地铁作为关系民生的重大社会工程,已成为现代城市交通网络必不可缺的一环。其社会重要性也对盾构隧道提出了更高的结构稳定和运营安全要求。而在实际运营过程中,衬砌的开裂掉块和渗水湿渍等病害普遍存在,管片本体与接头行为均存在明显的非线性,因此,针对盾构隧道的非线性响应,尤其是在隧道周围岩土体共同作用下的衬砌变形与开裂损伤机理具有重要的工程意义。盾构隧道的响应机制复杂,从其局部至整体结构来看均存在明显的非线性力学行为:纵向接头被认为是衬砌的薄弱环节,衬砌轴力相关的转动刚度已有明确表达,然而在整体分析中仍经常被线性简化考虑;管片本体具备一般梁的开裂与破坏机制,衬砌开裂与接头转动行为存在一定耦合行为;当将衬砌周围土体纳入考虑时,土体与衬砌的共同作用很大程度上影响了隧道结构的服役性能与安全储备。鉴于此,本文基于非线性数值分析手段,考虑了接头、管片本体的材料非线性,并采用非线性弹簧或非线性界面单元对土与结构的相互作用进行模拟,另外与实测数据和已有试验进行了对比验证,结果在一定程度上阐明了结构的响应机理,主要的研究内容与成果如下:(1)基于已有试验结果,验证了单个管片的数值模型的有效性,弥散裂缝模型和嵌入式钢筋网能够较准确模拟混凝土与钢筋及其界面的非线性行为。针对旋转裂缝模型、固定裂缝模型和多向固定裂缝模型三种弥散裂缝模型的适用性展开探讨,同时对结构非线性分析中重要的网格尺寸和断裂能展开参数分析,并提出建议取值,为进一步考虑衬砌整体非线性行为打下基础。(2)建立了基于地层结构法的二维数值分析模型,考虑了土体、混凝土、钢筋和接触的非线性力学行为,针对实际工程的数值计算结果能够与隧道沉降及实际裂纹开展特征吻合,验证了该数值分析模型的有效性。基于模型针对堆载参数、隧道埋深和管环旋转角度展开参数分析,基于计算结果给出了整体开裂指标与衬砌收敛变形之间的定量关系。(3)基于软土地区某城市地铁1号线隧道实测数据,统计分析了该地区地铁线路整体与典型区间的病害情况与裂缝分布特点,结果表明管片裂缝的分布密度与隧道收敛位移具有明显关联性。基于建立的二维地层结构法数值模型展开关于土体参数的敏感性分析,计算结果阐明了管片开裂特性与影响因素。(4)针对考虑管片开裂软化行为与否对衬砌整体响应结果的差异影响,建立了基于Janssen接头的壳-弹簧单环衬砌三维模型,同时以线性材料管片模型为对照组,通过不同地层条件和荷载模式的参数分析阐明了管片开裂软化的影响机理。(5)借鉴连续介质模型的组成体系与加载方式,在前一章的基础上基于数值分析的方法建立了土与隧道共同作用的计算模型,其中管片接头的转动刚度非线性与衬砌三维拼装效应均被考虑,计算结果与模型试验结果吻合良好。基于模型对侧压力系数和土体刚度展开了参数分析,阐明了土体与衬砌椭圆化变形的共同作用机理。