随着90年代盾构工程在我国大规模的使用,加强理论指导迫在眉睫,而我国到目前为止还没有形成全国范围内的系统盾构规范,使得我国盾构隧道设计工作具有很大的盲目性,没有考虑我国工程实际管片设计要么偏于保守造成浪费,要么偏于不安全造成工程安全隐患,不利于我国地铁百年大计工程实施。因此,开展盾构隧道设计方面的研究具有重要的学术价值和使用价值。 本文针对盾构管片设计中的关键问题——作用在管片上的土压力开展全面、系统的研究工作,从垂直土压力数值分析、太沙基松弛土压力、现场管片工作性能的监测到管片工作土压力的反分析。主要的研究如下: (1) 为了更加准确进行管片土压力的反分析,开展了管片接头刚度研究,建立了接头刚度双直线模型。在传力衬垫的试验基础之上,根据接头受力变形分析分析成果基础上,提出了接头刚度双直线模型:这种接头刚度双直线模型同样适合无传力衬垫的广州地铁管片接头刚度的确定: (2) 在接头刚度模型的基础上,提出了管片环弯曲刚度有效率的确定方法及经验公式,为管片设计中的关键参数的取值提供了理论依据;提出了考虑管片接头弯曲刚度和环间接头剪切刚度的管片内力计算方法,简化了梁—弹簧模型法;对接头刚度影响因素进行分析,为接头构造的选择提供了依据。 (3) 在南京地铁两个断面和广州地铁三个断面管片内力的监测成果的基础上,建立了盾构衬砌管片工作土压力荷载反分析方法及编制计算程序。 (4) 在监测断面的管片土压力反演成果的基础上,探讨了粘性地基、砂性地基和风化岩层中管片垂直土压力和水平土压力的计算方法和取值范围。 竖向土压力的计算应考虑隧道埋设断面的地质条件,合理评价土体拱效应。当隧道埋深埋深在一倍隧道直径范围内时,应取全覆土重作为竖向土压力:当隧道埋深达到两倍隧道直径以上时,隧道埋设地质条件良好,则可以考虑地基拱效应或者部分考虑拱效应。 粘性地基中,其侧向土压力系数一般为静止土压力系数;坚硬的微风化岩层中,其侧向土压力系数在主动侧压力系数静止土压力系数之间;砂性地基中,其侧向土压力系数接近主动土压力系数。 (5) 开展了管片工作土压力的反演最优解分析,得到了监测方案的最优布置方案和最差布置方案。