督。李家龙：撰写——审稿与编辑、验证、方法论。杨青海：方法论。刘欢：验证。

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报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52508435和52478389）、辽宁省自然科学基金博士研究启动项目（项目编号2025-BS-0082）和中央高校基本科研业务费（项目编号N2401020）的资助。