一种用于预测含气地质条件下盾构隧道施工响应的工程级数值框架：结合了先进的本构模型与三维仿真技术

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：An engineering-scale numerical framework for predicting shield tunnelling response in gassy ground: Integrating advanced constitutive modelling and 3D simulation

　　• 通过Abaqus UEL建立了适用于含气砂体的多相数值框架。• 通过实验室测试，准确验证了气体诱导的砂体强度分叉效应。• 对崇泰长江隧道的全尺寸精细化三维隧道响应进行了模拟。• 量化了盾构掘进过程中异常的反向隆起和弹簧线向外位移现象。• 通过路径依赖的框架，彻底阐明了含气地层中隧道掘进的多相机制。

引言
含气土壤在全球的陆地、湖泊、海洋及交互性海洋环境中广泛存在，特别是在密西西比河三角洲（Whelan等人，1975年）和南海（Zhu等人，2020年）等地区尤为典型。这些沉积物的饱和度通常很高（超过85%），其中液相保持连续状态，而气相则以离散且被封闭的气泡形式存在（Hong等人，2020年）。这类气体主要来源于深部沉积序列中的生物成因或岩成过程（Wheeler等人，1990年）。随着海洋资源的加速开发和沿海工程的建设，含气沉积物已成为多种工程失效的主要来源，对沿海基础设施（如渡轮码头、港口、管道）构成严重安全风险（Van Kessel和Van Kesteren，2002年；Tjelta等人，2007年；Mabrouk和Rowe，2011年；Wang等人，2023年）。此外，自由气体的积累被广泛报道会威胁海底稳定性，并引发如海底沉降和海底滑坡等灾难性地质灾害（Elger等人，2018年）。然而，沿海大都市区日益增长的人口压力和土地短缺促使城市地下空间的蓬勃发展。因此，不可避免地规划了穿越复杂含气层的隧道线路，这导致了近年来频繁发生的严重施工事故，包括气体喷发、隧道段不稳定性及过度地面沉降。例如，在中国武汉地铁2号线建设中，盾构掘进过程中释放了大量有害气体，引发了大规模火灾（Xu等人，2012年）。类似的事故在全球范围内的隧道工程中也有记录，包括西班牙、日本、墨西哥和土耳其（Copur等人，2012年）。显然，含气地层在隧道掘进过程中的力学响应已不再是局部工程问题，而是一个全球性挑战，因此需要全面理解以确保城市地下基础设施的安全和可持续发展。

含气土壤的独特属性从根本上导致了这些工程隐患，它们与传统非饱和土壤有显著差异。如图1概念性所示，根据土壤颗粒和气泡的相对尺寸，含气土壤可以大致分为两类：（i）粗粒沉积物中的孔隙含气土壤，其中封闭的气泡小于孔隙尺寸；（ii）细粒沉积物中的置换含气土壤，其中气体将土壤骨架挤开形成空腔。这些不同的气-液-颗粒配置不仅影响孔隙流体的压缩性，还影响其力学响应和工程性能（Sills和Wheeler，1992年）。特别是含气土壤沿卸载应力路径的不排水平衡行为与常见的无气体或非饱和土壤有显著不同，这一现象最初由Sobkowicz和Morgenstern（1984年）提出，并在图1(c)中总结。他们将这种复杂的力学响应归因于气体溶解-析出、气泡收缩-膨胀以及土壤骨架膨胀之间的相互作用。尽管先前的研究从理论上阐明了这些固有特性，但在实际的大直径盾构隧道掘进过程中遇到的高度动态应力条件（包括隧道表面、结构扰动和尾注灌浆）与气相的转化和迁移紧密耦合，进一步复杂化了土壤行为。因此，实际隧道掘进过程中的变形模式极难描述。

过去几十年里，人们投入了大量努力通过实验室元素试验（Rad等人，1994年；Vega-Posada等人，2014年；Grozic等人，1999年）来研究含气土壤的力学行为，并在此基础上逐步制定了几种微观力学本构模型（Zapata-Medina等人，2019年；Nixon和Grozic，2007年）。虽然这些基础工作成功推进了对含气土壤骨架特性的理解，但存在一个主要的系统性瓶颈：某些基于实验元素试验的本构模型依赖于简化的边界条件和理想化假设，这可能会在更一般的路径下影响其可靠性。例如，Grozic等人（2005年）提出的模型虽然考虑了通过Hilf方程整合孔隙气体的压缩性和溶解性，但无法预测初始加载阶段平均有效应力的轻微增加，特别是在应变硬化条件下导致预测偏差。此外，传统土壤模型无法捕捉到由状态依赖的膨胀性和压力依赖性所表征的高度非线性砂体行为，而这些对于反映与盾构掘进相关的非比例加载/卸载路径下的地面响应至关重要，因此需要引入更先进的本构框架。另一方面，尽管近年来全尺寸三维数值模拟技术在盾构隧道掘进方面取得了显著进展（Do等人，2021年；Wang等人，2024年），但它们通常假设传统的饱和或理想化的非饱和地面条件，忽略了含气层的独特属性。有限的大规模模拟研究尝试纳入含气层，但复杂的多相物理过程通常被简化处理。例如，He和Huang（2025年）的开创性工作通过在一个传统的Mohr-Coulomb连续体域中嵌入具有恒定内部压力的离散宏观球形“气体囊”来模拟含气层。尽管这种解耦的几何等效处理对于捕捉整体表面沉降趋势非常有效，但它本质上是静态和简化的表示方法。从数学上讲，它忽略了动态的相变（如气体溶解和析出）以及盾构掘进过程中含气土壤的瞬态应力-应变演化。具体而言，这种静态等效边界无法捕捉到如实时气泡膨胀、孔隙压力演化或盾构掘进过程中含气土壤的瞬态应力-应变演化等交互式多相物理现象。因此，关于盾构掘进响应在工程子系统（包括隧道面、尾注灌浆、衬砌安装和超挖部分）与含气层相互作用方面的全面理解仍然严重不足。目前，如何通过适用于大规模工程应用的定量数值框架准确捕捉和评估这些真实的耦合诱导力学响应仍是隧道工程领域的重大挑战。

为了解决这些限制，本研究采用了一种完全耦合的流体-力学建模方法，将我们之前开发的气体耦合本构框架（Chen等人，2022年）扩展到含气地层中的全尺寸三维盾构隧道分析中。虽然基础本构公式及其数值实现已在我们的先前工作中建立，但本研究的新颖之处在于通过瞬态多相耦合将实验室规模的含气土壤力学与全尺寸工程应用联系起来。首先，通过在两相多孔介质理论中采用等效的均匀孔隙流体方法，实现了一个耦合本构模型，以严格描述由Boyle定律和Henry定律控制的流体压缩性的动态非线性演化，并使用一组参数捕捉含气砂体的复杂应力-应变行为。接下来，进行了广泛的实验测试，考虑了不同的饱和度和相对密度，以彻底验证所建立数值模型的能力和可靠性。利用正在建设中的崇泰长江隧道这一世界级项目作为实际工程基准，该项目具有超大直径的盾构穿越含气层的特点，基于新开发的含气土壤本构模型建立了一个复杂的三维数值模型来模拟连续挖掘过程。基于这种耦合流体-力学框架，进行了一系列三维数值分析，系统研究了盾构掘进过程中土壤和结构变形、孔隙水压力及有效应力状态的空间和时间演化，并在含气和饱和条件下进行了对比研究。基于数值分析，阐明了含气地层中盾构掘进过程中出现的异常工程现象（如局部和不对称变形）的潜在机制，并提出了针对性的工程建议。本研究不仅为崇泰长江隧道的安全建设提供了关键评估参考，也为全球类似盾构掘进项目提供了科学指导。

章节片段
含气土壤的本构模型：公式化与实验室验证
本节旨在介绍并验证一个先进的含气土壤本构模型，为后续的三维盾构隧道模拟奠定理论基础。在理论公式化和数值实现之后，将使用实验室数据来验证该模型的适用性。与使用静态等效压力边界的传统非耦合连续体模型不同（He和Huang，2025年），本节开发的数学公式

项目概述
新建设的上海-重庆-成都高速铁路是中国国家“八纵八横”铁路规划中的重要组成部分，其中上海-南通段从上海北站开始，穿越上海和江苏省（图6(a)）。该段的关键组成部分是长达14.2公里的崇泰长江隧道（图6(b)），这是一个位于河流南支流下的单管隧道，采用盾构掘进方式建造。

土壤和结构变形的时空分布
位移场的时空演化提供了关于超大直径盾构掘进引起的地面扰动的关键见解。由于隧道埋深较大（51.2米，约3.4公里），上覆土壤质量中出现了显著的土壤拱效应。这种效应导致掘进引起的扰动在传播到地面时显著衰减（Wang等人，2024年）。因此，最大表面...

含气地层响应的潜在机制及工程影响
请注意，在活跃的水下隧道现场，原位监测微观过程（如实时气体析出和气泡膨胀）在技术上是不可行的。因此，本节讨论的机制是基于我们验证的气体耦合本构框架推导出的理论探索，而不是直接验证的实测数据。精细的数值模拟是克服这一问题的不可或缺的工具。

结论
主要结论如下：
（1）通过ABAQUS中的UEL接口实现了整合SANISAND-Z模型与由Boyle定律和Henry定律控制的非线性流体压缩性的耦合流体-力学框架。进行了系统性的实验测试，涵盖了不同的饱和度和相对密度，以验证所实施模型的能力，结果证明了该模型能够仅使用一组参数简单捕捉关键的气体诱导力学响应。

作者贡献声明
陈成：写作-审阅与编辑、可视化、监督、资金获取、概念化。
王刚：写作-初稿、可视化、方法论、正式分析、数据管理。
王勇：监督、软件、项目管理、正式分析。
张宪伟：写作-审阅与编辑、方法论、调查、数据管理。
周泽锋：软件、资源、调查。
金宇航：可视化、验证、资源、调查。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢
感谢国家自然科学基金（编号42572376、42272337、52127815、42372313、42572367）和湖北省杰出青年学者科学基金（授权号2023AFA078）的财政支持。