埋深EPB盾构穿越沙性地层时压力舱内调理土体塑性流动研究

为什么深埋隧道需谨慎配制“泥浆”

现代城市越来越依赖于在繁忙街道深处开凿的地下轨道。为安全掘进这些隧道，工程师使用大型机械一边推进一边抵抗周围的砂和水。位于机器前方的物料必须像浓牙膏一样流动：既要足够柔软以便输送，又要足够粘稠以支撑隧道面，防止坍塌或突然向地面喷涌。本研究提出了一个具有重大安全意义的实用问题：当隧道比通常更深并穿过松散沙层时，应该如何配制这种“隧道泥”？

盾构机如何依赖工程化土体

地压平衡（EPB）盾构机在机头处开挖土体，并通过螺旋输送机将其排出，同时保持稳定压力以支撑隧道面。在浅层沙地中，承包商常凭经验选择泡沫和浆液，把土体调成可操作的膏状物。一个简单的现场试验——坍落度试验，用来测量这种膏体在自身重力下锥状堆的塌落量。常见建议给出一个宽泛的“良好”范围：100–200 毫米。但对于埋深很大的沙质隧道，这类经验规则可能失灵：如果土体流动过于容易，可能会从机器中不受控地喷出；若太僵硬，排出变慢甚至堵塞隧道。

把坍落度转化为可测的流动定律

作者用流体力学概念重新表述了这一经验问题。他们将调理后的土体视为宾汉流体，这种材料在应力超过某一阈值前不会流动，超过后则像非常黏稠的液体那样流动。在该假设下，研究者建立了一个简化的坍落度机械模型，将观察到的塌落高度直接与土体的“屈服应力”——使其开始流动所需的应力——联系起来。利用旋转粘度计的实验室测量证明，当砂体与泡沫和膨润土混合时，所得膏体在实际流速下大致遵循此类行为；当土体较软时，模型预测的坍落度与实际测得值吻合良好。

用特殊添加剂让僵硬土体也能流动

然而在所关注的极大埋深下，工程上常需要几乎不塌落但仍在螺旋输送机中作为整体慢速推进的土团。仅靠泡沫和膨润土无法同时满足这两点：低坍落度样本会变干并开裂，失去必要的塑性。因此团队测试了另一种配方，加入了一种长链聚合物——聚丙烯酰胺（PAM）以及超细颗粒。这些添加剂在显微尺度上形成三维网状结构，既在砂粒间搭桥，又填充颗粒间隙。电子显微镜图像显示处理后土体呈致密的网状结构。在实验室中，这些混合物即便在更低的坍落度下仍保持牙膏状，其流动行为仍可用宾汉模型描述，从而为研究者在广泛刚度范围内提供了可靠的屈服应力和粘度参数。

深度与压力如何重塑理想泥体

掌握这些测量后，作者进一步考察了当仅靠压力而非机械转动推动土体前进时，螺旋输送机内土体应如何表现。他们推导出在给定压差下，宾汉类土体通过理想化管道的流量表达式，并将其与真实螺旋输送机的详细数值模拟进行了比对。简化模型再现了主要趋势：排量随舱室压力升高而增加，随屈服应力或粘度增大而减少。利用广州某地铁工程的数据——直径 8.8 米的 EPB 盾构在约 30 米深处穿越砂层，他们反向应用该模型估算了实际产生安全平衡掘进的舱内泥体属性。分析显示，随着隧道深度和压力增加，土体必须逐步变得更强（屈服应力更高）并因此更不易塌落，以防止不受控流动。

为更深更安全的掘进提供实用指南

最后，作者将这些流变学目标转化为适用于类似埋深和砂土条件下 EPB 盾构的简单坍落度建议。对于覆土 20 米的隧道拱顶，建议采用相对柔软的土体，坍落度约为 177 毫米。30 米深时，理想坍落度收紧到约 94 毫米，接近广州线路的现场经验。到 40 米和 50 米深时，预测最安全的配比非常粘稠，坍落度分别约为 60 和 28 毫米。换言之，随着隧道加深，“牙膏”必须越来越像坚实的粘土以维持稳定且不喷溅的土塞，而像 PAM 和超细颗粒这样的添加剂对于在受控条件下保持这种高刚度土体的可输送性至关重要。本研究把很大程度上基于经验的工艺转为定量框架，为隧道设计者在深埋沙质城市地层的土体调理上提供了更清晰的安全边界。

引用: Zhong, X., Huang, S., Wang, H. et al. Study on plastic flow of conditioned soil within pressure chamber of deeply buried EPB shields tunneling through sandy stratum. Sci Rep 16, 12958 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43016-7

关键词: EPB 盾构掘进, 土体调理, 隧道面稳定性, 宾汉流体, 聚合物改性土