随着我国经济的发展和综合国力的提高,城市化进程加快,开展大规模的城市市政建设也就成为必然,在这些地下工程中,由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得对城市正常机能影响很小的盾构施工法普遍得到了人们的关注,并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。然而,我国到目前还没有国家盾构规范作为设计标准,使得盾构隧道设计工作盲目性较大,故加强理论指导迫在眉睫。盾构隧道管片衬砌设计的关键问题在于结构模型本身是否能反映管片的实际受力状态。目前用于隧道衬砌管片横向理论解析分析方法主要有:惯用法、修正惯用法、多铰环法以及梁—弹簧模型四种;纵向理论解析分析方法主要有:纵向梁—弹簧模型、纵向等效连续化模型两种。无一例外,上述几种模型都是将管片沿横向或纵向简化为梁,并把隧道横向结构性能和纵向结构性能割裂开来分别进行研究。然而,盾构隧道是由许多管片拼装并用螺栓连接而成的圆环状结构,结构性态相当复杂,其纵向结构性能和横向结构性能是密不可分的,纵向结构性能的变化将不可避免地引起隧道衬砌的横向结构性能发生一定的变化,反之亦然。沿横向和纵向简化为梁,在很多情况下难以准确反映管片环之间的结构性能,因而与隧道实际的力学特性及结构性能会有一定的差异。本文的研究工作正是基于此展开,主要研究内容如下:1.在分析了现有盾构隧道管片衬砌分析方法的基础上,提出了能较为全面反应盾构隧道管片衬砌力学特性的计算模型,即三维等效连续壳-弹簧模型。模型中用矩形平板壳单元来模拟管片衬砌,用土弹簧单元来模拟地层与隧道结构之间的相互作用。2.运用壳-弹簧模型对通缝拼装隧道管片衬砌的整体力学性能进行了研究分析,从力学机理上分析了隧道纵、横向结构性能的相互影响,以及隧道纵横向结构性能对地基刚度变化的敏感程度。研究结果表明:衬砌通缝拼装时,环向结构刚度的变化对隧道纵向结构性能的影响明显于纵向结构刚度的变化对环向结构性能的影响;地基刚度的变化对隧道结构性能的影响不是特别明显;根据计算分析结果,本文提出了“通缝拼装纵向加强效应”及“拼装衬砌横向加强效应”的概念。3.运用壳-弹簧模型对错缝拼装隧道管片衬砌的整体力学性能进行了研究分析,从力学机理上分析了隧道纵、横向结构性能的相互影响。研究结果表明:距离荷载中心较近时,环向结构刚度变化对纵向结构性能的影响明显于纵向结构刚度变化对环向结构性能的的影响;距离荷载中心较远时,则恰好相反。根据计算分析结果,再次验证了前人提出的错缝拼装纵向加强效应,以及本文提出的“拼装衬砌横向加强效应”的存在。