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一种快速求解密码S盒差分均匀度下界的新方法
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作者 蔡婧雯 韦永壮 赵海霞 《小型微型计算机系统》 CSCD 北大核心 2023年第5期1081-1086,共6页
密码S盒是对称密码算法的核心部件,其代数性质通常决定着密码算法整体的安全强度.密码S盒的差分均匀度是度量其抵御差分密码分析的能力.对于n比特输入及n比特输出的密码S盒,传统求解其差分均匀度的方法需要大约O(2^(3n))次运算;而当n较... 密码S盒是对称密码算法的核心部件,其代数性质通常决定着密码算法整体的安全强度.密码S盒的差分均匀度是度量其抵御差分密码分析的能力.对于n比特输入及n比特输出的密码S盒,传统求解其差分均匀度的方法需要大约O(2^(3n))次运算;而当n较大时(比如n>15),因搜索空间较大,从而导致花销时间太长(甚至计算不可行)等问题.如何快速判定(大状态)密码S盒的差分均匀度是目前的研究难点之一.本文基于密码S盒的循环差分特性,提出了一种求解其差分均匀度下界的新方法:通过统计循环差分对出现的次数,快速评估其解存在的个数,并由此给出密码S盒差分均匀度的下界.该方法所需的时间复杂度仅为O(2^(n))次运算.实验结果证实:对于4比特、5比特、7比特、8比特、9比特及多个16比特的S盒,利用该求解算法捕获的差分均匀度下界与真实的差分均匀度值是完全一致的.特别地,针对PRESENT、Keccak、MISTY-7、AES、MISTY-9、NBC及其变体使用的密码S盒,该方法求解其差分均匀度下界时所花销的时间均比传统算法节省82%以上.该方法为进一步评估大状态密码S盒的代数性质提供全新的思路. 展开更多
关键词 对称密码 差分攻击 密码S盒 差分均匀度 时间复杂
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几类具有低c-差分均匀度的幂函数和置换多项式 被引量:1
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作者 王聪慧 郑大彬 +1 位作者 袁木 王小强 《密码学报》 CSCD 2023年第3期597-608,共12页
S盒是分组密码算法中的核心部件.为了抵抗差分密码攻击,S盒应具有较低的差分均匀度.低差分密码函数在密码学、编码学、组合设计等领域中有着广泛的应用.Ellingsen等人提出c-差分均匀度的概念,且一些具有低c-差分均匀度的函数被构造出来... S盒是分组密码算法中的核心部件.为了抵抗差分密码攻击,S盒应具有较低的差分均匀度.低差分密码函数在密码学、编码学、组合设计等领域中有着广泛的应用.Ellingsen等人提出c-差分均匀度的概念,且一些具有低c-差分均匀度的函数被构造出来.本文运用有限域上的二次特征和迹函数提出三类具有低c-差分均匀度的单项式函数,证明了两类已知置换多项式具有低c-差分均匀度.特别地,两类幂函数的c-差分均匀度不超过2. 展开更多
关键词 S盒 c-差分均匀度 二次特征 置换多项式
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基于GPU的大状态密码S盒差分性质评估方法 被引量:1
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作者 张润莲 张密 +1 位作者 武小年 舒瑞 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2024年第9期2785-2790,共6页
大状态的密码S盒能够为对称密码算法提供更好的混淆性,但对大状态S盒的性质评估开销巨大。为高效评估大状态密码S盒的差分性质,提出基于GPU并行计算的大状态密码S盒差分性质评估方法。该方法基于现有的差分均匀度计算方法,针对16比特S... 大状态的密码S盒能够为对称密码算法提供更好的混淆性,但对大状态S盒的性质评估开销巨大。为高效评估大状态密码S盒的差分性质,提出基于GPU并行计算的大状态密码S盒差分性质评估方法。该方法基于现有的差分均匀度计算方法,针对16比特S盒的差分均匀度和32比特S盒的差分性质,分别设计GPU并行方案,通过优化GPU并行粒度和负载均衡提高了核函数和GPU的执行效率,并缩短了计算时间。测试结果表明,相较于CPU方法和GPU并行方法,所提方法大幅降低了大状态S盒差分性质评估的计算时间,提高了对大状态S盒差分性质的评估效率:对16比特S盒差分均匀度的计算时间为0.3 min;对32比特S盒的单个输入差分的最大输出差分概率计算时间约5 min,对它的差分性质计算时间约2.6 h。 展开更多
关键词 密码S盒 差分密码分析 差分均匀度 最大输出差分概率 GPU并行计算
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一类幂函数的c-差分性质及其(−1)-差分谱
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作者 谭先彤 阎昊德 《密码学报(中英文)》 CSCD 北大核心 2024年第2期371-386,共16页
差分攻击是攻击迭代分组密码最有效的方法之一.密码算法抵抗差分攻击的能力与其采用的密码函数抵抗差分攻击的能力密切相关,而后者可以用差分均匀度来衡量.密码函数的差分均匀度越小,其抵抗差分攻击的能力就越强.为了抵抗差分攻击,分组... 差分攻击是攻击迭代分组密码最有效的方法之一.密码算法抵抗差分攻击的能力与其采用的密码函数抵抗差分攻击的能力密切相关,而后者可以用差分均匀度来衡量.密码函数的差分均匀度越小,其抵抗差分攻击的能力就越强.为了抵抗差分攻击,分组密码算法中的核心部件S盒(S-boxes)应该具有较低的差分均匀度.同时,具有低差分均匀度的密码函数在编码理论、组合设计等领域中有着广泛的应用.乘法差分攻击作为差分攻击的推广被提出,密码函数抵抗乘法差分攻击的能力用其c-差分均匀度反映.本文主要研究了有限域Fpn上幂函数x^(p^(n)+3)/2的c-差分性质,这里p是奇素数,n是正整数.对于一般的c≠±1,本文给出了这类幂函数的c-差分均匀度的上界,并针对c=−1求解了其c-差分谱. 展开更多
关键词 幂函数 c-差分均匀度 c-差分 特征和
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不可能差分性质更优的动态S盒构造方法 被引量:2
5
作者 胡志华 颜硕 熊宽江 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2016年第5期1257-1261,共5页
利用有限域的可逆变换与仿射变换产生S盒的思想,提出通过改变仿射变换矩阵中的行来生成动态S盒。分析了该方法生成单个S盒的密码学性质,实验结果显示单个S盒的密码学性质均达到高级加密标准中S盒的安全性;同时也分析了该方法生成动态S... 利用有限域的可逆变换与仿射变换产生S盒的思想,提出通过改变仿射变换矩阵中的行来生成动态S盒。分析了该方法生成单个S盒的密码学性质,实验结果显示单个S盒的密码学性质均达到高级加密标准中S盒的安全性;同时也分析了该方法生成动态S盒的动态差分概率、动态线性概率、动态非线性度、动态代数次数和不可能差分个数,理论分析表明该方法生成动态S盒均有较好的密码学性质;通过实验检验可以得出该方法生成的动态S盒具有很好的动态非线性度、动态差分和不可能差分性;而从分析该方法生成动态S盒的硬件实现效率可以看出,该方法具有较好的硬件实现效率。 展开更多
关键词 行变换 非线性 差分均匀度 不可能差分 动态S盒
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一类2^t-差分置换多项式
6
作者 谢涛 朱小琨 左可正 《华中师范大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2015年第3期344-347,共4页
构造了有限域F23k(k≥1)上一类二项式函数,利用有限域上单变元方程化为多变元方程组的方法证明了该函数是差分均匀度为2t(t≥1)的置换.由此得到一类APN置换和4-差分置换,并发现该两类低差分置换是已有结果的推广.
关键词 差分均匀度 置换多项式 APN函数
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基于复合混沌系统的S盒构造与优化方法
7
作者 武小年 吴庭 +1 位作者 黄昭文 张润莲 《计算机科学与探索》 北大核心 2025年第4期1095-1104,共10页
S盒是分组密码算法的唯一非线性部件,其优劣决定了密码算法的安全强度。为高效构造密码学性质优良且稳定的S盒,提出一种基于复合混沌系统的8比特S盒构造及优化方法。通过扩展tent混沌映射的值域给出扩展的tent映射,并与扩展的logistic... S盒是分组密码算法的唯一非线性部件,其优劣决定了密码算法的安全强度。为高效构造密码学性质优良且稳定的S盒,提出一种基于复合混沌系统的8比特S盒构造及优化方法。通过扩展tent混沌映射的值域给出扩展的tent映射,并与扩展的logistic映射结合构造了一个具有优秀混沌特性的复合混沌系统;在迭代50次消除混沌系统暂态效应后,利用复合混沌系统产生随机序列构造初始8比特S盒;进一步地,针对密码学性质较差的初始S盒,设计一个用于权衡S盒差分均匀度和线性度的优化目标约束函数,分别根据S盒的差分分布和线性分布情况,搜索使得S盒差分分布和线性分布更均匀的数据进行迭代优化,尽可能地降低S盒的差分均匀度和线性度,提高S盒抵抗差分分析和线性分析的能力。实验测试结果表明,该方法能够对所有密码学性质较差的初始S盒进行性质优化提升,优化后的差分均匀度可以达到8,非线性度达到102;该方法的优化速度快,最少仅需要33次迭代就可以完成优化。 展开更多
关键词 S盒 混沌映射 差分均匀度 非线性 线性
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基于多目标遗传算法的8×8 S盒的优化设计方法 被引量:1
8
作者 王永 王明月 龚建 《西南交通大学学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第3期519-527,538,共10页
混沌系统具有非线性、伪随机性、初始值敏感等特性,为基于动力系统构造性能良好的S盒提供了基础,进一步保证了分组加密算法安全性.目前,基于混沌构造S盒的方法大多数针对单个性能指标进行优化,难以获得全面的性能提升.针对此问题,结合... 混沌系统具有非线性、伪随机性、初始值敏感等特性,为基于动力系统构造性能良好的S盒提供了基础,进一步保证了分组加密算法安全性.目前,基于混沌构造S盒的方法大多数针对单个性能指标进行优化,难以获得全面的性能提升.针对此问题,结合混沌映射与多目标遗传算法,提出了一种新的S盒设计方法.首先,利用混沌映射的特性产生初始S盒种群;然后,以S盒的非线性度和差分均匀性为优化目标,基于遗传算法框架对上述两指标进行优化.针对S盒的特点,在优化算法中引入了交换操作,设计了新的变异操作以及非支配序集计算,有效提升了S盒的非线性度和差分均匀性.实验结果表明该算法产生的S盒其差分均匀度为6,非线性度值至少为110,有效提升了S盒的综合性能. 展开更多
关键词 S盒 非线性 差分均匀度 多目标遗传算法 混沌映射
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基于遗传算法的S盒的构造 被引量:6
9
作者 殷新春 杨洁 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2007年第3期91-93,共3页
采用遗传算法来构造S盒,并引入了启发式变异策略。该策略既可以防止优良的基因受到破坏,又可以保证群体中个体的多样性。基于该方法,给出了6×6的S盒构造的完整程序描述,并获得了一批高非线性度和低差分均匀度的S盒。
关键词 S盒 非线性 差分均匀度 遗传算法 启发式
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基于快速收敛遗传算法的S盒的优化算法 被引量:6
10
作者 殷新春 杨洁 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2006年第4期803-805,共3页
采用遗传算法来对S盒进行优化,并引入了启发式变异策略。实验表明,这种变异规则能够显著地提高算法的搜索效率,可以加快算法的收敛速度。此外,采用最佳个体保存法的选择策略可以减少额外的计算量。基于该方法,给出了6×6的S盒优化... 采用遗传算法来对S盒进行优化,并引入了启发式变异策略。实验表明,这种变异规则能够显著地提高算法的搜索效率,可以加快算法的收敛速度。此外,采用最佳个体保存法的选择策略可以减少额外的计算量。基于该方法,给出了6×6的S盒优化的完整程序描述,并获得了一批高非线性度和低差分均匀度的S盒。 展开更多
关键词 S盒 非线性 差分均匀度 遗传算法
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基于L-M-NFSR结构的16比特S盒设计方法 被引量:3
11
作者 武小年 舒瑞 +2 位作者 豆道饶 张润莲 韦永壮 《计算机科学与探索》 CSCD 北大核心 2023年第10期2511-2518,共8页
S盒是分组密码算法的重要部件,为密码算法提供非线性变换,S盒的安全强度在一定程度上决定着密码算法的安全强度。为构造具有优良密码学性质的16比特S盒,设计一种以Lai-Massey结构和非线性反馈移位寄存器(NFSR)组件相结合的L-M-NFSR新结... S盒是分组密码算法的重要部件,为密码算法提供非线性变换,S盒的安全强度在一定程度上决定着密码算法的安全强度。为构造具有优良密码学性质的16比特S盒,设计一种以Lai-Massey结构和非线性反馈移位寄存器(NFSR)组件相结合的L-M-NFSR新结构。该结构以与高级加密标准(AES)算法S盒仿射等价的8比特S盒作为新结构的轮函数,减少设计的复杂性并提高结构的可变性;左右分支各增加一个迭代少量拍数即可符合严格雪崩特性的NFSR组件用于提高结构的扩散性;通过3轮迭代和遍历生成16比特S盒。进一步地,基于该结构,以AES算法S盒仿射等价新生成的8比特S盒替换轮函数中的8比特S盒,可方便地生成大量新的16比特密码S盒。为提高对所构造16比特S盒性质的评估效率,采用图形处理器(GPU)进行并行计算,测试结果表明,所生成的16比特S盒具有较优的密码学性质,均满足双射性,代数次数为15,非线性度最优为31992,差分均匀度最低为18,信噪比最低为146.712,具有较好地抵御数学攻击和差分功耗分析的安全性。 展开更多
关键词 S盒 Lai-Massey结构 非线性反馈移位寄存器(NFSR) 差分均匀度
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基于改进粒子群优化算法的S盒优化设计 被引量:2
12
作者 毕晓君 盛磊 陈剑 《计算机工程》 CAS CSCD 北大核心 2011年第23期149-151,共3页
采用传统方法设计的S盒性能较差,而常用智能设计方法又存在设计时间过长、容易陷入局部最优的缺点。为此,提出一种基于改变粒子群优化算法的S盒优化设计方法。通过改变惯性权重来提高搜索速度和精度,从而增大算法效率。实验结果表明,该... 采用传统方法设计的S盒性能较差,而常用智能设计方法又存在设计时间过长、容易陷入局部最优的缺点。为此,提出一种基于改变粒子群优化算法的S盒优化设计方法。通过改变惯性权重来提高搜索速度和精度,从而增大算法效率。实验结果表明,该方法可以快速地搜索到能有效抵抗差分密码分析和线性密码分析的S盒,改善其密码性能。 展开更多
关键词 粒子群优化算法 S盒 差分均匀度 非线性 雪崩性
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密码函数安全性指标的研究进展 被引量:3
13
作者 屈龙江 付绍静 李超 《密码学报》 2014年第6期578-588,共11页
密码函数包含布尔函数与向量函数(S-盒)两大类,是构成序列密码、分组密码和Hash函数这三类密码算法的重要组件,其密码学性质的好坏直接关系到密码算法的安全性.密码算法对于各种已知攻击的抵抗性可以由它所使用的密码函数的相应密码学... 密码函数包含布尔函数与向量函数(S-盒)两大类,是构成序列密码、分组密码和Hash函数这三类密码算法的重要组件,其密码学性质的好坏直接关系到密码算法的安全性.密码算法对于各种已知攻击的抵抗性可以由它所使用的密码函数的相应密码学指标来衡量,密码函数的差分均匀度反映了其抵抗差分攻击的能力,密码函数的非线性度反映了其抵抗线性攻击或快速相关攻击的能力,密码函数的代数免疫度反映了其抵抗代数攻击的能力,密码函数的相关免疫度反映了其抵抗相关攻击的能力,密码函数的代数次数反映其抵抗Berlekamp Massey攻击或高阶差分攻击的能力,其中非线性度、代数免疫度、差分均匀度是三个重要的密码学指标.本文总结了近年来在高度非线性函数、高代数免疫度函数和低差分函数研究方面的进展,重点归纳了Bent函数和向量Bent函数这两类高度非线性函数的性质与构造、具有最优代数免疫度且同时满足高非线性度等其它密码指标较优的布尔函数与向量函数构造、三类低差分函数(PN函数、APN函数和4-差分函数)的性质与构造三个方面的研究现状与进展情况,并对这三方面的下一步研究作了展望. 展开更多
关键词 密码函数 非线性 代数免疫 差分均匀度
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一种安全性更高的正形置换发生器 被引量:1
14
作者 童言 张焕国 邓小铁 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 2012年第8期1655-1661,共7页
作为一种完全映射,正形置换是对称密码体制中一类重要的基础置换.正形置换已经被证明拥有完全平衡性.自1995年以来,国内外学者对于正形置换的研究主要集中在构造与计数方面,但是对于正形置换的密码学性质,比如差分均匀度和非线性度等则... 作为一种完全映射,正形置换是对称密码体制中一类重要的基础置换.正形置换已经被证明拥有完全平衡性.自1995年以来,国内外学者对于正形置换的研究主要集中在构造与计数方面,但是对于正形置换的密码学性质,比如差分均匀度和非线性度等则相对关注得较少,而具有良好密码学性质的正形置换可以直接用来设计对称密码算法中的密码学部件.修正了一个关于复合函数密码学性质的结论中关于非线性度所存在的问题;接着分析了一般BDLL正形置换发生器的抗差分分析和抗线性分析的密码学性质;然后基于复合函数提出了一种改进的正形置换发生器,并结合修正后的复合函数结论证明了该正形置换发生器相比于一般BDLL正形置换发生器,能够生成数量更多、拥有更高非线性度和代数次数的非线性正形置换. 展开更多
关键词 对称密码 正形置换 非线性 代数次数 差分均匀度
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轻量S盒密码性质研究 被引量:8
15
作者 贾平 徐洪 戚文峰 《密码学报》 CSCD 2015年第6期497-504,共8页
S盒是对称密码算法中的重要组成部分,作为主要的非线性部件,其密码性质的好坏直接影响到整体算法的安全性.差分均匀度和线性度(非线性度)是衡量S盒密码性质的两个基本指标,它们分别刻画了S盒抵抗差分密码分析和线性密码分析的能力,并且... S盒是对称密码算法中的重要组成部分,作为主要的非线性部件,其密码性质的好坏直接影响到整体算法的安全性.差分均匀度和线性度(非线性度)是衡量S盒密码性质的两个基本指标,它们分别刻画了S盒抵抗差分密码分析和线性密码分析的能力,并且在仿射变换下保持不变.由于硬件成本限制,轻量密码算法通常采用4比特S盒,其差分均匀度和线性度的下界为4,达到下界的S盒称为最优S盒,Leander等将它们分成了16个仿射等价类.在此基础上,我们对现有典型轻量算法中的S盒按仿射等价关系进行了分类.为了对抗多差分分析、多线性分析及各种变形攻击方法的威胁,还希望S盒具有最大差分概率的差分对个数、具有最优线性逼近关系的掩码个数越少越好,有时甚至需要对单比特输入输出的差分特征和线性特征做更细致的分析,因此我们进一步对上述各轻量S盒达最大差分概率的差分对个数、具有最优线性逼近关系的掩码个数、单比特输入输出差分特征和单比特线性逼近关系的个数,以及单比特情况下的差分均匀度和线性度进行了详细的分析和统计,上述结论可为相关轻量密码算法的分析提供重要的理论依据. 展开更多
关键词 S盒 轻量密码算法 仿射等价 差分均匀度 线性
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Feistel结构的8比特轻量化S盒 被引量:5
16
作者 董新锋 张文政 许春香 《西安电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期69-75,共7页
轻量化S盒作为轻量级对称密码算法的混淆部件,是设计轻量级对称密码算法的关键。提出一种新的8比特轻量化S盒设计方法,其单轮逻辑运算仅涉及4个单比特逻辑与运算和4个单比特逻辑异或运算,迭代4轮后密码性质可达到差分均匀度为16、非线... 轻量化S盒作为轻量级对称密码算法的混淆部件,是设计轻量级对称密码算法的关键。提出一种新的8比特轻量化S盒设计方法,其单轮逻辑运算仅涉及4个单比特逻辑与运算和4个单比特逻辑异或运算,迭代4轮后密码性质可达到差分均匀度为16、非线性度为96。与目前已有轻量化S盒设计方法相比,新的8比特轻量化S盒设计方法在硬件实现资源小的同时达到了已知最优的差分均匀度和非线性度等密码学指标,解决了之前8比特轻量化S盒差分均匀度和非线性度等密码性质弱的问题。 展开更多
关键词 FEISTEL结构 S盒 轻量级 对称密码 差分均匀度 非线性
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基于GPU的密码S盒代数性质评估方法 被引量:3
17
作者 蔡婧雯 韦永壮 刘争红 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2022年第9期2750-2756,共7页
密码S盒即黑盒,作为对称密码算法中的非线性部件,其代数性质往往决定着密码算法的安全性能。差分均匀度、非线性度及透明阶作为衡量密码S盒安全性质的三个基本指标,分别刻画了S盒抵御差分密码分析、线性密码分析及差分功耗攻击的能力。... 密码S盒即黑盒,作为对称密码算法中的非线性部件,其代数性质往往决定着密码算法的安全性能。差分均匀度、非线性度及透明阶作为衡量密码S盒安全性质的三个基本指标,分别刻画了S盒抵御差分密码分析、线性密码分析及差分功耗攻击的能力。当密码S盒输入尺寸较大(如S盒输入长度大于15比特)时在中央处理器(CPU)中的求解所需时间仍过长,甚至求解不可行。如何针对大尺寸输入密码S盒的代数性质进行快速评估是目前业界的研究热点。基于图形处理器(GPU)提出一种快速评估密码S盒代数性质的方法。该方法利用切片技术将内核函数拆分至多线程,并结合求解差分均匀度、非线性度及透明阶的特征提出优化方案,从而实现并行计算。测试结果表明,与基于CPU的实现环境相比,基于单块GPU的环境下的实现效率得到了显著的提升。具体来说,计算差分均匀度、非线性度及透明阶所花时间分别节省了90.28%、78.57%、60%,验证了该方法的有效性。 展开更多
关键词 对称密码算法 密码S盒 图形处理器 并行计算 差分均匀度 非线性 透明阶
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适于软硬件实现的安全轻量S盒的设计 被引量:3
18
作者 李凡 张文英 邢朝辉 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2020年第12期3717-3721,共5页
随着物联网的发展,轻量级分组密码算法的设计显得尤为重要。S盒是对称密码算法的关键部件。许多加密算法的硬件实现过程易受侧信道攻击,门限实现是一种基于秘密共享和多方计算的侧信道攻击对策。通过简单地对三次布尔函数中的变量进行... 随着物联网的发展,轻量级分组密码算法的设计显得尤为重要。S盒是对称密码算法的关键部件。许多加密算法的硬件实现过程易受侧信道攻击,门限实现是一种基于秘密共享和多方计算的侧信道攻击对策。通过简单地对三次布尔函数中的变量进行循环移位,构建密码性质最优的4×4安全轻量S盒,并且为所构造的S盒设计了门限实现方案来抵御侧信道攻击,该方案是可证安全的。该方法构造的S盒的四个分量函数的实现电路相同,极大地降低了硬件实现的复杂度。给定S盒的一个分量,其余的三个分量可通过该分量的循环移位获得,这样大大降低了硬件实现成本,易于快速软件实现。 展开更多
关键词 轻量级分组密码 S盒 差分均匀度 非线性 WALSH谱 侧信道攻击 门限实现
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Failure mechanism of large-diameter shield tunnels and its effects on ground surface settlements 被引量:6
19
作者 杨宇友 李宏安 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS 2012年第10期2958-2965,共8页
A new technique for the analysis of the three-dimensional collapse failure mechanism and the ground surface settlements for the large-diameter shield tunnels were presented.The technique is based on a velocity field m... A new technique for the analysis of the three-dimensional collapse failure mechanism and the ground surface settlements for the large-diameter shield tunnels were presented.The technique is based on a velocity field model using more different truncated solid conical blocks to clarify the multiblock failure mechanism.Furthermore,the shape of blocks between the failure surface and the tunnel face was considered as an entire circle,and the supporting pressure was assumed as non-uniform distribution on the tunnel face and increased with the tunnel embedded depth.The ground surface settlements and failure mechanism above large-diameter shield tunnels were also investigated under different supporting pressures by the finite difference method. 展开更多
关键词 large-diameter shield tunnel failure mechanism ground surface settlements limit analysis theory supporting pressures
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