了解泥土塑性的相互作用与土压力之间的关系，对于确保隧道稳定性和预测在土压力平衡（EPB）盾构隧道施工期间的地面行为至关重要，这是地下开挖的一种常见方法。来自芝浦工业大学的研究团队开发了一种小型实验模型，结合了基于运动粒子模拟的计算机辅助工程分析。这种方法有效地预测了土壤的塑性及其相关因素，同时避免了野外研究所带来的费用和时间。
掌握泥土塑性与土压力之间的联系对于维护隧道的完整性和预测在土压力平衡（EPB）盾构隧道施工期间的地面行为是必不可少的，这是一种常用的地下开挖技术。芝浦工业大学的研究人员创建了集成了基于运动粒子模拟的计算机辅助工程分析的小型实验模型，该模型能够可靠地预测土壤的塑性及其相关因素，而不需承担直接野外分析的高成本和时间延误。
基础设施常常面临显著损坏，这既包括自然地质灾害，如洪水和地震，也包括人类引发的问题，如地下施工和开挖。土木工程和灾害风险管理领域对减轻这些风险进行了深入探索，并继续寻找更有效的方法来防止伴随这些灾害的大规模变形。随着计算机辅助模拟的引入，研究人员现在利用基于粒子的技术，如运动粒子模拟（MPS），这为大范围的独立变形分析提供了有价值的资源。尽管这种方法最近获得了关注，但在设计或施工阶段预测地面行为的应用仍不广泛。
通过将小型实验模型与基于运动粒子模拟（MPS）的计算机辅助工程（CAE）分析相结合，芝浦工业大学的研究团队在教授稻住信也的带领下，深入探讨了围绕土压力平衡（EPB）盾构隧道的各种奥秘，相关研究已于2024年8月21日发表在《隧道与地下空间技术》上。
EPB是一种广泛采用的隧道建设技术，它利用挖掘出的泥土为隧道面提供支撑。该过程涉及使用泡沫、浆液或其他添加剂使挖掘材料塑化，以确保其不透水并易于运输。
研究人员发现，尽管EPB技术很受欢迎，但对于通过将挖掘的泥土与膨润土溶液等塑化添加剂混合所改变的泥土塑性如何影响隧道腔内的土压力的理解仍然有限。理解这些关系可以显著提高防止地面变形的可能性，同时确保整个隧道过程中的沉积物管理有效。
“城市地区越来越依赖地下基础设施，因此我们的目标是创建一种预测工具，以增强城市基础设施的韧性，同时通过有效的土壤塑性管理，降低因不稳定的隧道作业而导致的延误和结构损坏的成本，”稻住教授解释了本研究背后的目的。他还指出，由于与本项研究相关的实验室与联合国的可持续发展目标一致，他们探讨了因大量挖掘材料和应用膨润土等化学添加剂而带来的环境影响，以识别增强建设项目可持续性的方法。
实验配置包括一个可密封的土壤箱，模拟一个腔室，以及通过将双对土压力计引入盾构机实现的搅拌刀模型的降升阶段。该设置结合基于运动粒子模拟的计算机辅助分析系统的计算，准确复制了隧道施工过程，并测量了土压力因泥土搅拌引起的塑性变化而发生的变化。
研究结果表明，土压力是评估土壤塑性及相关因素（如桨叶剪切强度和坍落度）的可靠指标，这些因素共同影响隧道稳定性和机械操作。在MPS的支持下，研究人员提出的CAE分析系统准确反映了实验数据，确认其在评估和可视化隧道施工过程中泥土塑性和流动性方面的有效性。
在各种条件下通过检查泥土的塑性状态来评估实际现场情境中的土压力，可能会消耗大量资源并且成本高昂。 然而，本研究中展示的小型实验模型与计算能力的结合，可能成为优化EPB盾构作业和增强沉积物管理策略的重要资产。这可能导致大幅改善地下建设项目（特别是城市环境中的项目）的安全性和效率的新创新方法。
“本研究的结果可能直接影响到密集城市区域的地铁系统、地下公用设施和道路的建设，通过促进控制操作来最小化对周围地面的干扰。我们也希望我们的建议策略能够被实施，以减少隧道施工过程带来的环境后果并增强在地震或其他地质威胁易发区域的安全协议，”稻住教授总结道。
