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随着城市地下空间的大力发展,出现了诸多大断面、大埋深、长距离、复杂化的盾构隧道。截止目前,我国已建和在建的超大断面城市隧道工程达26项,占全球的62%,建设规模和发展速度引领世界,成绩显著。然而,在地下空间开发欣欣向荣的背景之下,隧道纵向不均匀变形引起的衬砌结构开裂和破坏、隧道渗水漏泥、内部结构纵向扭曲变形等现象频发,而目前针对超大断面盾构隧道纵向结构性状及设计模式方面的研究仍然较少。本文依托于山东省重点研发项目“基于水土耦合的多变复合地层盾构隧道纵向变形特性及设计模式”,以济南黄河隧道项目为工程背景,借助理论分析的手段,从尺寸效应和复合地层对盾构隧道纵向性能进行分析研究,建立了尺寸效应与隧道纵向刚度有效率的关系式以及复合地层下的隧道刚度与纵向变形关系式;并通过模型试验和数值模拟对引起超大断面盾构隧道纵向不均匀变形因素进行分析。依据Winkler弹性地基梁理论及修正的盾构隧道纵向等效连续化模型,构建基于超大断面和复合地层的盾构隧道纵向设计模型,并提出超大断面盾构隧道的纵向设计方法。本文主要工作和研究成果如下:(1)从尺寸效应和穿越地层复杂性方面对盾构隧道衬砌结构纵向性能进行了研究,通过基于横向刚度和环缝影响范围的盾构隧道纵向刚度模型,建立了尺寸效应与隧道纵向刚度有效率的关系式,并得到穿黄隧道的纵向刚度有效率及纵向等效刚度。通过分析粘性土与砂性土对隧道变形的影响,找到两种不同地层中隧道纵向变形机理,建立基于复合地层下的隧道刚度与纵向变形关系式。(2)从施工阶段和运营阶段分别对引起盾构隧道纵向变形的影响因素进行分析,并找到造成超大断面盾构隧道纵向变形的主要因素。(3)以相似理论为基础,合理选择物理量,确定合适的相似比,并确定出满足相似要求的隧道、螺栓模型材料。根据济南黄河地区的地质,通过土工试验配制出满足要求的模型粉质粘土和模型砂卵石土。通过模型试验,研究运营期盾构隧道在粉质粘土和砂卵石的复合地层中的纵向变形规律及力学特性,寻找土的特性对隧道纵向变形的影响。(4)采用有限元分析方法,建立了盾构隧道掘进施工下应力场和渗流场耦合的三维有限元模型,讨论了不同土层、不同水压、不同埋深对穿黄超大断面盾构隧道纵向变形及力学特征的影响规律。(5)依据Winkler弹性地基梁理论及修正的盾构隧道纵向等效连续化模型,构建基于超大断面和复合地层的盾构隧道纵向设计模型,并提出了超大断面盾构隧道的纵向设计方法。