基于改进DEM-PNM耦合方法的列车振动下盾构隧道周围土体渗流侵蚀机理研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Suffusion in shield tunnel surrounding soils under train vibration using an improved DEM-PNM coupling method

本文采用改进的离散元-孔隙网络模型（DEM-PNM）耦合方法，从微观尺度揭示了列车振动对盾构隧道周围级配不良土体渗流侵蚀（suffusion）的加剧机制。研究表明，振动通过改变土体几何（孔隙率）、力学（接触力链）、水力（孔隙水压力）条件及孔隙堵塞状态，显著增加了细颗粒流失质量（mr）和迁移距离，且高频（f）、高振幅（A）振动效应更显著。多列车循环振动会引发长期累积风险，为城市地下基础设施安全评估提供关键见解。

　　

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改进DEM-PNM方法的方法论

图2展示了耦合DEM-PNM框架模拟渗流侵蚀的迭代工作流程。DEM模块负责控制固体相（粗颗粒和细颗粒）的颗粒力学行为，而PNM模块则负责求解孔隙尺度的流体动力学问题。通过双向流固耦合算法，实现了固相与流体相之间的信息交换。首先，颗粒在振动和流体作用下发生运动，随后根据更新后的粗颗粒和细颗粒位置计算孔隙信息。

试验方案

列车诱导的振动通过轨道-隧道衬砌传播，动态影响周围级配不良土体的渗流侵蚀过程。以上海某地铁隧道为对象进行了现场监测（图5），通过在管片表面安装三轴BY-S200加速度计记录列车运行时的时域信号。观测发现隧道垂直方向的振动响应最为显著（Z方向）。

振动对渗流侵蚀的影响

选取基准工况（案例6：频率f=30 Hz，振幅A=0.02 mm）来研究振动对渗流侵蚀的影响。图9比较了振动和静态条件下的累计侵蚀颗粒质量比（m_r）。作为量化渗流侵蚀严重程度的无量纲指标之一，m_r定义为被侵蚀细颗粒的累计质量（m_c）与其初始总质量（m_i）之比，即 m_r = m_c/m_i。在渗流侵蚀发展的初始阶段（t < 1秒），侵蚀质量在振动和静态条件下均快速增长。然而，在t > 1秒后，静态条件下的侵蚀逐渐趋于稳定，而振动条件下的侵蚀则持续发展，最终导致显著更高的累计质量损失。此外，振动还显著增大了细颗粒的迁移距离。

Conclusions

本研究通过一系列单元尺度模拟，探讨了列车振动对盾构隧道周围渗流侵蚀的影响。模拟采用了改进的DEM-PNM方法，该方法有效解决了颗粒-流体-振动耦合相互作用问题。隧道管片接缝的开口通过在数值模型底部设置垂直缝隙来表征。根据现场测量数据，振动由特定的振幅和频率定义。