（1）课题来源与背景: 本课题来源为国家自然科学基金青年科学基金项目：“考虑施工动态特征的大直径盾构隧道管片力学行为与精细化模型研究”（项目编号：51708564）。盾构法具有施工速度较快、工期可控、施工安全性好、对地层扰动较小、环境污染较小等诸多优点，以盾构法为主要施工方法的地铁工程为例，截至2020年底，中国内地共有45个城市开通运营地铁交通，运营线路总长超6000公里，仅2020年一年新增运营线路超1100公里。全国地铁总里程数占全球地铁总里程数的1/3以上，其中70%以上区间隧道采用盾构法修建完成。“十四五”期间，针对城市地铁建设的投资更将迎来爆发性增长。与此同时，既有盾构隧道管片结构受力模型，没有考虑施工荷载时空分布的影响，也没有考虑接头位置或外荷载不同时接头抗弯刚度的差异性，得到的计算结果与实际存在一定差距。精细化分析大直径管片力学行为特征，提出管片变形损伤表征指标，是我国经济社会安全稳定发展迫切需要研究的和解决的重要课题。

   （2）研究目的与意义： 揭示浆液粘度时变性对围岩渗透性的影响，获得浆液沿大直径盾构隧道管片环向与纵向时空分布规律；快速获得盾构隧道管片环不同位置处接头抗弯刚度，获取施工阶段大直径盾构管片力学行为特征与损伤评价方法，搭建荷载时空分布、完善大直径盾构隧道管片结构设计模型与算法，为大直径盾构隧道施工参数精确控制、管片受力特征及损伤指标的提出提供科学依据。

   （3）主要论点与论据： ① 从力学层面分析大直径盾构隧道施工阶段管片上浮原因，分不同阶段研究注浆压力分布与扩散机制，推导渗流阻力作用下浆液固结方程和浆液压力消散方程，重点考虑浆液粘度时变性对周边地层渗透性的影响，基于三维空间与时间维度，构建同步注浆浆液扩散-固结-消散模型，推导施工过程在浆液压力沿大直径管片三维时空分布公式。获取粘度流变性关键参数，结合典型隧道断面分析浆液压力沿管片分布规律； ② 结合管片环接头处内力函数关系式与接头刚度解析式，由不同内力边界条件构造关于接头抗弯刚度的非线性方程组，基于迭代理论及特定的收敛准则，利用Matlab及Visual C 进行算法编程与软件构建，进行多次迭代求解；最后，基于工程实例，建立管片环接头抗弯刚度-外荷载-结构受力联动响应机制，通过多次迭代试算，得到受常规荷载作用和考虑施工荷载作用下的大直径管片环各接头位置 的精确抗弯刚度值； ③ 建立全环管片模型分析大直径盾构隧道管片力学行为，探明管片结构变形与破坏特征。考虑施工荷载的时空分布和管片接头刚度差异性特征，通过编程实现对施工荷载时空特性及管片环接头抗弯刚度-外荷载-结构受力联动响应机制的模拟与整合，基于随机集理论建立多因素影响下施工阶段大直径盾构隧道管片精细化模型。基于理论分析、随机集有限元建模计算及模型试验结果，提出可考虑施工动态特征的大直径管片力学行为与质量损伤安全评价方法。

    （4）创见与创新： ① 基于三维空间与时间维度，构建可考虑不同地层条件影响的同步注浆浆液扩散-固结-消散模型，该模型可考虑同步注浆过程中浆液压力沿管片时空分布特性和围岩渗透系数的影响，全面反映了浆液压力沿隧道环向及纵向扩散、消散的分布规律，首次统一了浆液扩散与消散过程，克服无法完整考虑浆液压力对管片受力影响的不足，为精细化模拟施工过程中管片力学行为提供了计算依据； ② 基于非线性迭代理论进行算法构建与程序编写，基于不同内力组合，构造大直径管片环各接头抗弯刚度的非线性方程组，首次提出外荷载-抗弯刚度-管片受力联动响应机制，得到大直径盾构隧道管片各接头处抗弯刚度值的动态确定方法。相对于其他方法，该方法更加快速、准确，且适用性更广； ③ 对隧道施工荷载、地层参数的不确定性进行随机集运算，确定其离散累计概率分布上下限，通过编程实现对浆液压力时空特性、接头抗弯刚度快速迭代取值的模拟，构造接头-管片单元耦合模型，结合随机集有限元构建联合计算平台，首次将随机集有限元模型用于分析施工阶段大直径盾构隧道管片结构的三维受力特征，获得管片破损表征指标最可能值域及概率密度分布，掌握施工过程中管片受力最不利位置。 目前，该项目获得的相关研究成果如下： 1）5篇学术论文代表作及3 篇 SCI 论文、3 篇中文核心论文、2 篇会议论文；2）主编学术专著 1 部；3）参编学术专著 1 部；4）授权发明专利 14 项；5）授权实用新型专利 2 项；6）软件著作权 1 项；7）省部级奖励 3 项。

    （5）社会经济效益： 本项目完成后将扩大项目应用规模与范围，降低因施工引起的管片结构变形、破坏及渗漏水的风险，减少对人民生命及财产的威胁，降低运营单位维护成本，提升运营单位管理水平，提升隧道运营寿命，减少因隧道维护对城市交通及市民的正常生活造成影响，将对我国城市盾构隧道建设等关系到公共安全的行业产生推动作用。

    （6）历年获奖情况： 获得广东省科技进步二等奖、中国产学研合作创新成果二等奖、广东省力学学会科学技术奖（发明奖）一等奖共3项。