近日，同济大学工程风险研究团队张冬梅教授、陈思睿博士生和谢小创博士后等在《Tunnelling and Underground Space Technology》期刊上发表了题为“Suffusion in shield tunnel surrounding soils under train vibration using an improved DEM-PNM coupling method”的研究论文，采用改进的DEM-PNM耦合方法，通过构建渗流侵蚀单元尺度土体离散模型，考虑列车振动特点及隧道渗流边界，进行了精细化的模拟，深入揭示了振动对侵蚀的加剧机理，系统分析了频率、振幅等因素对侵蚀的影响，并探讨了多次列车经过对侵蚀的累积效应。该研究为城市地下基础设施中列车振动加剧渗流侵蚀提供了重要的见解。

盾构隧道作为城市地下重要基础设施，管片渗漏为隧道周边土体颗粒提供了迁移通道，诱发地层渗流侵蚀。此外，列车振动对隧道周围的颗粒和流体会产生显著的动力学效应，可以显著地影响渗流侵蚀发展。这种土体侵蚀不仅损害隧道结构稳定性，还会增加地表塌陷的风险。然而，振动对渗流侵蚀的影响机制尚未被揭示。本研究采用改进的离散元-孔隙网络耦合数值框架，从微观尺度探究振动对级配不良土中渗流侵蚀的作用机制。通过建立再现隧道渗流侵蚀条件的代表性单元尺度模型，并在模型底部施加基于现场测量数据的不同振幅与频率的振动荷载，系统揭示了振动对渗流侵蚀的影响规律，并从几何条件、水力条件、力学条件及孔隙尺度侵蚀过程四个维度阐释其机理。进一步地，研究了多次列车通行对周边土体渗流侵蚀的累积效应。结果表明：与静态工况相比，列车振动会显著加剧隧道周围的渗流侵蚀，导致土体质量损失率和颗粒迁移距离明显增加；振动对土体的几何结构、力学状态、水力特性及孔隙堵塞状态均产生显著影响；更高的振动频率与振幅会导致更严重的土体流失。每次列车通行都会加剧渗流侵蚀，这表明振动环境下盾构隧道长期面临渗流侵蚀风险。本研究为城市地下基础设施中列车振动诱发的渗流侵蚀机制提供了重要理论依据。

论文提出的改进DEM-PNM耦合框架（图1），考虑了间断级配砂土特点，将粗细颗粒分别与流体进行耦合，同时保证振动可以通过改变孔隙结构作用于流体，有效地实现了颗粒-流体-振动三者耦合。方法包括以下三个部分：离散元模块负责模拟固相（粗颗粒与细颗粒）的颗粒力学行为，而孔隙网络模块则用于求解孔隙尺度流体动力学（图2）。通过双向流-固耦合算法实现固相与流体相之间的信息传递。具体流程为：首先，颗粒在振动及流体作用下发生运动，继而根据更新后的粗/细颗粒位置分别计算孔隙几何参数；基于孔隙参数采用哈根-泊肃叶方程求解各孔隙内的平均流体流速；随后将流体-颗粒相互作用力施加至颗粒体系。当设定振动时长达到后，计算程序终止。

图1 改进的DEM-PNM耦合框架

图2 PNM模型及孔隙示意图

基于以上方法，建立单元体土样（图3）。该样本为正方体，边长为20mm，底部设置3mm缝隙，实现隧道管片张开导致的渗流侵蚀边界条件。细颗粒的尺寸为0.40-0.60毫米，粗颗粒的尺寸为2.80-3.20。振动根据现场监测结果通过底板位移施加（图4）。

图3 渗流侵蚀单元尺度模型

图4 振动施加模式

本研究首先揭示了振动对渗流侵蚀的加剧作用（图5），然后从几何条件、水力条件、力学条件（图6）及孔隙角度深入分析加剧机理。发现细颗粒在流矢缝处堵塞形成的稳定力链是影响侵蚀发展的关键因素，而振动可以破坏了这些力链，从而促进侵蚀发展。另外，针对振动参数（振幅、频率）进行分析，频率和振幅的增加均会导致更严重的侵蚀。频率和振幅影响渗流侵蚀的机制不同。振幅直接破坏了流矢缝周围的稳定力链，抑制了堵塞，从而增加了侵蚀质量。相反，频率主要控制力链重新分配的速度，加速质量损失（图7）。侵蚀的发展表现出与列车往复运动相关的周期性变化（图8）。每次列车经过均会加剧质量损失，这反映处列车振动条件下隧道盾构土体侵蚀所带来的长期风险。

图5 振动对侵蚀的加剧效果

图6 力链演化

图7 流矢缝周围稳定力链的发展

图8  多次列车经过条件下累积侵蚀土体发展曲线

第一作者

陈思睿 博士生   邮箱：dancychen@tongji.edu.cn

第二作者&通讯作者

张冬梅 教授   邮箱：dmzhang@tongli.edu.cn

第三作者

谢小创 博士后   邮箱：xiexc@tongji.edu.cn

第四作者

陈兆庚 博士生   邮箱：17865316203@163.com

第五作者

陈辉浩 博士生   邮箱：2210358@tongji.edu.cn

第六作者

李海云 博士生   邮箱：2410068@tongji.edu.cn

文献格式

Zhang, D., Chen, H., Xue, Y., Zhang, J., 2026. Vulnerability analysis of shield tunnel segmental lining disturbed by adjacent deep excavations in soft soils. Tunnelling and Underground Space Technology 167, 107033.

原文链接与二维码：

https://doi.org/10.1016/j.tust.2025.107033

供稿：陈辉

编辑：刘元