大型水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏机理研究

大型水下盾构隧道管片衬砌结构病害的防治是一个公认的难题，随着国内大量大型水下盾构隧道的修建以及已建盾构隧道管片衬砌结构病害的频发，对于该问题的解决越发显得紧迫而重要，而揭示管片衬砌结构损伤失稳的机理显然对病害的科学治理具有很强的指导意义。本研究从多尺度耦合的角度出发，引入渐进性破坏的概念和理论体系，采用理论分析、相似模型试验和数值试验等多种研究方法，建立大型水下盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏模型，揭示水下盾构隧道管片衬砌结构从细观裂纹的产生、扩展直至宏观结构的破坏失稳的渐进性演化机理及演化过程，探明影响水下盾构隧道衬砌结构渐进性破坏模式的主要因素及其影响规律，揭示水下盾构隧道衬砌结构渐进性破坏过程中不同发展阶段的力学性态，为大型水下盾构隧道管片衬砌结构的设计优化、运营期病害评估以及所采取维修措施的合理性与经济性提供理论依据。本研究成果对其他类型衬砌结构也具有参考价值。

本项目以大型跨江海水下盾构法隧道管片衬砌结构为主要研究对象，采用理论分析、相似模型试验和现场测试等多种研究方法，针对管片衬砌结构由损伤到局部破坏直至整体失稳的渐进性破坏过程开展系统。通过对广深港狮子洋隧道和武汉地铁越江盾构隧道两个不同直径及使用功能的大型水下盾构隧道开展了现场测试工作，获得了典型大型水下盾构隧道管片衬砌结构实际力学特性及其随施工过程的变化规律，揭示了其水土荷载的分布特性。以广深港狮子洋盾构隧道为原型，开展了大比尺室内相似模型试验，根据其受力、位移及声发射信息划分了管片衬砌结构由损伤到局部破坏直至整体失稳的渐进性破坏的不同发展阶段，揭示了各发展阶段管片衬砌结构的力学特征，并探明了分别考虑不同割槽方式、不同拼装方式、不同侧压力系数、不同加载方式、封顶块位置不同及地层不同缺陷等对盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏过程的影响。以非连续变性分析（DDA）方法为理论基础，结合盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏特性，建立了非连续子母块体理论，并据此研发了相关软件系统。