由於自然岩土災害（如洪水或地震）和人為災害（如地下建築工程和挖掘），基礎設施經常遭受嚴重損壞。

土木工程師和災害風險管理團隊已經廣泛研究了預防這些風險的方法，並且仍在尋找更有效的方法來避免與這些危險相關的大規模變形。

電腦輔助模擬的出現為研究人員提供了基於粒子的方法，例如移動粒子模擬（MPS），即使在較大的區域中，它也是獨立變形分析的寶貴工具。雖然該方法在過去幾年中已經流行起來，但在設計或施工過程中預測地面行為時尚未得到應用。

透過將小規模模型實驗和 MPS 電腦輔助工程 (CAE) 分析結合起來，芝浦工業大學工程學院 Shinya Inazumi 教授領導的研究小組調查了有關土壓平衡的一些謎團（ EPB）護盾隧道。

他們最近的研究是發表在隧道和地下空間技術2024 年 8 月 21 日。

EPB 是一種廣泛使用的利用開挖泥漿建造隧道的方法土壤為隧道掌子麵提供支撐，透過使用泡棉、泥漿或其他添加劑來塑化開挖材料，以確保其不透水且易於運輸。

研究小組認識到，儘管這是一種流行的技術，但人們對透過將挖掘的土壤與膨潤土溶液等增塑添加劑混合來調整泥質土壤的可塑性如何影響隧道室內的土壤壓力知之甚少。了解這些因素不僅可以顯著增加避免地面變形的機會，還可以確保隧道開挖過程中有效的沉積物管理。

「城市中心越來越依賴地下基礎設施，因此我們需要一種預測工具，能夠提高城市基礎設施的彈性，同時透過確保對土壤可塑性的有效管理，降低因隧道運作不穩定而造成的延誤和結構損壞相關的成本。

他也強調，由於與該研究相關的研究實驗室與聯合國的永續發展目標保持一致，他們也探索了大量挖掘材料和膨潤土等化學添加劑的使用所產生的環境足跡，以尋找改善環境的方法。建設項目的可持續性。

這實驗裝置由一個模擬室的可密封土罐以及攪拌葉片模型的下降和上升階段組成，該模型是透過在盾構隧道機中安裝雙對土壓力計實現的。

該系統與基於移動粒子模擬（MPS）的計算機輔助分析系統的計算一起能夠精確模擬隧道開挖過程，其中包括測量土壓力的變化，以響應泥漿攪動引起的塑性變化。

研究人員發現，土壓力是分析土壤塑性以及葉片剪切強度和坍落度等相關因素的可靠指標，這些因素共同影響隧道的穩定性和機械的運作。

團隊提出的CAE分析系統以MPS為後盾，精準反映了實驗數據，確認其適用於評估和視覺化隧道開挖過程中泥質土的可塑性和流動性。

透過分析不同土壤條件下泥質土的塑性狀態來評估實際現場條件下的土壓力值，既耗時又昂貴。小規模模型實驗與本研究中所展示的運算能力相結合，可以成為優化土壓平衡盾構隧道施工和改進沉積物管理策略的寶貴資產。

該技術為創新策略開闢了新的可能性，可以顯著提高地下土木建築工程的安全性和效率，特別是在城市環境中。

「這項研究的結果可以透過控制操作來減少對周圍地面的干擾，從而直接影響人口稠密的城市地區的地鐵系統、地下公用設施和道路的建設。

「我們也希望我們提出的策略能夠應用於優化隧道施工過程對環境的影響，並改善易發生地震或其他岩土災害地區的安全規程，」Inazumi 教授總結道。

更多資訊：土壓平衡盾構掘進泥質土的塑性評價，隧道和地下空間技術（2024）。DOI：10.1016/j.tust.2024.106044