研究隧道施工过程中结构的受力特性及地层响应规律是突破隧道安全施工演化过程及形成机理这一瓶颈的关键,数值模拟方法为分析这一问题提供了一种可行的手段。由于隧道工程围岩力学性质复杂且不确定性较大等特点,材料本构模型参数通常难以确定。本文采用人工神经网络与有限元相结合的位移反分析方法,基于隧道施工实测地表沉降的时序性数据,探讨了合理确定本构参数的反演流程。基于反演参数,采用课题组自主开发的大型三维有限元非线性接触计算程序,对隧道工程中的非线性接触问题进行了计算分析,探讨了管片与地层之间的界面接触特性及其对管片应力变形的影响规律。主要研究成果包括:(1)通过对天津地铁6号线“肿瘤医院站-天津宾馆站”区间隧道施工监测数据的统计与分析,探讨了隧道施工所引起地表沉降的纵向与横向分布规律,确定了用于位移反分析的监测数据。通过对天津地区粉质黏土地层中隧道开挖所引起的地表沉降纵向及横向分布特点与地层损失发展规律的研究,为后续同类型工程的设计、施工和安全评估等工作提供参考。(2)采用控制单一变量法,对影响盾构隧道地表沉降及地层变形的主要因素进行了敏感性分析。通过有限元计算与敏感度分析,获得了对盾构隧道施工所引起的地表沉降变形影响较显著的参数,从而作为待反演参数,分别为:土的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角及注浆等代层弹性模量。(3)采用以Vogl快速算法与演化算法优化的人工神经网络与有限元计算相结合的方法,通过隧道施工引起的地表沉降时序性数据,反演得到了岩土体的本构模型参数。基于反演参数计算得到的地表沉降与实测数据吻合程度高,较好地反映了实际工程的总体变形特征,为隧道工程的非线性接触分析提供了重要支撑。(4)采用对偶mortar有限元法,验证了在隧道工程数值模拟中使用非协调网格的可能性,大大提高了数值模拟的灵活度。采用非线性接触计算方法,分析了混凝土管片的应力变形特征,尤其是土体-结构界面的非线性接触效应。