Spatial motion patterns and force transmission characteristics of muck particles in EPB shield tunneling: An FDM–DEM coupling analysis

EPB盾构掘进过程中渣土颗粒空间运动规律及传力特征：基于DEM-FDM耦合分析

Volume 25, December 2025, Pages 132-155

https://doi.org/10.1016/j.undsp.2025.05.005

土压平衡（EPB）盾构在砂卵石地层中施工常面临掘进效率低下、排渣不畅、刀具磨损严重、土仓压力控制困难等诸多挑战，这些问题严重制约了盾构隧道工程的顺利进行。盾构掘进过程中，土仓压力是维持开挖面稳定的关键参数，准确掌握开挖面压力与土舱压力的传递规律，有助于优化土仓压力控制策略，有效控制地表沉降。同时，刀盘切削下来的渣土颗粒能否及时、有序地运移和排出，直接关系到盾构机的持续高效掘进。若渣土运移不畅，可能导致刀盘前方或土舱内渣土堆积，引发排碴困难、刀具加速磨损等一系列问题，最终影响工程进度和施工安全。因此，为提高土压平衡盾构在砂卵石地层中的适应性，本研究深入研究了盾构掘进过程中渣土颗粒的运移特性和压力传递规律。

针对传统模型试验难以捕捉渣土颗粒细观运移特征、而纯离散元（DEM）方法在大尺度工程模拟中计算效率受限的不足，本研究将有限差分法（FDM）与离散元法（DEM）相结合，提出了一种基于刚性墙体边界的梯度应力构建新策略，建立了精细化、全尺寸三维FDM–DEM耦合盾构掘进数值模型（图1）。该模型在保证计算效率的同时，实现了对渣土颗粒运移行为与土仓压力演化过程的同步刻画。研究结果表明，土仓压力呈现“刀盘辐条处低、开口处高”的特征；土仓内部压力沿径向呈梯度分布，且受刀盘旋转诱导表现出显著的左右非对称性（图2）。通过定量分析，测定土仓上部压力传递系数稳定在约0.8（图3），据此确立了能够有效抑制地表隆起风险的“欠压推进”控制策略。在渣土颗粒运移特性方面，识别出两处典型的双涡流滞留区：一是刀盘中心区域（0~0.2D）（图4），二是土仓支撑柱附近区域（0~0.25D）（图5）。上述区域内渣土颗粒运移速度显著偏低，易形成局部堆积并诱发堵塞风险。基于此，本文提出在刀盘主轴附近设置径向搅拌棒的结构优化建议，以改善渣土扰动条件、削弱滞留区效应。本研究从压力传递机制与渣土颗粒细观运移行为两个层面，系统揭示了砂卵石地层中土压盾构掘进的关键控制机理，为刀盘结构设计及土仓压力优化控制提供了重要的理论依据与工程指导。

图 2 土仓内及开挖面压力分布

图 3 (a) 土压力测点布置；(b) 渣土压力传递系数变化

图 4 不同掘进距离下从开挖面进入土仓的渣土颗粒分布情况

图 5 运移稳定状态下土仓内渣土颗粒分布情况 (S = 150 cm)