由于自然岩土灾害（如洪水或地震）和人为灾害（如地下建筑工程和挖掘），基础设施经常遭受严重损坏。

土木工程师和灾害风险管理团队已经广泛研究了预防这些风险的方法，并且仍在寻找更有效的方法来避免与这些危险相关的大规模变形。

计算机辅助模拟的出现为研究人员提供了基于粒子的方法，例如移动粒子模拟（MPS），即使在较大的区域中，它也是独立变形分析的宝贵工具。虽然该方法在过去几年中已经流行起来，但在设计或施工过程中预测地面行为时尚未得到应用。

通过将小规模模型实验和 MPS 计算机辅助工程 (CAE) 分析结合起来，芝浦工业大学工程学院 Shinya Inazumi 教授领导的研究小组调查了有关土压平衡的一些谜团（EPB）护盾隧道。

他们最近的研究是发表在隧道和地下空间技术2024 年 8 月 21 日。

EPB 是一种广泛使用的利用开挖泥浆建造隧道的方法土壤为隧道掌子面提供支撑，通过使用泡沫、泥浆或其他添加剂来塑化开挖材料，以确保其不透水且易于运输。

研究小组认识到，尽管这是一种流行的技术，但人们对通过将挖掘的土壤与膨润土溶液等增塑添加剂混合来调整泥质土壤的可塑性如何影响隧道室内的土压力知之甚少。了解这些因素不仅可以显着增加避免地面变形的机会，还可以确保隧道开挖过程中有效的沉积物管理。

“城市中心越来越依赖地下基础设施，因此我们需要一种预测工具，能够提高城市基础设施的弹性，同时通过确保对土壤可塑性的有效管理，降低因隧道运营不稳定而造成的延误和结构损坏相关的成本。”稻泉说道。

他还强调，由于与该研究相关的研究实验室与联合国的可持续发展目标保持一致，他们还探索了大量挖掘材料和膨润土等化学添加剂的使用所产生的环境足迹，以寻找改善环境的方法。建设项目的可持续性。

这实验装置由一个模拟室的可密封土罐以及搅拌叶片模型的下降和上升阶段组成，该模型是通过在盾构隧道机中安装双对土压力计实现的。

该系统与基于移动粒子模拟（MPS）的计算机辅助分析系统的计算一起能够精确模拟隧道开挖过程，其中包括测量土压力的变化，以响应泥浆搅动引起的塑性变化。土壤。

研究人员发现，土压力是分析土壤塑性以及叶片剪切强度和坍落度等相关因素的可靠指标，这些因素共同影响隧道的稳定性和机械的运行。

团队提出的CAE分析系统以MPS为后盾，精准反映了实验数据，确认其适用于评估和可视化隧道开挖过程中泥质土的可塑性和流动性。

通过分析不同土壤条件下泥质土的塑性状态来评估实际现场条件下的土压力值，既耗时又昂贵。小规模模型实验与本研究中展示的计算能力相结合，可以成为优化土压平衡盾构隧道施工和改进沉积物管理策略的宝贵资产。

该技术为创新策略开辟了新的可能性，可以显着提高地下土木建筑工程的安全性和效率，特别是在城市环境中。

“这项研究的结果可以通过控制操作来减少对周围地面的干扰，从而直接影响人口稠密的城市地区的地铁系统、地下公用设施和道路的建设。

“我们还希望我们提出的策略能够应用于优化隧道施工过程对环境的影响，并改进易发生地震或其他岩土灾害地区的安全规程，”Inazumi 教授总结道。

更多信息：土压平衡盾构掘进泥质土的塑性评价，隧道和地下空间技术（2024）。DOI：10.1016/j.tust.2024.106044