分析为地下施工提供见解
基础设施经常因洪水或地震等人为岩土灾害和地下建筑工程及挖掘等人为灾害而遭受严重损坏。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害相关的大规模变形。
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)，这是一种即使在较大区域也能独立进行变形分析的宝贵工具。虽然该方法在过去几年中越来越受欢迎，但在预测设计或施工期间的地面行为时尚未应用。
通过将小规模模型实验和通过 MPS 进行的计算机辅助工程 (CAE) 分析结合起来，芝浦工业大学的一组研究者以工程学院教授 Shinya Inazumi 为首，探究了土压平衡 (EPB) 盾构隧道施工的一些谜团。
他们最近的研究于 2024 年 8 月 21 日发表在《隧道与地下空间技术》上。
土压平衡是一种广泛使用的隧道施工方法，利用开挖的泥土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的材料，以确保其不透水且易于运输。
研究团队意识到，尽管这是一种常用的技术，但人们对通过将挖掘出的泥土与膨润土溶液等增塑添加剂混合来调整泥土的可塑性如何影响隧道室内的土压知之甚少。了解这些因素不仅可以大大增加避免地面变形的机会，还可以确保在隧道施工过程中有效地管理沉积物。
“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，既能提高城市基础设施的弹性，又能通过有效管理土壤塑性来降低因隧道运行不稳定而导致的延误和结构损坏相关的成本。”Inazumi 教授表示。
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相一致，他们还探索了大量挖掘材料和使用膨润土等化学添加剂所产生的环境足迹，以寻找提高建筑项目可持续性的方法。
实验装置包括一个模拟室的可密封土体罐和搅拌叶片模型的下降和上升阶段，这是通过在盾构机上安装双对土压计实现的。
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能够精确模拟隧道施工过程，其中包括测量由于泥土搅动引起的塑性变化而导致的土压变化。
研究人员发现，土压力是分析土壤塑性和相关因素（例如十字板剪切强度和坍落度值）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。
在MPS的支持下，团队提出的CAE分析系统精确反映了实验数据，证实了其适用于评估和可视化隧道施工过程中泥质土的塑性和流动性。
通过分析不同土壤条件下淤泥土的塑性状态来评估实际现场条件下的土压值既费时又费钱。小规模模型实验与本研究展示的计算能力相结合，对于优化 EPB 盾构隧道施工和改进沉积物管理策略具有宝贵的价值。
该技术为创新战略开辟了新的可能性，可以显著提高地下土木工程的安全性和效率，尤其是在城市环境中。
“这项研究的结果可以直接影响地铁系统、地下设施和人口密集的城市地区的道路建设，通过实现对周围地面干扰较小的受控操作。
“我们还希望，我们提出的策略能够优化隧道施工过程对环境的影响，并改善地震或其他岩土灾害多发地区的安全协议，”Inazumi 教授总结道。
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