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第３３卷 第１
２期
２０２０年１２月中 国 公 路 学 报
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Ｖｏ
ｌ．３３
Ｎｏ．１２
Ｄｅ
ｃ．２０２０
文章编号：
１０
０１
－
７３
７２
（
２０２０
）
１２
－
０１
６４
－
１２
收稿日期：
２０
２０
－
０３
－
３１
基金项目：
国家重点基础研究发展计划（“
九七三”
计划）
项目（
２０
１５ＣＢ０５７８０２
）
作者简介：
沈 翔（
１９
９１
－
），
男，
浙江杭州人，
工学博士，
深圳大学博士后，
Ｅ
－
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＊通讯作者：
袁大军（
１９
６１
－
），
男，
辽宁本溪人，
教授，
博士研究生导师，
工学博士，
Ｅ
－
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高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的
研制与应用
沈 翔１
，
２
，
３，
袁大军＊
１
，
２，
吴 俊１
，
２，
李兴高１
，
２，
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，
２，
王 滕１
，
２
（
１．北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室，
北京
１０００４４
；
２．北京交通大学 隧道与地下工程教育部
工程研究中心，
北京
１０００４４
；
３．深圳大学 土木与交通工程学院，
广东 深圳
５１８０６０
）
摘要：
为了实现可在２．
０ ＭＰａ 高水压环境下开展盾构试验研究的基础试验条件，
结合拟建的琼州
海峡隧道工程背景，
充分调研了国内外盾构模型机研究成果，
并根据试验研究的需求，
研发了高水
压多功能泥水平衡盾构模型试验平台。试验平台研制过程中攻克了在缩尺盾构模型机中实现泥水
循环功能的问题，
解决了高水压（
２．
０ ＭＰａ
）
下盾构机以及土箱整体强度和密封问题，
实现了盾构姿
态改变、
变覆土高度等功能。按照一定的试验先期准备步序，
在不同水压条件下，
对泥水平衡盾构
开挖过程中盾构姿态动态变化规律进行了模型试验研究。试验平台包括模型土箱、
盾构模型机、
液
压泵站、
电控柜、
控制台、
泥水循环系统等部分，
可在２０
０ ｍ 水头的高水压条件下进行泥水盾构施
工的模型试验。研究结果表明：
自主研发的泥水平衡掘进模型试验平台可在高水压条件下正常进
行工作，
并可进行与泥水盾构施工相关的模型试验；
盾构姿态角改变量与盾构掘进距离的线性拟合
结果表明，
二者的拟合精度较高；
随着试验水压的升高，
在水平方向以及竖直方向上盾构姿态调整
的难度逐渐增大；
通过有土环境与无土环境的对比可知，
高水压与地层反力的双重约束对盾构姿态
控制提出了更高的要求。
关键词：
隧道工程；
盾构模型机；
模型试验；
盾构姿态；
高水压
中图分类号：
Ｕ４
５５．４４
文献标志码：
Ａ
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７３
７２．２０２０．１２．０１３
０引 言
越江海隧道由于其独特的不受气候影响、
通行
能力稳定、
抵抗战争破 坏 强以及不破坏航运 等 特
点［
１
］
，
日益成为城市、
地区、
甚至国家之间的重要连
接手段和交通命脉［
２
－
４
］
。英法海底隧道［
５
］
、
东京湾海
底隧道［
６
］
、
斯多 贝尔特海峡隧道［
７
］
、
易北河第四隧
道［
８
］
、
绿 色 心脏隧道［
９
］以 及 中 国 的 多 条 穿 越 长
江［
１
０
］
、
黄河［
１
１
］
、
珠江［
１
２
］的隧道都在其所在国家、
地
区和城市中承担着不可或缺的使命。
越江海隧道属于国家重大交通基础设施［
１
３
］
。
随着国家海洋战略、
区域经济一体化、
国家大通道建
设计划的逐步实施，
中国采用盾构法在深水区域挑
战高水压越江海隧道建设，
如琼州海峡隧道［
１４
］
、
烟
大渤海海峡隧道［
１５
］
、
台湾海峡隧道建设［
１６
］
等。以琼
州海峡隧道为例，
水压将达到１．
５ ＭＰａ 以上，
水土
荷载将达到２．
０ＭＰａ
，
这在国内外是没有先例的（
现
有的案例最大水压０．
９ＭＰａ
），
不仅工程本身存在巨
大风险，
而且既有的设计施工的基础理论也面临诸
多新问题和挑战。也由于即将建设的越江海盾构隧
道具有长距离（
烟大海峡隧道长超过１２
５ｋｍ）
和大
直径（
琼州海峡隧道直径为１６
．７ｍ）
等突出特点，
且
工程地质和水文地质条件复杂多变，
加上重要交通
干线使命和百年服役期的要求，
虽然当前中国可以
及时引进与世界同步的最新盾构硬件技术支撑，
但
越江海盾构隧道的建造属于涉及多元、
多场耦合的
具有复杂、
开放和动态特点的系统，
工程建设面临重
大安全问题的挑战。
现有的水土压力计算方法和理论是否适用于高
水压以及渗流的情况，
如何满足高水压盾构隧道设
计和施工要求，
尚未有定论。因此需要对高水压下
的水土压力问题进行深入研究。高水压作用下盾构
隧道合理管片衬砌结构形式也一直是业内争论的焦
点，
结构是否需要从水土与结构的相互作用、
管片衬
砌与二衬的相互作用、
结构力学特性及防水性能等
多方面综合评价，
在理论上给予解决。现有计算理
论和方法难以考虑大直径盾构刀具切削负荷和撞击
作用，
刀具的磨损和失效无法评价。目前，
对于施工
中的盾构姿态的调整主要依靠盾构司机凭借自己的
经验进行超控，
盾构姿态控制理论缺乏，
远落后于实
５６
１
第１２期 沈 翔，
等：
高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用
践。已有的相关研究成果也难以应用于实际工程。
特别地，
在高水压条件下，
盾构姿态一旦出现较大偏
差，
即处于非正常掘进姿态，
对盾构进行纠偏将变得
非常困难，
纠偏过程扰动地层极易引起海水倒灌、
开
挖面失稳等重大事故。另外，
大直径盾构隧道开挖
面的稳定性评价和控制也亟待解决。
针对以上提出的高水压条件下的问题，
目前研
究手段匮乏，
已建或在建的盾构隧道工程最高水压
的仅为０．
９ ＭＰａ
（
苏通 ＧＩＬ 综合管廊工程），
已有的
研究成果和施工经验仅适用于常水压条件。室内模
型试验是最为合适的研究方法，
但是实现２．
０ ＭＰａ
高水压极为困难。国内外相关研究机构也因此研制
了一系列 泥水平衡盾 构 模 拟 试验设备与装置［
１７
］
。
早稻田大学 Ｍｏ
ｒｉ教授团队［
１
８
－
１
９
］研制出
Φ
２５
０模型
泥水式盾构试验装置，
在泥水平衡盾构掘进机理和
掘进参数控制方面进行了研究，
并在早期获得了重
要的研究成果。北京交通大学袁大军教授团队［
２０
］
研制了
Φ
３０
０的泥水盾构模型试验装置并采用该设
备进行了泥水盾构的开挖面土体劈裂和泥水喷发的
研究，
以及利用研制的
Φ
６０
０土压平衡盾构［
２
１
］进行
了刀具磨损等相关研究。西南交通大学齐春等［
１７
］
研制了
Φ
３０
０的泥水盾构模型试验装置用于泥水成
膜状态的研究，
何川等［
２２
］研制了
Φ
５２
０的土压模型
试验装置对盾构掘进对地层影响的一般规律进行了
探究［
２
２
］
。徐前卫等［
２
３
］研制了可模拟泥水平衡盾构
施工的室内模型试验装置。这些模型试验装置一定
程度上还原了盾构掘进施工的过程，
但也存在一些
不足，
无法模拟还原高水压环境（
目前最高水压仅为
１．
０ ＭＰａ
），
且无法进行盾构姿态调整。
本文就目前越江海隧道的发展趋势和现有的类
似设备的基础上，
确定了泥水盾构的工作模式和相
关参数，
成功研制了可模拟２．
０ ＭＰａ 高水压、
可进
行姿态调整的泥水平衡盾构掘进试验平台。以琼州
海峡高水压环境、
巨厚砂层等恶劣地质环境作为背
景，
配制了相关相似材料，
利用试验平台进行了高水
压下相关泥水盾构模型试验。
１研究背景
琼州海峡位于广东省雷州半岛与海南省海南岛
之间，
东西向长约８０ｋｍ，
南北向宽１９
～
３
９ｋｍ，
水
深４０
～
１６０ｍ，
是海南岛与大陆实现陆岛连接必须
跨越的天堑，
如图１所示。随着中国综合实力的不
断提高以及加强陆岛交通联系、
促进区域经济社会
协调发展的迫切需要，
及时启动琼州海峡跨海工程
图１琼州海峡概貌
Ｆ
ｉ
ｇ
．１ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ
ｏｆ
Ｑ
ｉｏｎ
ｇ
ｚｈｏｕ
Ｓｔｒａｉｔ
建设的前期研究工作已是大势所趋。
在海峡的滨岸
－
岸坡地段，
地层较复杂，
且随着
离岸距离和水深的增大，
上部地层缺失增多。谷坡
－
谷底地段，
地层相对较单一。从上至下，
地层的总体
土工指标增大，
承载力也增大。根据地勘报告显示，
琼州海峡底部地层存在巨厚砂层，
主要为粉细砂土。
２高水压掘进模型试验平台的研制
自主研发的多功能泥水盾构模型试验平台主要
由模型土箱、
盾构模型机、
液压泵站、
电控柜、
控制
台、
泥水循环系统等部分构成，
试验平台总体布置如
图２所示。该试验平台可还原高水压的地质环境，
可用于研究越江海高水压环境下盾构隧道的开挖面
稳定性问题，
研究复杂条件下刀具磨损问题，
研究越
江海盾构隧道管片受力分布问题以及与盾构姿态控
制相关的盾构
－
土相互作用问题，
同时可为复杂地层
越江海盾构隧道施工的安全性、
可行性的研究提供
试验基础。
图２盾构模型试验平台布置
Ｆｉ
ｇ
．
２ Ｓｈｉｅｌｄ
Ｍｏｄｅｌ
Ｔｅｓｔ
Ｐｌａｔｆｏｒｍ
Ｌａ
ｙ
ｏｕｔ
２．１模型试验箱
考虑边界效应以及试验和传感器布置等因素的
影响，
土箱的外部尺寸为５
９０
０ ｍｍ×３
４００ ｍｍ×
４
５００ｍｍ，
内部尺寸为 ４
７１
０ ｍｍ ×２
１１０ ｍｍ ×
３
２００ｍｍ，
盾构机的中心到底面的距离为９３
０ｍｍ，
６６１ 中 国 公 路 学 报
２０
２０年
盾构机的中心到上盖的距离为２
２７
０ ｍｍ。土箱一
侧设有一观察窗，
其尺寸为１
９０
０ｍｍ×１
５００ｍｍ，
如图３所示。
图３盾构模型试验箱
Ｆｉ
ｇ
．
３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
Ｄｉａ
ｇ
ｒａｍ
ｏｆ
Ｓｈｉｅｌｄ
Ｍｏｄｅｌ
Ｔｅｓｔ
Ｂｏｘ
土箱最大可模拟３倍洞径的覆土厚度，
具备了
多覆土厚度的设定功能，
土箱能承受的最大水压是
２ Ｍ
Ｐａ
。通过高强螺栓将长侧板、
可视窗长侧板、
短
侧板、
带孔短侧板固定于底板上，
长侧板与短侧板、
带孔短侧板再由高强螺栓连接，
可视窗长侧板于带
孔短侧板、
短侧板由高强螺栓连接保证其水平承压
能力，
内部８处光面接缝处满焊密封。所述装置其
上放置密封钢板，
密封钢板与光面密封满焊。所述
装置顶部 放 置 顶 板，
高强螺栓连接保证纵向承压
能力。
为了方便吊装，
加载系统分为前后２个部分，
可
通过调整垫高块的高度适应不同覆土高度的试验条
件。整个加压系统可实现的最高上覆土荷载可达到
１．
５ ＭＰａ
（
不施加水压的情况）。 如图４所示，
为了
方便加压板置于覆土上方以及考虑到高压可视窗的
安装范围，
加压板的尺寸略小于上部开口尺寸，
通过
前期的功能性试验，
加压板设计的尺寸可满足对于
土层的加压需求。加压板上规律分布了多个圆孔，
目的是进行水环境试验时，
可最大程度保证水可正
常渗入土中。
２．２盾构机总成
盾构机主要由盾壳、
刀盘、
推进系统、
姿态控制
系统、
主驱密封装置、
盾尾密封装置组成。图５为盾
构模型机内部的剖面，
从左至右依次为传动轴、
传动
轴固定、
万向节、
盾尾密封、
调姿油缸、
搅拌棒、
泥水
舱、
搅拌棒、
刀盘。液压马达置于土箱外侧，
通过传
动轴带动刀盘旋转，
万向节保证了盾构模型机在４
个方向上的姿态调整。盾 构 机 盾 壳 外 径 为 ６２
０
ｍｍ，
内径为５６
０ ｍｍ。刀盘、
泥水舱以及盾壳都设
有监测系统，
分别可测得泥水舱压力以及盾构
－
土的
图４加载系统
Ｆｉ
ｇ
．４ Ｌｏａｄｉｎ
ｇ
Ｓ
ｙ
ｓｔｅｍ
图５盾构模型机剖面
Ｆ
ｉ
ｇ
．
５ Ｓｈｉｅｌｄ
Ｍｏｄｅｌ
Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｓｅｃｔｉｏｎ
Ｖｉｅｗ
相互作用力。盾构模型机主要参数如表１所示。
表１盾构模型机参数
Ｔａ
ｂｌｅ
１ Ｓｈｉｅｌｄ
Ｍｏｄｅｌ
Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
物理参数量 参数值
盾构机质量／
ｋ
ｇ
１
１
０
０
最大推力／
ｋＮ
１
１
００
刀盘最大扭矩
／（
ｋＮ
·ｍ
）３５
盾构机长度／
ｍｍ
１
５
００
物理参数量 参数值
密封工作压力／
Ｍ
Ｐ
ａ
２
最大刀盘转速／（
ｒ
·ｍｉ
ｎ
－
１）４０
最大推进速度／（
ｍｍ·
ｓ
－１）７．
０
注：
驱动形式为液压驱动。
２．
２．１ 盾 壳
保证盾构机内部部件的布置空间，
盾构模型机
外壳尺寸为１
５０
０ ｍｍ×６２０ ｍｍ×１０ ｍｍ（
长×直
径×厚）。高水压砂土环境下，
对裸露于土层的盾壳
表面需进行一定处理，
为防腐防锈及降低盾构机体
进出箱体时对密封圈的磨损，
盾构机壳外表面做镀
铬处理。
为了方便盾构机整体组装，
盾壳分为前、
中、
后
３个部分，
每部分通过高精度螺纹连接，
连接完成后
在外侧涂上密封胶。通过预试验，
螺纹连接处可保
证在２．
０ ＭＰａ 水压下，
土层中水不进入盾壳内。
２．
２．２ 刀 盘
盾构机刀盘直径为６２
０ｍｍ，
厚度为５０ｍｍ，
刀
盘分设辐条４条，
根据试验要求的不同，
刀盘开口率
７６
１
第１２期 沈 翔，
等：
高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用
可在１０
％～
７５％ 任意调控。面板上的刀具形式也
可根据不同的模拟地层进行更换和配置，
保证了刀
盘刀具配置地层适应性等方面的研究。刀盘的最大
扭矩为３５ｋＮ·ｍ、
最大转速为４０ｒ
·ｍｉｎ
－１ ，
转速
可实现无级调节。刀盘面板上根据位置的不同，
分
别布置刮刀和鱼尾刀，
如图６所示。
图６刀盘和刀具
Ｆｉ
ｇ
．６ Ｃｕｔｔｅｒ
Ｄｉｓｋｓ
ａｎｄ
Ｔｏｏｌｓ
２．
２．３ 推进系统
如图７所示，
推进系统通过具有较大质量的土
箱本体作为反力墙，
既节省了设备的空间，
也实现了
高压力环境下的正常推进。推进动力主要由２个液
压千斤顶提供，
可实现１
００
０ｍｍ 的行程，
保证了盾
构模型机充足的掘进距离，
满足了大部分与盾构相
关的模型试验。液压千斤顶（
图８
）
为双向千斤顶，
可通过拉伸运动，
改变油压腔的压力大小，
实现盾构
机的推进和退回的功能。推进系统还包括４根导向
柱、
导轨、
模型管片、
密封环。
４根导向柱自身的刚
度满足试验需求，
同时能够保证盾构模型机沿着特
定路线掘进。导轨能够减少盾构模型机向前推进时
的额外摩擦力。土箱内部与外部的交界处，
设置的
密封环可保证２．
０ ＭＰａ 水压下整个设备的密封性。
２．２．４ 姿态调整系统
盾构在地层中掘进时，
由于地层的硬度、
弹性系
数的不同，
可能发生俯仰、
横摆、
扭转３种运动，
因此
需要根据隧道设计轴线对盾构的掘进姿态进行即时
的调整，
因此在本试验装置中增加了盾构姿态调整
的功能。
图７推进系统
Ｆｉ
ｇ
．７ Ｐｒｏ
ｐ
ｕｌｓｉｏｎ
Ｓ
ｙ
ｓｔｅｍ
图８推进油缸
Ｆｉ
ｇ
．８ Ｐｒｏ
ｐ
ｕｌｓｉｏｎ
Ｃ
ｙ
ｌｉｎｄｅｒ
盾壳内部设置４条调姿油缸（
图９
），
每条油缸
的最大推力为２５
０ｋＮ，
行程２００ｍｍ，
由角度传感器
对调姿油缸进行调整，
实现四向调姿功能。盾构机
可调整的最大角度达１０
°
，
其剖面如图１０所示。
图９调姿油缸
Ｆ
ｉ
ｇ
．９ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎ
ｇ
Ｃ
ｙ
ｌｉｎｄｅｒ
图１０ 调姿油缸安装示意
Ｆｉ
ｇ
．１０ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎ
ｇ
Ｃ
ｙ
ｌｉｎｄｅｒ
Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ
Ｄｉａ
ｇ
ｒａｍ
姿态调整系统由调姿油缸、
位移计、
伺服阀、
数
据采集分析仪等组成。其特征在于油缸上布置有位
移计，
可以对４条油缸的变形进行实时监测，
并反馈
给数据采集分析仪。分析结果通过伺服阀对油缸的
供油量进行控制，
进而改变油缸的伸缩变形量。
２．
２．５ 主驱密封系统
高水压条件下的泥水舱泥水压力也很高，
因此
盾构模型机主驱的密封是研制模型试验机最主要的
难题。所以可靠的模型机主驱密封方式显得尤为重
要，
也是模型试验能够顺利开展的必备条件。
本盾构模型机的主驱密封装置主要由主驱动
轴、
轴承支架、
主驱轴承、
密封法兰、
油道、
主驱密封
件、
密封件法兰、
圆锥滚子轴承组成，
见图１１
。其中
密封法兰两侧内壁各设置了一个阶梯台用于安装主
驱密封件，
并在密封法兰内壁中间车一沟槽与主驱
动轴之间形成油道，
向其内供油实现高压密封效果。
按照固定的安装顺序，
此主驱密封装置成功解决高
水压条件下（
可达２．
０ＭＰａ
）
泥水平衡盾构模型机主
驱动轴的密封问题，
密封性能好，
可操作性强。
２．３泥水循环及控制系统组成
该套系统使得在缩尺的盾构模型机中实现泥水
８６
１中 国 公 路 学 报
２０
２０年
图１１ 主驱密封装置
Ｆｉ
ｇ
．１１ Ｍａｉｎ
Ｄｒｉｖｅ
Ｓｅａｌ
循环成为可能，
保证模型试验正常顺利进行。泥水
循环及控制系统由泥浆桶、
搅拌器、
输浆管、
泥浆泵、
蓄能器、
电磁流量计、
电控球阀、
盾构模型机、
出泥
管、
弹簧软轴、
软轴驱动器、
浆液收集桶构成，
系统示
意图如图１２所示。
２．４液压控制及电控平台
２．
４．１ 液压控制系统
推进系统以及盾构姿态调整系统液压原理如图
１３所示。推进系统由２个推力油缸组成，
每个油缸
外接一个拉线编码器，
可用于检测推进速度和推进
的行程。油缸的最大推力可达５０
０ｋＮ。盾构姿态
调整系统由４个调姿油缸组成，
调姿油缸根据上下
左右４个方向分别布置，
保证了４个方向盾构姿态
调整的功能。盾构机液压系统的主油路采用国外进
口的变量泵实现压力的自适应控制，
保证推进压力
快速及时地进行调整，
各分组通过比例溢流阀以及
比例减压阀来实现推进压力和速度的控制。盾构姿
态通过陀螺仪进行检测，
根据推进速度及实时盾构
姿态实时调整推进速度、
推进压力以及调姿压力，
保
持液压油缸的协调进行，
保证了盾构姿态进行自由
调动，
实现了多功能模型试验平台盾构姿态调控以
及推进速度无极调控的功能。
图１２ 泥水循环系统
Ｆｉ
ｇ
．１２ Ｓｌｕｒｒ
ｙ
Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ
ｙ
Ｓ
ｙ
ｓｔｅｍ
液压系统泵站集成图（
图１３
）
中：
左侧为４个增
压泵，
用于增大４个调姿油缸的推力范围，
以应对高
水压环境下调姿能力；
右侧为试验平台的液压站，
包
括液压冷却设备、
多个伺服阀、
多个减速机等设备。
２．
４．２ 电器控制系统
针对多功能综合试验平台需要大量的数据监测
和储存，
同时参数的采集需要保证数据的准确、
快
速，
符合真实情况的实际要求，
研制了通过工业以太
网与上位机构建而成的长距离数据传输及控制系
统。电控系统由一套ＰＬ
Ｃ系统控制实现了盾构模
型机的控制以及土压力监测。电器控制系统数据采
集以及各种操作的中枢大脑，
同时设置了一个监控
中心，
监控中心可全面地进行各类监控与操作。在
人机操作设计方面，
监控中心配置一台操作计算机，
通过工业以太网与现场ＰＬ
Ｃ控制系统进行通信，
电
控系统集成如图１４所示。
３高水压下泥水盾构掘进模型试验
３．１高水压环境模拟方法
通过调研，
目前在盾构模型试验中可实现的最
高水压为１．
０ ＭＰａ
，
但是实际工程所面对的水压越
来越高，
相应的模型试验所能实现的水压也应达到
更高的条件。高水压环境的模拟是本模型设备所面
临的最大的挑战。
综合液气加压与直接压缩液体
２
９６
１
第１２期 沈 翔，
等：
高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用
图１３ 盾构机液压原理
Ｆ
ｉ
ｇ
．１３ Ｓｈｉｅｌｄ
Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｈ
ｙ
ｄｒａｕｌｉｃ
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
图１４ 电控系统集成
Ｆｉ
ｇ
．１４ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｓ
ｙ
ｓｔｅｍ
Ｉｎｔｅ
ｇ
ｒａｔｉｏｎ
种方法的优缺点，
最后决
定直接压缩液 体作为实
现高 水 压 环 境 的 方 法。
通过结构受力 分析表明
钢材格构拼装 方式可满
足２．
０ ＭＰａ 水压下的强
度要求，
但是２．
０ＭＰａ水
压下整个土箱 的密封性
还需 要 进 一 步验证。虽
然钢材格构拼装的方式方便于设备的运输，
但是需
要通过上百个高强螺栓进行连接，
相对于一体式土
箱多了上百个渗漏点。为了应对此种问题，
土箱的
长侧板、
短侧板结构本身由钢板以及侧板焊接件焊
接而成，
长侧板、
可视窗长侧板、
短侧板、
带孔短侧
板、
底板、
顶板由高强螺栓连接固定。如图１５所示，
当土箱主体拼装完成后，
在土箱内部设置密封板，
并
在连接处进行满焊。由于焊缝不免会存在许多小孔
隙，
最后在焊缝上涂上大量的工业密封胶，
从而在土
箱内部形成一个内部空腔。短侧板构件由钢板间隔
图１５ 高水压环境密封方法
Ｆ
ｉ
ｇ
．１５ Ｓｅａｌｉｎ
ｇ
Ｍｅｔｈｏｄ
Ｕｎｄｅｒ
Ｈｉ
ｇ
ｈ
Ｗａｔｅｒ
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
４０
０ｍｍ 焊接短侧板焊接件，
其中轴线偏下位置切
割盾构安置孔，
此处焊接油缸连接板，
油缸连接板中
央位置铣出圆孔安装管片密封管（
类似于液压油缸
的密封方式），
油缸连接板左上右下方位对称布置油
缸铰接连接板。
为了丰富试验平台的功能性，
在土箱的一侧设
置了一面高压可视窗，
可视窗的抗压强度也满足要
求。但是高压可视窗的４个接缝处也涂有工业密封
０７
１中 国 公 路 学 报
２０
２０年
胶，
高压可视窗也通过高强螺栓连接，
每个螺栓安装
完成后进行工业密 封胶进行处理。通过前期的试
验，
采用此种结构在２．
０ ＭＰａ 水压条件下，
在顶部
封顶块连接处出现少量的渗水，
相比于整个土箱的
尺寸，
可忽略对试验结果的影响，
因此基本可满足密
封以及试验要求。
３．２相似材料配比
拟建的琼州海峡隧道俯视图如图１６ 所示。由
于深水及隧道上部巨土层的存在，
使得隧道所承受
最大压力达到２．
０ ＭＰａ 以上，
设计全长约为２７
．６
ｋｍ，
初步确定为公铁两用隧道，
其管片衬砌外径为
１６
．７ｍ，
盾构机直径将达１７ｍ以上，
尚无先例。本
次试验以琼州海峡地质条件为工程背景，
根据模型
设备，
可确定几何相似比
Ｃ
ｌ≈
２７
。
图１６ 琼州海峡隧道线路规划
Ｆ
ｉ
ｇ
．１６ Ｒｏｕｔｅ
Ｐｌａｎｎｉｎ
ｇ
ｏｆ
Ｑ
ｉｏｎ
ｇ
ｚｈｏｕ
Ｓｔｒａｉｔ
Ｔｕｎｎｅｌ
本文所研制的试验装置最大特点是可１∶
１还原
高水压的环境，
研究不同水压下与盾构姿态的调整
能力。若按几何相似比将水头高度进行缩尺研究，
则水压调节的范围较小，
且精度要求极高，
因此水头
高度的相似比
Ｃ
ｈｗ ＝１
。
Ｃ
ε＝
Ｃ
φ＝
Ｃ
μ＝１ （
１
）
Ｃ
σ＝
Ｃ
Ｅ＝
Ｃ
ｃ＝
Ｃ
σ
ｃ（
２
）
Ｃ
σ＝
Ｃ
ｌ
Ｃ
γ
Ｃ
σ＝
Ｃ
Ｅ
Ｃ
ε
Ｃ
δ＝
Ｃ
ｌ
Ｃ
ε
Ｃ
ｋ＝
Ｃ
槡ｌ
Ｃ
烍
烌
烎
γ
（
３
）
式中：
Ｃ
ε，
Ｃ
φ，
Ｃ
μ，
Ｃ
σ，
Ｃ
Ｅ，
Ｃ
ｃ，
Ｃ
σ
ｃ，
Ｃ
ｌ，
Ｃ
γ，
Ｃ
δ，
Ｃ
ｋ分别为
应变、
内摩擦角、
泊松比、
应力、
压缩模量、
黏聚力、
抗
压强度、
几何、
重度、
位移、
渗透系数的相似比（
表２
）。
采用标准砂、
重晶石粉作为骨料，
凡士林和硅油
作为黏结剂、
石膏粉作为调节剂，
并基于相似原理，
确定了适用于深海环境砂土地层条件的相似材料配
表２原型砂土与模型相似材料物理力学参数
Ｔ
ａ
ｂｌｅ
２ Ｐｒｏｔｏｔ
ｙｐ
ｅ
Ｓａｎｄ
ａｎｄ
Ｍｏｄｅｌ
Ｓｉｍｉｌａｒ
Ｍａｔｅｒｉａｌ
Ｐｈ
ｙ
ｓｉｃａｌ
参数 重度／
（
ｋＮ·ｍ
－
３
）
压缩模量／
Ｍ
Ｐ
ａ
黏聚力／
ｋ
Ｐ
ａ
内摩擦角／
（
°
）
渗透系数／
（
１
０
－
６
ｃｍ·
ｓ
－
１
）
原型 １７
．８
～
２０．１
３５．３
～
６６．８
１３
～
２５．１
２５．３
～
３２．１
１００
～
６０
０
模型１７．８
～
２０．１
１．３
～
２．５５
０．４８
～
０．９３
２５．３
～
３２．１
１９
～
１
１
５
比［
２
４
］
。相似材料配比为：
重晶石粉与标准砂的质量
比为０．
４
，
黏结剂质量分数为４．
５％，
凡硅比为３∶
１
，
石膏质量分数为３％。
３．３试验步序
本次高水压下相似土泥水盾构模型试验设置覆
土厚度为２倍盾构直径。按照相似材料配比分别加
入重晶石粉、
标准砂、
凡士林、
硅油以及石膏，
通过搅
拌站将其搅拌均匀，
搅拌均匀后通过吊装斗将其运
输至土箱内部。待搅拌后的试验用土全部运输至土
箱内部后，
用电夯机对 试验用土进行压实和填平。
完成试验用土装填后，
进行预加水至基本与顶部平
齐，
而后对试验土箱进行密封，
从而保证在进行试验
时土箱以及盾构模型机的密封性。试验前期准备的
流程如图１７所示。
试验土样装填完毕后，
在砂土地层中分别在
０．
５
，
１．０
，
１．５ ＭＰａ不同水压下对盾构模型机的调
姿力矩进行了监测和分析。本次试验在不同水压下
盾构的掘进速度，
刀盘旋转速度为一恒定值，
掘进速
度为２ｍ
ｍ·
ｓ
－
１，
刀盘转速为５ｒ
·ｍ
ｉｎ
－
１。掘进距
离为５０
０ｍｍ，
盾构调姿油缸的开口度设为３５
％，
高
水压加载的方法采用压缩体积实现。
为了可近似模拟盾构始发过程，
达到初始泥水
压力平衡的目的，
每次试验前制作一块强度较低的
泥浆版（
厚度３ｃ
ｍ）
置于盾构模型机前方，
如图 １８
所示。每次试验开始时，
将泥水压力设定至略大于
试验水压后开始掘进。为了减少土体扰动，
采用低
转速、
低推速对泥浆板进行掘削，
通过掘进距离判断
是否已穿过泥浆板。穿过泥浆板后，
将掘进参数调
至预定值。
３．４试验结果
选择０．
５
，
１．０
，
１．５ ＭＰａ三个水压下进行了对
盾构姿态调整的研究，
探究高水压对于盾构姿态调
整的影响。试验过程中对盾构的俯仰角、
水平偏角、
偏转力矩以及俯仰力矩进行了监测，
并且盾构的推
进速度保持在２ ｍ
ｍ·
ｓ
－１ 。Ｙｏ
ｓｈｉ
ｙ
ｕｋｉ等［
２５
］
通过自
制的盾构模型机对盾构姿态与盾构姿态调整弯矩进
行了研究，
其认为二者之间存在如式（
４
）
的关系。此
次试验在盾构姿态调整过程中盾构轴向的掘进速度
１７
１
第１２期 沈 翔，
等：
高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用
图１７ 高水压下泥水盾构模型掘进试验前期准备
Ｆ
ｉ
ｇ
．１７ Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒ
ｙ
Ｐｒｅ
ｐ
ａｒａｔｉｏｎ
ｆｏｒ
Ａｄｖａｎｃｅ
Ｔｅｓｔ
ｏｆ
Ｓｌｕｒｒ
ｙ
Ｗａｔｅｒ
Ｓｈｉｅｌｄ
Ｕｎｄｅｒ
Ｈｉ
ｇ
ｈ
Ｗａｔｅｒ
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
图１８ 预制低强度泥水板
Ｆ
ｉ
ｇ
．１８ Ｐｒｅｃａｓｔ
Ｌｏｗ
Ｓｔｒｅｎ
ｇ
ｔｈ
Ｍｕｄ
Ｂｏａｒｄ
保持恒定，
因此可将式（
４
）
进行如下改进
ｄ
α
ｄ
ｓ
ｃ
ｄ
ｓ
ｃ
ｄ
ｔ
＝
Ｋ
ｉ１
１
Ｍ
ｉ＋
Ｋ
ｉ１
２ｄ
α
ｄ
ｔ
＝
Ｋ
１
Ｍ
Ｍ
２
ｑ＋
Ｋ
２
ｄ
β
ｄ
ｓ
ｃ
ｄ
ｓ
ｃ
ｄ
ｔ
＝
Ｋ
ｉ１
１
Ｍ
ｉ＋
Ｋ
ｉ１
２ｄ
β
ｄ
ｔ
＝
Ｋ
１
Ｍ
Ｍ
２
ｐ＋
Ｋ
烍
烌
烎
２
（
４
）
式中：
ｓ
ｃ为盾构模型机推进距离；
Ｋ
ｉ１
１，
Ｋ
ｉ１
２，
Ｋ
１，
Ｋ
２
分别为拟合系数；
α
，
β
分别为盾构水平偏角与俯仰
角；
Ｍ
Ｍ
２
ｑ，
Ｍ
Ｍ
２
ｐ分别为在水平方向和竖直方向上主动
施加的力矩；
ｄ
α
／
ｄ
ｔ
，
ｄ
β
／
ｄ
ｔ
分别为单位时间内水平偏
角和俯仰角的变化速率。
本次试验控制的变量为水头高度，
主要的研究
指标为
Ｋ
１。
Ｋ
１为拟合曲线斜率，
代表着不同水压条
件下的盾构纠偏能力，
Ｋ
１值越小说明施加相同的力
矩盾构姿态角改变量越小，
表明盾构纠偏越为困难。
３．
４．１ 竖直方向的姿态调整
盾构模型机竖向方向的姿态调整在３个不同水
压下的试验结果如图１９ 所示。
３个不同水压下的
试验结果的拟合曲线的系数
Ｋ
１分别 为２×１０
－７ ，
１．
５×１０
－７ ，
１．
１×１０
－７ 。
Ｋ
１的变化规律与无土高水
压环境下的试验结果相类似，
不同的是砂土环境下
所需更高的调姿弯矩。试验结果具有一定的离散
性，
３条拟合曲线的误差平方差分别为０．
７８２
，
０．８２０
，
０．８３５
，
这表明通过该方法对试验结果的拟合
程度较好，
试验结果仍有效。
３．
４．２ 水平方向的姿态调整
在０．
５
，
１．０
，
１．５ ＭＰａ三个不同水压条件下，
水
平偏角的变化速率与水平偏转弯矩的对比情况如图
２０所示。从图２０ 可知，
由于水平面上不需要考虑
盾构模型机自身质 量的影响，
对比 图 １９ 的试验结
果，
进行水平方向的姿态调整所需的力矩小于竖直
方向的姿态调整的力矩。将试验结果进行线性拟
合，
拟合曲线的系数
Ｋ
１可知，
随着水压的增大，
水
平面上对盾构进行姿态调整的难度也随之增大。
３
个不同水压下对试验结果的拟合曲线的平方差分别
为０．
７６６
，
０．８０２
，
０．７７８
，
水平方向的姿态调整也存在
相同的线性关系。
３．
４．３ 高水压对姿态调整的影响
通过对试验结果分析发现，
无论盾构的竖向姿
态调整还是水平姿态调整，
试验结果拟合曲线的
Ｋ
１
值都随着水压的升高而降低。水压的不断升高，
对
盾构的约束能力越强，
从而大幅增加了盾构姿态调
整的难度。由于自重的存在，
在相同水压下，
水平面
上的姿态调整能力略优于竖直平面上的调整能力。
４结 语
（
１
）
攻克了在缩尺盾构模型机中实现泥水循环
２７
１中 国 公 路 学 报
２０
２０年
图１９ 盾构竖向姿态调整试验结果（
高水压）
Ｆ
ｉ
ｇ
．１９ Ｓｈｉｅｌｄ
Ｖｅｒｔｉｃａｌ
Ａｔｔｉｔｕｄｅ
Ａｄ
ｊ
ｕｓｔｍｅｎｔ
Ｔｅｓｔ
Ｒｅｓｕｌｔｓ （
Ｈｉ
ｇ
ｈ
Ｗａｔｅｒ
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
）
功能的问题，
解决了高水压（
２．
０ ＭＰａ
）
下盾构机以
及土箱整体强度和密封问题，
实现了盾构姿态改变
的功能，
成功研制了高水压下多功能泥水平衡盾构
模型试验平台。
（
２
）
采用直接压缩液体作为自主研发的试验平
台实现高水压（
２．
０ ＭＰａ
）
环境的方法。主要方法：
当土箱主体拼装完毕后，
并在土箱内部设置密封板，
并通过满焊将其连接。由于焊缝小孔隙的存在，
最
后在焊缝上涂上大量的工业密封胶，
从而在土箱内
部形成一个内部密封的空腔。
（
３
）
利用该试验装置在自主研制的相似砂土地
层中开展了不同水压条件下盾构姿态控制试验，
验
图２０ 盾构水平姿态调整试验结果（
高水压）
Ｆ
ｉ
ｇ
．２０ Ｓｈｉｅｌｄ
Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ
Ａｔｔｉｔｕｄｅ
Ａｄ
ｊ
ｕｓｔｍｅｎｔ
Ｔｅｓｔ
Ｒｅｓｕｌｔｓ （
Ｈｉ
ｇ
ｈ
Ｗａｔｅｒ
Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
）
证了试验平台功能的整体性和可实施性。试验对泥
水平衡盾构开挖过程中盾构姿态动态变化规律进行
了初步研究。
（
４
）
盾构姿态角的改变量和盾构掘进距离可通
过一定关系进行拟合，
拟合精度较高。随着试验水
压的提高调整相同的姿态角需要对盾构机施加更大
的弯矩。在高水压条件下，
盾构姿态调整更为困难，
高水压与地层反力的双重约束下需要对盾构姿态控
制提出了更高的要求。
（
５
）
本文所进行的模型试验仍未体现试验平台
的优势，
借助该平台在高水压对盾构
－
土相互作用影
响研究还处在定性分析阶段，
今后将通过该平台进
３７
１
第１２期 沈 翔，
等：
高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用
行更加细致的研究。
参考文献：
Ｒｅ
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１］
孙 钧．
论跨江越海建设隧道的技术优势与问题［
Ｊ
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０１３
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５
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３３７
－
３
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２．
ＳＵＮ
Ｊｕｎ．Ｓｔｕｄ
ｙ
ｏｎ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇ
ｉｃａｌ
Ａｄｖａｎｔａ
ｇ
ｅｓ
ａｎｄ
Ｐｒｏｂｌｅｍｓ
ｉｎ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ｏｆ
Ｔｕｎｎｅｌｓ
Ｃｒｏｓｓｉｎ
ｇ
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ａｎｄ
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Ｊ
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Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
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５
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２
００９
，
２９
（
２
）：
１４５
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１
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１．
ＹＡＮＧ
Ｗｅｎ
－
ｗｕ
．Ｄｅｖｅｌｏ
ｐ
ｍｅｎｔ
ｏｆ
Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
Ｓｈｉｅｌｄ
－
ｂｏ
ｒｅｄ
Ｔｕｎｎｅｌｓ ［
Ｊ
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．Ｔｕｎｎｅｌ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
，
２００９
，
２９
（
２
）
：
１４５
－
１
５
１．
［
３］ＳＨＥＮ
Ｓ
Ｌ
，ＷＵ
Ｈ
Ｎ，
ＣＵＩ
Ｙ
Ｊ
，
ｅｔ
ａｌ．Ｌｏｎ
ｇ
－
ｔｅ
ｒｍ
Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ
Ｂｅｈａｖｉｏｕｒ
ｏｆ
Ｍｅｔｒｏ
Ｔｕｎｎｅｌｓ
ｉｎ
ｔｈｅ
Ｓｏｆｔ
Ｄｅ
ｐ
ｏｓｉｔｓ
ｏｆ
Ｓｈａｎ
ｇ
ｈａｉ ［
Ｊ
］
．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎ
ｇ
ａｎｄ
Ｕｎｄｅｒ
－
ｇ
ｒｏ
ｕｎｄ
Ｓ
ｐ
ａｃｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
，
２０１４
，
４０
：
３０９
－
３２
３．
［
４］ＷＵ
Ｈ
Ｎ，
ＳＨＥＮ
Ｓ
Ｌ
，
ＬＩＡＯ
Ｓ
Ｍ，
ｅｔ
ａｌ．Ｌｏｎ
ｇ
ｉｔｕｄｉ
－
ｎａ
ｌ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
Ｍｏｄｅｌｌｉｎ
ｇ
ｏｆ
Ｓｈｉｅｌｄ
Ｔｕｎｎｅｌｓ
Ｃｏｎｓｉｄｅｒ
－
ｉｎ
ｇ
Ｓ
ｈｅａｒｉｎ
ｇ
Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ
Ｂｅｔｗｅｅｎ
Ｓｅ
ｇ
ｍｅｎｔａｌ
Ｒｉｎ
ｇ
ｓ
［
Ｊ
］
．Ｔｕｎｎｅｌｉｎ
ｇ
ａｎｄ
Ｕｎｄｅｒ
ｇ
ｒｏｕｎｄ
Ｓ
ｐ
ａｃｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
，
２０１５
，
５０ （
２０１５
）
：
３１７
－
３２
３．
［
５］ＳＥＬＥＭＥＴＡＳ
Ｄ，
ＳＨＩＲＬＡＷ
Ｊ
Ｎ，
ＳＴＡＮＤＩＮＧ
Ｊ
Ｒ．
Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ
Ｇｒｏｕｎｄ
Ｒｅｓ
ｐ
ｏｎｓｅ
ｔｏ
ＥＰＢＭ
Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎ
ｇ
ｉｎ
Ｌｏｎｄｏｎ
Ｃｌａ
ｙ［
Ｊ
］
．Ｇéｏｔｅｃｈｎｉ
ｑ
ｕｅ
，
２０１４
，
６４ （
７
）
：
５８１
－
５８
３．
［
６］ＵＣＨＩＤＡ
Ｋ，
ＩＩＤＡ
Ｙ，ＹＯＳＨＩＤＡ
Ｙ，
ｅｔ
ａｌ．Ｓ
ｐ
ｅｃｉａｌ
Ｇｒｏｕｎｄ
Ｉｍ
ｐ
ｒｏｖｅｍｅｎｔ
Ｍｅｔｈｏｄｓ
：Ｇｒｏｕｎｄ
Ｉｍ
ｐ
ｒｏｖｅ
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ｍｅ
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ｗｉｔｈ
ｔｈｅ
Ｔｒａｎｓ
－
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ｙ
ｏ
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ｙ
Ｈｉ
ｇ
ｈ
－
ｗａ
ｙ［
Ｊ
］
．Ｍａｒｉｎｅ
Ｇｅｏｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
＆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
，
１９９６
，
１４ （
１
）
：
４７
－
６３
．
［
７］ＡＮＤＥＲＳ
Ｏ，
ＢＲＩＤＧＥＳ
Ｄ
Ｇ，
ＲＯＳＴＡＭ
Ｓ．Ｄｅｓｉ
ｇ
ｎ
ｏｆ
ｔｈｅ
Ｓｔｏｒｅｂｌｔ
Ｒａｉｌｗａ
ｙ
Ｔｕｎｎｅｌ ［
Ｊ
］
．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎ
ｇ
＆
Ｕｎｄｅｒ
ｇ
ｒｏｕｎｄ
Ｓ
ｐ
ａｃｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
，
１９９４
，
９（
３
）
：
２９３
－
３０
７．
［
８］ＦＡＬＫ
Ｃ．Ｐｒｅ
－
ｉｎ
ｖｅｓｔｉ
ｇ
ａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔｈｅ
Ｓｕｂｓｏｉｌ
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ｐ
－
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Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔｈｅ
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Ｅｌｂｅ
Ｔｕｎｎｅｌ
Ｔｕｂｅ
［
Ｊ
］
．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎ
ｇ
＆ Ｕｎｄｅｒ
ｇ
ｒｏｕｎｄ
Ｓ
ｐ
ａｃｅ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
，
１９９８
，
１３ （
２
）
：
１１１
－
１
１
９．
［
９］ＢＬＯＭ
Ｃ
Ｂ
Ｍ，
ＨＯＲＳＴ
Ｅ
Ｊ
Ｖ
Ｄ，
ＪＯＶＡＮＯＶＩＣ
Ｐ
Ｓ．
Ｔｈｒｅｅ
－
ｄｉ
ｍｅｎｓｉｏｎａｌ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
Ａｎａｌ
ｙ
ｓｅｓ
ｏｆ
ｔｈｅ
Ｓｈｉｅｌｄ
－
ｄｒ
ｉｖｅｎ “
Ｇｒｅｅｎ
Ｈｅａｒｔ
”
Ｔｕｎｎｅｌ
ｏｆ
ｔｈｅ
Ｈｉ
ｇ
ｈ
－
ｓ
ｐ
ｅｅ
ｄ
Ｌｉｎｅ
Ｓｏｕｔｈ ［
Ｊ
］
．Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎ
ｇ
＆ Ｕｎｄｅｒ
ｇ
ｒｏｕｎｄ
Ｓ
ｐ
ａｃｅ
Ｔｅｃｈ
－
ｎｏ
ｌｏ
ｇｙ
，
１９９９
，
１４ （
２
）：
２１７
－
２２
４．
［
１０
］郭信君，
闵凡路，
钟小春，
等．
南京长江隧道工程难点
分析及关键技术总结［
Ｊ
］
．
岩石力学与工程学报，
２
０１２
，
３１
（
１０
）：
２１５４
－
２１
６０．
ＧＵＯ
Ｘｉｎ
－
ｊ
ｕｎ
，
Ｍ
ＩＮ
Ｆａｎ
－
ｌｕ
，
Ｚ
ＨＯＮＧ
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－
ｃｈ
ｕｎ
，
ｅｔ
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Ｓｕｍｍａｒｉｅｓ
ｏｆ
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ｙ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇ
ｉｅｓ
ａｎｄ
Ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ
ｉｎ
Ｎａｎ
ｊ
ｉｎ
ｇ
Ｙａｎ
ｇ
ｔｚｅ
Ｒｉｖｅｒ
Ｔｕｎｎｅｌ
Ｐｒｏ
ｊ
ｅｃｔ ［
Ｊ
］
．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｒｏｃｋ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ａｎｄ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
，
２０１２
，
３１ （
１０
）
：
２１５４
－
２１
６０．
［
１１
］李承辉，
贺少辉，
刘夏冰．
粗粒径砂卵石地层中泥水平
衡盾构下穿黄河掘进参数控制研究［
Ｊ
］
．
土木工程学
报，
２
０１７
，
５０
（
增２
）：
１４７
－
１５
２．
ＬＩ
Ｃｈｅｎ
ｇ
－
ｈｕ
ｉ
，ＨＥ
Ｓｈａｏ
－
ｈｕ
ｉ
，ＬＩＵ
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－
ｂｉ
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ｇ
，
ｅｔ
ａｌ．
Ｓｔｕｄ
ｙ
ｏｎ
Ｍａｉｎ
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
Ｃｏｎｔｒｏｌ
ｏｆ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎ
ｇ
Ｔｈｒｏｕ
ｇ
ｈ
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Ｒｉｖｅｒ
ｂ
ｙ
ａ
Ｓｌｕｒｒ
ｙ
Ｂａｌａｎｃｅ
Ｓｈｉｅｌｄ
ｉｎ
Ｓａｎｄ
ｙ
Ｇｒａｖｅｌ
Ｓｔｒａｔｕｍ
ｗｉｔｈ
Ｓｏｍｅ
Ｌａｒ
ｇ
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ｓ
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ｚｅ
Ｇｒａｉｎｓ
［
Ｊ］
．Ｃｈｉｎａ
Ｃｉｖｉｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
Ｊｏｕｒｎａｌ
，２０１７
，５０
（
Ｓ２
）：
１４７
－
１５
２．
［
１２
］黄 俊．
珠江口海底隧道盾构法施工方案可行性分析
［
Ｊ
］
．
现代隧道技术，
２
００６
，
４３
（
６
）：
１３
－
１７
．
ＨＵＡＮＧ
Ｊｕｎ．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔ
ｙ
Ａｎａｌ
ｙ
ｓｉｓ
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ｔｈｅ
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Ｔｕｎｎｅｌ
ａｔ
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ｊ
ｉａｎ
ｇ
Ｒｉｖｅｒ
Ｅｓｔｕａｒ
ｙ［
Ｊ
］
．Ｍｏｄｅｒｎ
Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎ
ｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
，
２００６
，
４３ （
６
）
：
１３
－
１７
．
［
１３
］王梦恕，
谭忠盛．
中国隧道及地下工程修建技术［
Ｊ
］
．
中国工程科学，
２
０１０
，
１２
（
１２
）：
４
－
１０
．
ＷＡＮＧ
Ｍｅｎ
ｇ
－
ｓｈ
ｕ
，ＴＡＮ
Ｚｈｏｎ
ｇ
－
ｓｈ
ｅｎ
ｇ
．Ｔｈｅ
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ｒｕｃｔ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
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Ｔｕｎｎｅｌ
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ｇ
ｉｎ
Ｃｈｉｎａ ［
Ｊ
］
．Ｃｈｉｎａ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
Ｓｃｉｅｎｃｅｓ
，
２０１０
，
１２ （
１２
）
：
４
－
１０
．
［
１４
］谭忠盛，
王梦恕，
张 弥．
琼州海峡铁路隧道可行性研
究探讨［
Ｊ
］
．
岩土工程学报，
２
００１
，
２３
（
２
）：
１３９
－
１４
３．
ＴＡＮ
Ｚｈｏｎ
ｇ
－
ｓｈ
ｅｎ
ｇ
，
ＷＡＮＧ
Ｍｅｎ
ｇ
－
ｓｈ
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，
ＺＨＡＮＧ
Ｍｉ．
Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔ
ｙ
Ｓｔｕｄ
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ｏｎ
Ｑｉｏｎ
ｇ
ｚｈｏｕ
Ｓｔｒａｉｔ
Ｒａｉｌｗａ
ｙ
Ｔｕｎｎｅｌ
［
Ｊ
］
．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
，
２００１
，
２３ （
２
）
：
１３９
－
１４
３．
［
１５
］宋克志，
王梦恕．
烟大渤海海峡隧道的可行性研究探
讨［
Ｊ
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现代隧道技术，
２
００６
，
４３
（
６
）：
１
－
８．
Ｓ
ＯＮＧ
Ｋｅ
－
ｚｈ
ｉ
，ＷＡＮＧ
Ｍｅｎ
ｇ
－
ｓｈ
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ｙ
Ｓｔｕｄ
ｙ
ｏｎ
Ｂｏｈａｉ
Ｃｈａｎｎｅｌ
Ｔｕｎｎｅｌ
Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎ
ｇ
Ｙａｎｔａｉ
ａｎｄ
Ｄａｌｉａｎ ［
Ｊ
］
．Ｍｏｄｅｒｎ
Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎ
ｇ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ
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２００６
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４３ （
６
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１
－
８．
［
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水下交通隧道发展现状与技术难题———兼论
“
台湾海峡海底铁路隧道建设方案”
［
Ｊ
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．
岩石力学与
工程学报，
２００８
，
２７
（
１１
）：
２１６１
－
２１
７２．
ＷＡＮＧ
Ｍｅｎ
ｇ
－
ｓｈ
ｕ．Ｃｕｒｒｅｎｔ
Ｄｅｖｅｌｏ
ｐ
ｍｅｎｔｓ
ａｎｄ
Ｔｅｃｈ
－
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ｏｆ
Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ
Ｔｒａｆｆｉｃ
Ｔｕｎｎｅｌ—Ｄｉｓｃｕｓ
－
４７
１中 国 公 路 学 报
２０
２０年
ｓｉ
ｏｎ
ｏｎ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
Ｓｃｈｅｍｅ
ｏｆ
Ｔａｉｗａｎ
Ｓｔｒａｉｔ
Ｕｎｄｅｒ
－
ｓｅ
ａ
Ｒａｉｌｗａ
ｙ
Ｔｕｎｎｅｌ ［
Ｊ
］
．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｒｏｃｋ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ａｎｄ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
，
２００８
，
２７ （
１１）：
２１６１
－
２
１
７２．
［
１７
］齐 春，
何 川，
封 坤，
等．
泥水平衡式盾构模拟试
验系统的研 制 与 应 用 ［
Ｊ
］
．
岩土工程学报，
２０１６
，
３８
（
１１
）：
１９９９
－
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０８．
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Ｊ］
． Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
，
２０１６
，
３８ （
１１
）：
１９９９
－
２０
０８．
［
１８
］ＭＯＲＩ
Ａ，ＫＵＲＩＨＡＲＡ
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Ｓｈｉｅｌｄ ［
Ｊ
］
．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
ＪＳＣＥ
，
１９９１
，
４３０
（
３
－
１５
）：
１１
５
－
１２
４．
［
１９
］ＫＵＲＩＨＡＲＡ
Ｋ，ＭＯＲＩ
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Ｍ．Ｅｘ
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Ｓｈｉｅｌｄ ［
Ｊ
］
．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
ＪＳＣＥ
，
１９８９
，
４０９
（
６
－
１１
）：
３７
－
４６
．
［
２０
］袁大军，
黄清飞，
小泉淳，
等．
水底盾构掘进泥水喷发
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Ｊ
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．
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２００７
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２６（
１１
）：
２２９６
－
２３
０１．
ＹＵＡＮ
Ｄａ
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Ｓｈｉｅｌｄ
Ｔｕｎｎｅｌ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ［
Ｊ
］
．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒ
－
ｎａ
ｌ
ｏｆ
Ｒｏｃｋ
Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ
ａｎｄ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
，
２００７
，
２６
（
１１
）：
２２９６
－
２３
０１．
［
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］黄清飞．
砂卵石地层盾构刀盘刀具与土相互作用及其
选型设计研究［
Ｄ
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．
北京：
北京交通大学，
２
０１０．
ＨＵＡＮＧ
Ｑｉｎ
－
ｆｅ
ｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ
ｗｉｔｈ
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Ｄ］
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ｇ
Ｊｉａｏｔｏｎ
ｇ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
，
２０１０．
［
２２
］何 川，
汪 洋，
方 勇，
等．
土压平衡式盾构掘进过
程的相似模型试验［
Ｊ
］
．
土木工程学报，
２０１２
，
４５
（
２
）：
１６２
－
１６
９．
ＨＥ
Ｃｈｕａｎ
，
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，
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，
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Ｓｈｉｅｌｄ
Ｔｕｎｎｅｌｉｎ
ｇ
Ｐｒｏｃｅｓｓ［
Ｊ
］
．Ｃｈｉｎａ
Ｃｉｖｉｌ
Ｅｎ
ｇ
ｉｎｅｅｒｉｎ
ｇ
Ｊｏｕｒ
－
ｎａ
ｌ
，
２０１２
，
４５ （
２
）：
１６２
－
１６
９．
［
２３
］徐前卫，
朱合华，
唐卓华，
等．
可模拟泥水平衡盾构施
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Ｐ］
．中 国，
Ｃ Ｎ １０３４３７７７１ Ａ ，
２０１３
－
１
２
－
１
１
．
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Ｂａｌａｎｃｅ
Ｓｈｉｅｌｄ
Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
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Ｍｅｔｈｏｄ ［
Ｐ
］
．Ｃｈｉｎａ
，
Ｃ Ｎ １０３４３７７７１ Ａ ，
２０１３
－
１
２
－
１１
．
［
２４
］沈 翔，
袁大军，
曹宇陶，
等．
模拟深海环境砂土地层
的材料配比试验研 究［
Ｊ
］
．
西南交通大 学学 报，
２０２０
，
５５
（
３
）
：
６２８
－
６
３
４．
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Ｊ
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ｏｆ
Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ
Ｊｉａｏｔｏｎ
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Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ
，
２０２０
，
５５ （
３
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－
６３
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［
２５
］ＹＯＳＨＩＹＵＫＩ
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Ｊ
］
．
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
ｏｆ
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，
１９９２
，
５８ （
５５０）：
１５５
－
１６
１．
５７
１
第１２期 沈 翔，
等：
高水压泥水平衡盾构掘进模型试验平台的研制与应用