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随着社会的发展,地铁规模正在变大。盾构隧道上方的地面堆载工况,会对盾构隧道结构产生附加应力,破坏隧道结构原有平衡,引起应力重分布,从而引起一定的变形,情况严重时甚至会引发接缝张开、管片开裂和螺栓失效等现象。本文建立了一种综合考虑剪切错台效应和刚体转动效应的隧道变形模式,推导了地面堆载工况下盾构隧道结构的纵向变形、环间错台量、环间转角和环间剪切力的计算公式,并选取工程案例进行验算;基于修正惯用法提出一种计算堆载作用下盾构隧道结构内力和围压的计算方法,并进行单因素影响分析;采用MIDAS/GTS NX软件建立管片环的三维有限元模型,考虑螺栓和螺栓孔等细部结构,模拟分析衬砌结构在偏心堆载作用下的受力和变形状态;并提出隧道椭圆度作为隧道安全的评价指标。本文主要研究成果及创新点如下:(1)建立综合考虑刚体转动效应和剪切错台效应的隧道变形模式,选取工程实例进行计算,得出的计算结果与实测数据在数值和趋势上较为吻合,验证了新的变形模式的合理性。隧道纵向沉降最大值附近的管片基本不发生错台变形和刚体转动变形,环间剪切力值也很小;而在隧道水平位移的反弯点处,隧道的环间错台量、环间转角和环间剪切力值达到最大。(2)考虑偏心堆载和盾构衬砌环间作用力的影响,基于修正惯用法,推导出衬砌围压和内力(弯矩、轴力、剪力)的计算公式,并作算例分析,得出偏心堆载作用下的隧道衬砌结构围压及内力的规律。偏心堆载会导致隧道衬砌围压产生不对称分布,其中加载侧的围压大于非加载侧的围压。堆载对加载侧的弯矩和剪力影响较大,对轴力影响较小。(3)进行单因素影响分析,得出堆载数值、堆载位置和隧道埋深三个因素对隧道衬砌结构纵向变形、围压和内力的影响规律。(4)采用MIDAS/GTS NX软件建立了考虑螺栓和螺栓孔等细部构造的三维有限元模型,分析了堆载作用下的隧道衬砌结构变形和内力的变化规律。(5)提出采用椭圆度作为评价堆载情况下隧道结构安全的评价指标,并利用有限元软件进行工程算例分析并进行对比,验证该评价指标的合理性。