近日，我室以谢小创博士研究生为第一作者、张冬梅教授为通讯作者在《Computers and Geotechnics》期刊上发表了题为“Hydro-mechanical behaviour of soils during water-soil gushing in shield tunnels using MPM”的研究论文，报道了采用物质点法分析盾构隧道涌砂涌水过程中土体水力-力学特性的最新研究成果。

文章链接: https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2022.104688

隧道涌砂涌水已成为影响富水砂层盾构隧道安全的主要风险。水土流失导致隧道产生不均匀沉降和管片破损，与此同时隧道变形过大会加剧涌砂涌水，进而形成涌砂涌水与隧道变形之间的恶性循环发展。针对该问题，采用传统的有限元、离散元等方法进行模拟存在有限元网格畸变、颗粒数量巨大与计算耗时等不足，难以对涌砂涌水过程的演化机理进行系统分析。相比之下，已有研究表明物质点法（MPM）非常适合模拟此类岩土工程大变形问题。为此，本问引入物质点法系统揭示了盾构隧道涌砂涌水过程中土体水力-力学特性。

本文的研究思路如下，首先，构建了兼顾水-土-结构相互作用的单点两相物质点法算法，并利用水砂渗漏室内试验进行了验证（图1），凸显了物质点法模拟隧道涌砂涌水问题的可靠性和准确性，随后，基于小尺寸的数值模型探讨了流失孔的几何形状的影响。在此基础上，建立了盾构隧道涌砂涌水的大尺寸数值模型（图2），分析了隧道涌砂涌水对周围土体水力-土力学行为的影响规律（图3）。

图1 单点两相物质点法算法的试验验证土体水力-土力学行为的影响规律

图2 典型的隧道涌砂涌水模型示意图

图3 不同涌砂位置工况的土体流动区的发展

  研究表明，涌砂过程整体可以分为三个阶段：“初始涌砂阶段”，“快速发展阶段”和“稳定涌砂阶段”。最后，论文分析了不同涌砂位置、土体参数（如弹性模量、粘聚力和内摩擦角等）、隧道埋深对涌砂涌水过程中土体力学行为的影响规律。上述研究系统揭示了盾构隧道涌砂涌水演化机理及其土体水力-力学特性，研究成果可为类似工程的预防或治理提供参考。

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1. Xie, X. C., Ceccato, F., Zhou, M. L., Zhang, D. M., 2022. Hydro-mechanical behaviour of soils during water-soil gushing in shield tunnels using MPM. Computers and Geotechnics, 145, 104688.

撰稿：谢小创

黄忠凯

编辑：姚鸿增