地下工程系盾构智能掘进研究团队在岩土工程领域国际著名期刊《Canadian Geotechnical Journal》上，发表了土压平衡盾构掘进方面的最新研究成果“Spatial Localization Technology and Motion Characteristics Analysis of Muck Particles during EPB Shield Tunneling”。
Yong Fang, Yuxiang Yao, Xiongyu Hu, Chuan He, Gongyun Xu, and Zhigang Yao. 2025. Spatial localization technology and motion characteristics analysis of muck particles during EPB shield tunneling. Canadian Geotechnical Journal. 62: 1-20.
论文链接：
https://doi.org/10.1139/cgj-2025-0131
在土压平衡盾构施工中，深入揭示刀盘前方及土仓内渣土颗粒的运移特性，对于预测渣土流动规律、识别滞留区域及优化掘进性能具有重要意义。系统分析渣土颗粒的运移规律，可为刀盘结构与搅拌系统的优化设计提供理论支撑，从而提升盾构刀盘的切削与导流性能。然而，由于盾构土仓及岩土介质的不透明性，传统观测手段难以实现对渣土颗粒运动过程的可视化追踪。为突破这一技术瓶颈，本研究建立了基于磁偶极子模型的磁定位理论体系，推导了圆柱形永磁体的磁场分布模型，构建了磁场强度与磁体空间位置及姿态参数之间的数学关系。针对磁场反演问题的强非线性特征，提出了基于粒子群与Levenberg–Marquardt（PSO–LM）混合优化算法的定位求解策略，通过PSO实现全局搜索并利用LM进行局部精确优化。基于该理论体系，本研究首次将磁定位技术引入模型盾构掘进试验，研制了高精度渣土颗粒空间定位装置及配套的模型盾构掘进设备，实现了对刀盘前方及土仓内渣土颗粒运移轨迹的实时监测与可视化。试验结果表明，该系统可实现毫米级跟踪精度，平均定位误差仅为1.46 mm，完全满足模型试验需求。本研究不仅验证了磁定位技术在模型盾构掘进中的可行性与精度优势，同时结合PSO–LM算法实现了颗粒运动轨迹的高精度反演，为揭示渣土颗粒运移机理、优化刀盘设计及改进土仓结构提供了新的技术路径与实验支撑。
图1 颗粒空间定位方法、系统集成与软件平台
图2 颗粒空间定位装置与模型盾构掘进设备集成
创新点
1. 基于磁偶极子模型理论，提出粒子群(PSO)–Levenberg–Marquardt (LM）混合优化算法，有效解决了磁场反演计算的非线性与初值敏感问题，使定位精度较传统算法显著提升。
2. 首次将磁定位技术引入模型盾构试验，研发了高精度渣土颗粒空间定位装置及配套的模型盾构掘进设备，实现了渣土颗粒的三维实时可视化监测。
3. 揭示了刀盘前方及土仓内渣土颗粒的螺旋运移特性与滞留特征。
4. 提出了基于颗粒运移规律的刀盘结构优化与刀具布局策略。
主要结论
1. 本研究首次将磁定位技术应用于模型盾构试验，成功研发了渣土颗粒空间定位装置以及与之配套的模型盾构掘进设备，实现了对刀盘前方及土仓内渣土颗粒运动特征的实时监测与分析。
2. 通过试验研究，验证了磁定位技术在模型盾构试验中的定位准确性，该技术可实现毫米级的跟踪精度，其平均定位误差仅为1.46毫米，完全满足试验测量要求。揭示了渣土颗粒在刀盘前方及土仓内的运动规律，包括颗粒的螺旋流动路径及滞留区域的形成机制。
3. 模型盾构开挖过程中，从刀盘中心至边缘，渣土颗粒进入与排出土仓的概率呈递增趋势，而滞留概率则相应递减。具体而言：内圆区域（0 < R < 0.11D）的颗粒在刀盘前方显著滞留并作螺旋运动；中间区域（0.11D < R < 0.20D）颗粒在推进距离超过0.125D后进入土仓；外圆区域（0.20D < R < 0.43D）颗粒则在推进超过0.075D后即可进入。
4. 刀盘中心至边缘0.2D范围内的土颗粒受到刀盘刀具的旋转挤压作用更显著，该区域内的土颗粒在刀盘刀具的作用下以螺旋线的形式向周围扩散，当扩散到一定程度后，该区域内的土颗粒才会进入土仓，否则将会滞留在刀盘前方。
图3 颗粒空间定位精度评估
图4 渣土颗粒基本运移特性
盾构智能掘进研究团队介绍
盾构智能掘进研究团队致力于推动人工智能技术在土木工程盾构或TBM隧道领域的深度融合与创新应用，并积极推动科研成果的转化与落地。团队方勇教授为该论文的第一作者，姚玉相博士为第二作者，其成果为提升盾构施工的安全性和效率提供了重要的理论与技术支撑。团队在揭示渣土颗粒运移机制方面持续取得创新进展，相关代表性研究成果还包括以下两篇论文：
1. Yao, Y., Fang, Y., Dou, L., He, C., Zhuo, B., & Xu, G. (2024). Experimental study on granule trajectory tracking for the EPB shield tunneling in sandy cobble stratum. Tunnelling and Underground Space Technology.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tust.2024.105980
2. Yao, Y., Fang, Y., He, C., Xu, G., Yao, Z., & Hu, X. (2025). Spatial motion patterns and force transmission characteristics of muck particles in EPB shield tunneling: An FDM-DEM coupling analysis. Underground Space.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.undsp.2025.05.005
作者介绍
方勇（第一作者）
方勇，教授、博导，国家高层次人才，四川省首届杰出青年科学技术创新奖获得者，现任地下工程系主任、极端环境岩土和隧道工程全国重点实验室（西南交通大学）副主任，交通隧道工程教育部重点实验室副主任。主要从事盾构（TBM）隧道智能建造、特长隧道及隧道群智慧运维等方面研究。
姚玉相（第二作者）
姚玉相，西南交通大学地下工程系在读博士，主要开展盾构掘进机-土相互作用、隧道衬砌结构设计与分析、盾构渣土及废弃泥浆绿色处理等方向的研究工作。在《Can Geotech J》、《Tunnelling Underground Space Technol.》、《Underground Space》等国际期刊发表多篇学术论文。
