盾构渣土力学及工程应用

伴随着我国城市轨道交通等基础设施的快速发展，盾构法在我国隧道及地下工程建设领域的应用愈加普遍。由于设备成本相对较低，场地占用少，因此一般陆域隧道工程多采用土压平衡盾构进行施工。

▲ 土压平衡盾构开挖面平衡示意

土压平衡盾构刀盘刀具切削地层而形成渣土，流入土舱，经螺旋输送机排出。为了控制开挖面的稳定性和地层沉降，土压平衡盾构通过渣土建立土舱压力来平衡开挖面前方的土水压力。然而，盾构渣土的性质会影响盾构排渣的顺畅性，其渗透性会影响渣土止水性，渗透性强容易引发渣土喷涌，影响土舱压力的建立；另外，渣土黏附性强容易引发盾构结泥饼。为了便于盾构安全高效低碳掘进，盾构渣土需要有合适的塑流性、较低的渗透性、较低的剪切强度、合适的压缩性和较低的黏附强度。为了满足这些性质，土压平衡盾构通过向刀盘前方、土舱内和螺旋输送机内注入改良剂，对渣土进行改良。常用的改良剂包括泡沫、膨润土泥浆、高分子聚合物等，而又以泡沫最为典型。由于土压平衡盾构对渣土的特殊需求以及改良剂对渣土的性质改良，盾构渣土具有区别于自然界常规土的力学性质，其工作环境特殊，力学行为复杂，难以采用经典土力学知识来解释盾构渣土。

▲ 盾构渣土的五大性能需求

土压平衡盾构渣土既要利于建立土舱压力予以支撑隧道开挖面，又要能够通过螺旋输送机顺利排出，因此理想的盾构渣土要具有合适的物理力学参数，如图所示，盾构渣土需要满足塑流性、渗透性、剪切强度、压缩性和黏附性等要求

鉴于此，十年来，《 》（王树英等著. 北京 : 科学出版社, 2024. 10）一书作者系统开展了盾构渣土力学及工程应用研究，分析了渣土力学性质对盾构掘进行为的影响，提出了相应盾构渣土改良技术，并初步开展了智能化探索，形成系列研究成果，希望汇集成册，促进土压平衡盾构隧道建造水平的进步。

本书包括三篇24 章内容。在第1 章对盾构渣土力学问题陈述的基础上，分三篇介绍研究团队针对盾构渣土力学及其在盾构隧道工程施工中应用的研究成果。

• 第一篇盾构渣土力学，包含14 章内容，从改良剂对黏土界限含水率的影响规律入手，分别介绍了盾构渣土塑流性、渗透性、压缩性、剪切强度和黏附性等研究成果，不仅揭示了盾构渣土各方面的特性，而且从细观角度探明了相应的力学机理，建立了渗透性、压缩性、强度等相关力学理论模型。

• 第二篇盾构掘进力学行为，包含4 章内容，介绍了渣土改良下盾构掘进参数演化规律、盾构渣土渗透性及喷涌风险评估、掘进力学行为、地层响应等研究成果。

• 第三篇盾构渣土改良技术及其智能化，包括5 章内容，介绍了盾构渣土塑流性调控技术及应用、富水砂性地层盾构渣土喷涌防控技术及应用、黏性地层盾构渣土结泥饼防控技术及应用、盾构渣土改良状态评价方法及应用、盾构渣土改良参数机器学习及应用等研究成果。

本书由王树英、刘朋飞、钟嘉政、陈湘生著，汇集了十多位研究生前后跨度十余年的研究成果，参与了本书研究工作的还有瞿同明、倪准林、冯志耀、袁潇、胡钦鑫、杨鹏、黄硕、王海波、刘正日、令凡琳、占永杰、陈宇佳等。本书研究工作得到了国家自然科学基金优秀青年项目(编号：52022112)、国家自然科学基金面上项目(编号：51778637)、中国中铁股份有限公司重大课题(编号：2017–重大–1) 以及上述各企业科技研发合作项目的资助，在此一并衷心感谢！

本文摘编自《盾构渣土力学及工程应用》（王树英等著. 北京 : 科学出版社, 2024. 10）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

责任编辑：赵敬伟 杨 探

盾构渣土经过土舱，由螺旋输送机排出，是建立土压平衡盾构土舱压力的介质，其力学特性影响着盾构能否安全高效低碳地掘进。本书是专门研究盾构渣土力学及工程应用的著作，共24 章内容。本书论述深入浅出，提供了必备的预备知识、图片和案例，以利于读者理解与掌握本书内容。

本书可供从事隧道及地下工程建设、设计、施工、监理及科研等相关工作的技术人员参考，亦可作为高等院校相关专业师生的参考书目。

（本文编辑：刘四旦）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品位

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学