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狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析_周济民

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第３４卷第７期铁 道 学 报Ｖｏｌ．３４　Ｎｏ．７２　０　１　２年７月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹ　Ｊｕｌｙ　２０１２文章编号：１００１－８３６０（２０１２）０７－０１１５－０７狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析周济民１，　何　川１，　肖明清１，２，　宋洪江３（１．西南交通大学隧道工程教育部重点实验室，四川成都　６１００３１；２．中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　４３００６３；３．成都铁路局成昆铁路公司，四川成都　６１００８１）摘　要：以狮子洋水下盾构隧道为背景，对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行长期现场追踪测试，总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律。

并采用三维壳－弹簧计算模型对大断面宽幅管片结构内力分布形态进行研究，与现场测试结果相互验证。

研究结果表明：施工期管片衬砌脱环后容易形成无水压环箍作用下土体偏压状态；施工后期水、土压力长期随时间增长，结构内力随之增大，结构轴力较弯矩增幅明显。

三维壳－弹簧计算模型适应大断面宽幅管片衬砌结构计算。

试验和数值计算结果在量值和分布规律上一致。

封顶块处弯矩较小，其弯矩由临近环衬砌结构承担；受环间接头错缝效应影响，幅宽边缘靠近衬砌结构纵缝处轴力发生突变。

关键词：盾构隧道；水下隧道；大断面；现场测试；壳－弹簧模型中图分类号：Ｕ２８３．４；ＴＰ３９１．９ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１２．０７．０１８Ｆｉｅｌｄ　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｏｆ　ＳｅｇｍｅｎｔＬｉｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｈｉｚｉｙａｎｇ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｓｈｉｅｌｄ　ＴｕｎｎｅｌＺＨＯＵ　Ｊｉ－ｍｉｎ１，　ＨＥ　Ｃｈｕａｎ１，　ＸＩＡＯ　Ｍｉｎｇ－ｑｉｎｇ１，２，　ＳＯＮＧ　Ｈｏｎｇ－ｊｉａｎｇ３（１．ＭＯＥ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｉｙｕａｎ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００６３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｈｅｎｇｄｕ－ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｈｉｚｉｙａｎｇ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｆｉｅｌｄ　ｔｒａｃ－ｉｎｇ　ｔｅｓｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｄｕｒｉｎｇｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ｏｆ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ－ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｉｎｇ　ｌａｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｌｏａｄ　ａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　３Ｄｓｈｅｌｌ－ｓｐｒｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｒｏａｄ　ｗｉｄｔｈ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ：Ｉｎ　ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｔｏ　ｅｎｔｅｒ　ｔｈｅ　ｂｉａｓ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｓｏｉｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅａｆｔｅｒ　ｓｅｇｍｅｎｔｓ　ｌｅａｖｅ　ｔｈｅ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｒａｉｌ；ｉｎ　ｔｈｅ　ａｆｔｅｒ－ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　ｓｏｉｌａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｘｉａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｏｂｖｉｏｕｓｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔ；ｔｈｅ　３Ｄｓｈｅｌｌ－ｓｐｒｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆｓｅｇｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｒｏａｄ　ｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉ－ｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ；ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｍａｌｌ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｔｏｐｐｉｎｇ－ｏｕｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａ－ｊｏｒ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｍｏｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｕｎｄｅｒｔａｋｅｎ　ｂｙ　ａｄｊａｃｅｎｔ　ｒｉｎｇ　ｓｅｇｍｅｎｔｓ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｓｔａｇｇｅｒｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆｒｉｎｇ　ｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅ　ａｘｉａｌ　ｆｏｒｃｅｓ　ｗｉｌｌ　ｃｈａｎｇｅ　ｓｕｄｄｅｎｌｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｄｇｅ　ｏｆ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｊｏｉｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｎ－ｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　ｔｕｎｎｅｌ；ｌａｒｇｅ　ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ；ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔ；ｓｈｅｌｌ－ｓｐｒｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ收稿日期：２０１０－１２－１６；修回日期：２０１１－０３－２１基金项目：国家自然科学基金（５０９２５８３０，Ｕ１１３４２０８）；国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２０１０ＣＢ７３２１００）作者简介：周济民（１９８４—），男，河北唐山人，博士研究生。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｍ８４＠１２６．ｃｏｍ 水下盾构隧道工程地质和水文地质条件复杂，受水荷载影响大，管片衬砌结构拼装方式和分块方式多样，结构力学问题尤为突出，且无规范和工程实例可资借鉴，需积累大量实测数据摸清其变化规律，并反映到盾构隧道设计与施工中［１］。

盾构隧道衬砌结构现场测试是对施工及运营期间管片衬砌结构实际受力状况和围岩体稳定性进行原位跟踪测试，是解决隧道结构力学问题的有效手段。

日本学者曾分别对日本盾构隧道在砂性土、砂砾石和黏性土地层所受外荷载进行监测分析，得出水、土压力作用于衬砌是一个长期发展过程，在砂性土、砂砾石地层中，水压力相对土压力而言对结构影响更大［２］；张厚美等［３］介绍广州地铁盾构隧道管片压力现场监测方法，得到盾构隧道围岩压力随时间变化规律，指出结构设计时外荷载取值应适当考虑盾尾注浆压力影响；谢洪强等［４］通过对重庆主城排水过江隧道施工期现场试验研究，得到作用在盾构管片上外水压力随盾构机掘进状态变化规律；何川等［５］以南京地铁穿越砂性地层盾构隧道为研究对象，实测数据表明管片环承受水、土压力在脱模后将很快增加并迅速达到峰值，１０环后施工影响几乎完全消散。

上述测试多针对直径６ｍ左右地铁盾构隧道，而对于直径１０ｍ以上大断面隧道，国内尚缺少实测数据及相关研究。

随断面增大和机械设备能力提高，管片幅宽有增大趋势，地铁盾构管片从１ｍ逐渐增加到１．５ｍ，而目前大断面越江盾构隧道管片幅宽为２ｍ。

从管片衬砌设计现状看，结构重要参数（包括衬砌厚度、宽度、分块方式、连接方式等）和拼装方式各不相同。

目前国内外已建外径约１０ｍ跨越江河及海湾（峡）盾构隧道主体结构厚度为０．５０～０．８５ｍ不等，分块数８～１２块不等，这直接影响盾构隧道安全性和经济性。

世界各国在盾构隧道衬砌管片环拼装方式上也各不相同，有通缝式拼装和错缝式拼装２种方式。

欧洲较多采用通缝拼装，而日本则更多采用错缝拼装方法［６］。

衬砌环环向刚度减弱和纵向宽度增大，整环三维力学效应更复杂。

从整环结构看，由于盾构吊装和运输能力限制单个管片重量，当横断面很大时，管片环分块数量必然增多，使整环结构刚度更加柔弱、防水更加困难。

这一环向刚度趋弱现状，在高水压严控变形条件下必然期待通过提高环间错缝效应等措施减小衬砌整体变形量。

因此，大断面环向刚度趋弱和高防水控制变形更小时，整环结构力学传递会被进一步增强。

目前，盾构隧道横向结构计算分析一般采用匀质圆环模型、修正惯用法模型、梁－弹簧模型，这些模型将壳体管片看作梁，将三维问题简化成平面问题。

但盾构隧道断面变大以后，管片厚度与幅宽随之增加，管片横向再简化为梁单元可能会导致较大误差，需要把管片简化为更符合实际的单元体，在单元体之间通过能考虑盾构隧道环向、纵向接头具体位置和刚度的接头单元连接［７］。

Ｋｏｉｚｕｍｉ等［８］提出采用壳或实体单元模拟管片衬砌结构三维有限元模型。

近年来陆续有学者采用三维壳或三维实体单元完成整环结构计算分析；朱伟等［９］使用壳－弹簧模型对盾构管片衬砌受力特性进行研究，并与梁－弹簧模型的计算结果作对比；苏宗贤、何川［１０－１１］在此基础上，提出荷载－结构模式下和地层－结构模式下壳－弹簧－接触模型，该模型引入非线性接触单元，考虑管片间接缝处挤压作用、管片与螺栓接头之间咬合作用、地层对管片径向与切向抗力作用等；张建刚、何川［１２－１３］采用三维壳－非线性弹簧模型全面分析管片空间力学特征，研究结构实体在管片幅宽边缘和幅宽中央的内力差别，结合计算分析结果提出主筋优化分布的配筋措施。

本文以广（州）—深（圳）—（香）港客运专线狮子洋水下盾构隧道为背景，对管片衬砌在施工期和长期所受外荷载和结构内力进行现场追踪测试；并对长期监测数据进行详细分析，总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律；采用三维壳－弹簧计算模型对大断面宽幅管片结构内力分布形态进行研究，并与现场测试结果相互验证。

１　工程概况及试验方案１．１　工程概况狮子洋水下盾构隧道位于广深港客运专线广州至深圳段，穿越珠江入海口狮子洋。

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广深港客运专线下穿珠江狮子洋隧道渗流场数值研究

广深港客运专线下穿珠江狮子洋隧道渗流场数值研究

铁道建筑Railway EngineeringJune ，20132)时间序列预测模型在变形监测中具有良好的短期预报效果，只需对观测序列进行动态的建模，就可以实时掌握工程建(构)筑物施工过程中的变形情况，不断优化设计和施工，确保工程施工和运营的安全。

参考文献［1］中华人民共和国铁道部．TB 10121—2007铁路隧道监控测量技术规程［S ］．北京:中国铁道出版社，2007．［2］包太，言志信，刘新荣．有理函数在隧道监测数据回归分析中的应用［J ］．地下空间与工程学报，2009，5(5):1029-1032．［3］王黎明，王连，杨楠．应用时间序列分析［M ］．上海:复旦大学出版社，2009．［4］朱永全，景诗庭，张清．时间序列分析在隧道施工监测中的应用［J ］．岩石力学与工程学报，1996，15(4):353-359．［5］郝哲，刘向峰，王来贵，等．大跨度公路隧道开挖过程力学特性研究［M ］．北京:地质出版社，2010．［6］段志善，常国光，闻邦椿．关于时间序列AR 模型定阶问题的一些研究［J ］．西安冶金建筑学院学报，1989，21(4):15-21．［7］张丹丹，徐振，孙希宁，等．基于MATLAB 的AR 模型参数估计［J ］．中国水运，2006，11(4):109-110．［8］刘华夏，张献州．基于时间序列分析的地铁变形监测数据建模与预报研究［J ］．铁道勘察，2004(6):17-19．［9］程浩，周建春．桃园二号隧道新奥法施工监测技术［J ］．铁道建筑，2011(8):39-42．(责任审编李付军)文章编号:1003-1995(2013)06-0068-03广深港客运专线下穿珠江狮子洋隧道渗流场数值研究蔡臣，黄涛，贺玉龙(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031)摘要:广深港客运专线狮子洋隧道下穿珠江，隧道洞身存在高渗水压力，可能导致水通过高渗透性地层或与开阔水面有通道相连的地层时大量渗入而造成隧道涌水。

盾构隧道衬砌圆环内力计算实例(含命令流)

盾构隧道衬砌圆环内力计算实例(含命令流)


截 面 惯 性 矩 ： IZZ=1*0.5*0.5*0.5/12 截 面 高 度 ： HEIGHT=0.5， 单 击 OK， 则 1 号 实 常 数 定 义 完 成 。 11 定 义 衬 砌 材 料 属 性 ○ 执 行 Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models 命 令 ， 弹 出 定 义 材 料 模 型 行 为 对 话 框 。选 择 Structural>Linear>Elastic>Isotropic, 在 弹 出 的 对 话 框 中 输 入 弹 性 模 量 EX=36e9,泊 松 比 PRXY=0.33，单 击 OK。再 选 择 Structural>Density,在 弹 出 的 对 话 框 中 输 入 密 度 DENS=2600。 12 ○ 单元网格划分
4 ○ 5 ○
进 入 前 处 理 器 。 单 击 Main Menu>Preprocessor。 画 点 。 执 行 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Kdypoint>In
Active CS 命 令 ， 设 置 关 键 点 1 作 为 圆 心 ， 输 入 坐 标 （ 0， 0） 。
图 5.2.6 节 点 编 号 图
14 ○
加载
本例中，衬砌所承受的荷载分为主动压力与被动抗力。盾构法施工中，开 挖 与 架 设 衬 砌 几 乎 同 时 进 行 ，所 以 荷 载 来 不 及 释 放 ，全 部 作 用 在 衬 砌 结 构 上 形 成 主 动 压 力 ，这 在 荷 载 计 算 小 节 里 面 已 经 算 出 。在 主 动 荷 载 作 用 下 ，衬 砌 结 构 的一部分将发生向着围岩方向的变形， 具有一定刚度的围岩就会对衬砌结构 产 生 反 作 用 力 来 抵 制 它 的 变 形 ，即 为 被 动 抗 力 。这 种 被 动 抗 力 的 施 加 通 过 弹 簧 支撑来体现的。 a． 计 算 主 动 压 力 产 生 的 等 效 节 点 荷 载 。
狮子洋隧道明挖结构的设计关键技术

狮子洋隧道明挖结构的设计关键技术

狮子洋隧道明挖结构的设计关键技术作者：张惠兰来源：《城市建设理论研究》2013年第15期摘要狮子洋隧道为广深港客运专线控制性工程，为国内第一条水下铁路隧道，隧道长（10.8km），设计速度目标值高，所处地质情况复杂，标准要求高。

为满足狮子洋隧道的使用要求，在隧道明挖段设计中采用了几个关键技术。

文章重点介绍了软弱地层明挖隧道变形缝的处理、砂土液化和软土震陷的处理、以及为了减缓空气动力学微压波的影响而采取的措施。

目前狮子洋隧道运营情况良好，这几个关键技术对类似工程具有借鉴作用。

关键词明挖隧道；设计；关键；技术.中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：0 引言狮子洋隧道所处地质情况复杂，隧道标准又高，因此对明挖设计提出了很高的要求。

目前狮子洋隧道已开通运营，且运营情况良好，作者就狮子洋隧道明挖段的设计关键技术作详细介绍，希望能对类似工程起到借鉴作用。

1 概述1.1 工程概况狮子洋隧道位于广深港客运专线东涌站—虎门站区间，穿越珠江入海口的狮子洋，河面宽度6100m（含2个江心洲总宽1770m），为全线控制性工程。

隧道工程范围全长10.8Km，其中明挖敞开段长310m，明挖暗埋段（含缓冲结构）长1104m，盾构段9340m，工作井段长46m。

隧道土建按速度目标值350km/h设计。

全隧道除出口明挖段120m为设中柱的单孔双线结构外，其余地段均为单线双孔隧道组成。

狮子洋隧道明挖段揭露地层为第四系全新统海陆交互相淤泥、粉质黏土、软土及砂土层。

隧道通过地层主要为：素填土、淤泥质土、粉质粘土、粉细砂、中粗砂。

地下水主要为第四系地层的孔隙水和白垩系岩层的裂隙水，其有承压性，地下水补给充足。

3 变形缝的处理3.1普通地段变形缝的处理明挖隧道由若干节段矩形结构构成，为了控制混凝土裂缝，在各节段之间设置变形缝。

由于荷载的长期作用和地层的变化，使得变形缝处容易发生变形而影响行车安全。

变形缝发生变形就容易引发隧道漏水，隧道交付后大范围、长时间的堵漏工作既造成了工程成本增加,又影响了隧道的正常使用。

上软下硬复合地层地铁盾构隧道管片的力学性态研究

上软下硬复合地层地铁盾构隧道管片的力学性态研究

摘要针对上软下硬复合地层这种特殊的地层结构，现有的地铁盾构隧道设计和施工更多的凭借工程师已有经验，迄今为止仍没有可以依据的理论体系和设计施工规范，而在此地层中，衬砌管片环受力及变形特征与在均一岩土层中势必会有所区别，本文试图对该课题进行一些探索，针对设计方法、施工阶段、地铁列车运营阶段及地震荷载作用下等多个不同方面，开展如下几个方面的工作：（1）建立精细三维管片模型，模拟上软下硬复合地层中盾构隧道管片的受力特征，并对衬砌管片环在岩层中的地层复合比进行参数分析。

研究结果表明：上软下硬复合地层中，管片环拱底处几乎没有竖向位移，管片环拱顶及拱腰向内侧收敛。

在设计时轴力取梁-弹簧法得到的最大轴力进行设计即可，弯矩的取值与地层复合比有关，在设计时应将地层复合比m=0.85当作关键工况，予以考虑。

（2）对上软下硬复合地层施工过程中千斤顶顶推力进行公式推导，以珠海市区至珠海机场地铁盾构工程为背景，模拟上软下硬复合地层中盾构隧道施工阶段管片的变形特征，并对管片环在岩层中的地层复合比进行参数分析。

研究结果表明：理论计算公式得到的千斤顶顶推力大小与实测结果相差不大，能够用来指导实际施工及数值模拟，施工过程中，随着地层复合比m的改变，衬砌管片环的纵向及横向变形均会发生变化，当地层复合比为0.5时，盾尾管片环上下纵向差异变形达到最大。

（3）建立上软下硬复合地层盾构隧道的二维数值模型，基于地层结构法，研究列车动荷载及地震荷载作用下衬砌管片环的力学行为，探讨衬砌管片环及周围围岩的稳定性控制机理，运用经验公式，对长期动荷载作用下的永久沉降进行预测，并对盾构隧道由软土层进去硬岩层时的差异沉降进行理论分析，给出差异沉降过大的处理方法。

关键词：复合地层；盾构；管片；顶推力；运营；数值分析；地层复合比ABSTRACTNowadays design and construction of the metro shield tunnel is more depond on the experience of the engineer when tunnelling under the condition of upper-soft and lower-hard composite stratum, and no theoretical design and construction system to rely on. The deformation and mechanical behavior of the segment lining ring in this stratum certainly be differ with in homogeneous soil layers. This paper attempts to explore some of the issues, focusing on some different aspects: design methods、construction phaseoperation phase and worked under earthquake on the following aspects:(1)3D simulation model was build, which included the segment and bolt, to simulation the deformation and stress during the shield tunneling under the condition of upper-soft and lower-hard composite stratum, and then analysis the influence of the ratio of soft soil in complex formation. The results show that there is almost no vertical displacement at the crown of the segment ring, and the arch segment convergences to the inner side under the condition of upper-soft and lower-hard composite stratum. The axial force calculated by spring-beam method can be used in shield tunnel segment structure design, the bending moment of segment is related to the ratio of soft soil, m=0.85 should be taken into consideration when constructional design.(2) The lifting jack force of the shield tunnel during the construction phase take the empirical value in simulation, while in this paper, the lifting jack force formula is obtained in the context of upper-soft and lower-hard composite stratum based on practical engineering, namely, the Zhuhai urban subway to airport. Three-dimensional finite element software is adopted to analyze the deformation and mechanical behavior of the segment through 10 segment rings of the tunnel when tunneling at the construction stage. Result from calculation of the influence of the parameters m, which is the indicator of the composite ratio of the upper-soft and lower-hard stratum, shows that: there exists only little difference between the result of theoretical calculations and actual measurements, which means that the theoretical calculation can be used to provide reference to the actual construction and numerical simulation. Longitudinal deformation and lateral deformation of the lining segment ring will change with the composite ratio m during the construction stage. The additional bendingmoments induced by the uniformly distributed loads F s and F l reached their maximum values when m=0.5, and accordingly, the longitudinal deformation difference will reach its maximum （1.4mm）at the tail pipe.(3)Based on stratum structure method, the 2D model of the operation stage of the subway and earthquake under the condition of upper-soft and lower-hard composite stratum were established to discuss the mechanical behavior of the segment lining ring under the train dynamic loading, and discuss the stability mechanism of the segment lining ring and the surrounding rock. Permanent settlement under long-term dynamic loading was predicted with the empirical formula, the theoretical analysis of when the shield tunnel from soft soil layers into a hard rock, the processing method of excessive differential settlement was given in this paper.Keywords:Composite stratum; Shield tunnel; Segment; The lifting jack force; Operations; Numerical analysis; The composite ratio of soft soil;目录目录...................................................................................................................................... I V 第一章绪论.. (1)1.1 选题的背景和研究意义 (1)1.1.1 选题背景 (1)1.1.2 研究意义 (2)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 管片计算理论研究现状 (3)1.2.2 盾构隧道施工阶段管片的力学响应研究现状 (3)1.2.3 运营阶段管片力学响应研究现状 (4)1.2.4 地震荷载作用下管片力学响应研究现状 (6)1.2.5 研究现状评价 (7)1.3 本文主要工作与创新点 (8)1.3.1 研究技术路线 (8)1.3.2 主要研究内容 (8)1.3.3 主要创新点 (9)第二章上软下硬复合地层盾构隧道管片设计方法研究 (10)2.1 引言 (10)2.2 管片设计方法说明及比较 (12)2.2.1 惯用法 (12)2.2.2 修正惯用法[52] (12)2.2.3 多铰圆环法[52] (13)2.2.4 梁-弹簧法[13] (14)2.3 上软下硬复合地层中盾构隧道管片受力分析 (15)2.3.1 地层复合比[53]的概念 (15)2.3.2 管片的受力模型 (15)2.3.3 模型的建立 (16)2.3.4 计算结果及分析 (21)2.4 上软下硬复合地层盾构隧道管片结构设计与传统设计方法的比较 (29)2.5 本章小结 (31)第三章上软下硬复合地层盾构隧道施工阶段管片力学性态研究 (33)3.1 引言 (33)3.2 施工阶段衬砌管片的主要荷载 (33)3.2.1 千斤顶顶推力 (33)3.2.2 注浆压力 (37)3.2.3 水土压力 (37)3.3 上软下硬复合地层盾构隧道施工阶段的数值模拟及分析 (37)3.3.1 模型的建立 (37)3.3.2 千斤顶顶推力理论计算值与实测结果对比分析 (39)3.3.3 计算结果分析 (40)3.4 施工阶段不同地层复合比的影响分析 (42)3.5 本章小结 (47)第四章上软下硬复合地层盾构隧道运营阶段管片动力响应分析 (48)4.1 引言 (48)4.2 运营期数值模拟及响应分析 (48)4.2.1 地铁列车荷载的模拟 (48)4.2.2 动力时程分析 (49)4.2.3 模型的建立 (51)3.2.4 位移内力响应分析 (53)4.2.5 周围围岩响应分析 (55)4.2.6 不同地层复合比下响应分析 (55)4.3 长期循环列车荷载作用下累计沉降分析 (59)4.3.1 动荷载作用下累计变形理论 (59)4.3.2 动荷载作用下长期累计变形产生的差异沉降分析 (61)4.4 本章小结 (65)第五章上软下硬复合地层盾构隧道地震动力响应分析 (67)5.1 引言 (67)5.2 有限元模型的建立及分析 (67)5.2.1 地震波的选取 (67)5.2.2 模型的建立 (68)5.2.3 结果分析 (68)5.3 不同地层复合比下地铁盾构隧道地震动力响应分析 (69)5.4 不同地震级别的动力响应分析 (72)5.5 本章小结 (73)结论、建议、成果及展望 (74)结论 (74)建议 (74)成果 (75)展望 (75)攻读硕士学位期间取得的研究成果 (80)致谢 (81)第一章绪论第一章绪论1.1 选题的背景和研究意义1.1.1 选题背景城市轨道交通地铁盾构隧道属于浅岩层隧道结构，现有的设计理论及方法均建立在均质地层的基础上，而均质地层在自然界中并不存在，当隧道断面内的岩土力学性质相差不大时是适用的，但若为复合地层时，其适用性有待商榷。