城市轨道交通主要由地铁盾构隧道组成。随着周边环境变化与运营时间的增加，隧道侧方卸载的工况也越来越多[1]。盾构隧道由于侧向卸载作用会产生附加应力[2]，引起围土压力重分布，使盾构结构的稳定性[3]发生变化，从而产生横向变形与纵向不均匀沉降，导致结构开裂、接头张开和螺栓屈服等病害[4]，严重侵害隧道的安全运营[5]。因此，研究侧向卸载对大直径盾构管片结构的影响具有重要意义。为了探究侧向卸载对盾构隧道结构受力与变形的影响规律，陈仁朋等[6]研究了盾构管片侧面和上方卸载情况下变形和内力变化规律，并提出了具体的变形控制措施，归纳总结了侧向卸载过程中结构变形和内力的监测手段。梁东等[7]将精细化有限元模拟与相似模型试验相结合，研究了盾构管片处于弹性与塑性阶段时期，侧向卸载对结构的受力及变形影响规律。黄大维等[8]开展了地层与隧道相互作用的缩尺模型试验，测量了在地表超载影响下结构变形、土压力及土体沉降，明确了周围土体竖向压缩量与竖直方向收敛变形之间的关系。姚爱军等[9]基于北京某典型地铁隧道及基坑工程，将数值计算与缩尺模型试验相结合，研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下管片结构的围土压力分布规律与变形特征，并分析了管片结构顶部与基坑底部距离产生的影响。上述侧方卸载对盾构隧道结构影响的研究已取得一些成果，但在计算分析过程中未考虑混凝土与连接螺栓的非线性，难以准确分析侧方卸载作用下盾构隧道管片结构的真实力学性能。文章在混凝土塑性损伤模型的基础上，建立了大直径盾构管片的三维实体非线性模型。该模型考虑管片材料的非线性、管片与管片间接触的非连续性。本研究对不同侧压力系数下侧向卸载对盾构管片结构的受力、变形规律展开分析，基于所得规律对侧向卸载影响下的盾构隧道工程建设提供参考。1大直径管片三维非线性模型1.1管片材料本构模型连接螺栓采用弹塑性本构模型，材料参数如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.T001表1材料参数材料名称类型弹性模量/MPa泊松比屈服强度/MPa管片衬砌C503.45×1040.2—接头螺栓5.8级2.06×1050.3400注：“—”表示无数据。基于文献[1]中混凝土塑性损伤本构模型进行数值模拟，混凝土压缩和拉伸特性如表2所示。其中，流动势偏移量为0.1，剪胀角为38°，双轴与单轴抗压强度比为1.16，屈服常数为0.666 7，黏滞系数为0.000 01。10.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.T002表2混凝土压缩拉伸特性［1］压缩拉伸应力/MPa非弹性应变损伤变量应力/MPa非弹性应变损伤变量26.620003.2680038.0660.000 660.2 1133.1090.000 0290.133 334.6250.001 100.3 1282.7450.000 0690.271 628.3760.001 620.4 2372.2880.000 1110.393 022.7530.002 130.5 1701.9270.000 1510.484 218.4420.002 600.5 8981.6580.000 1890.552 515.2460.003 040.6 4611.2980.000 2580.645 812.8610.003 450.6 8700.9210.000 3870.778 09.6410.004 230.7 5300.6090.000 6320.836 46.2700.005 710.8 2570.3890.001 1110.900 63.6040.008 540.8 9090.2440.002 0580.941 91.8030.014 840.9 4120.1530.003 9450.966 80.0950.007 7050.981 20.0600.015 1810.989 40.0370.029 9660.994 00.0170.095 3100.997 71.2管片与土体间相互作用关系文章计算基于荷载-结构法，地层变形抗力通过地基土弹簧形式施加于管片上，接地弹簧为只受压不受拉的三向非线性，法向弹簧系数kn为1×107 N/m2，切向弹簧取法向弹簧的1/3。土体与管片相互作用关系如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.F001图1土体与管片相互作用关系1.3模型建立与接触关系管片衬砌为大直径盾构隧道结构，内径11.9 m、外径13 m、管片厚0.55 m、环宽2 m，每环衬砌为“10+1”分块形式，由1个封顶块（F）、2块邻接块（L1、L2）及7块标准块（B1~B7）组成。接缝连接包括20颗环向连接螺栓，管片衬砌与连接螺栓采用三维实体单元（C3D8R）模拟。盾构管片分块形式如图2所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.F002图2大直径盾构管片分块形式管片间接触基于“面与面”的接触方式，切向为基于罚函数法的库伦摩擦接触，摩擦系数取0.4，法向设置硬接触。1.4计算工况隧道埋深选取20 m，隧道结构整体受力分为垂直土压力pv1、地基反力py1、px1与px2表示侧向土压力随着深度的增加呈线性增加，计算得垂直土压力pv1=326.6 kPa，地基反力py1=355.2 kPa，侧向土压力采用垂直土压力乘以侧压力系数0.65进行计算，结果分别为px1=197.6 kPa、px2=266.1 kPa。文章分别对土体侧向压力系数K0取0.35、0.45、0.55、0.65和0.75进行参数研究分析，对5个侧向卸载工况进行算例分析。侧向卸载表示隧道侧方承受着基坑开挖卸载的作用，因此其侧向土压力发生改变。文章侧向卸载的大小折减原土压力的30%，分为两步进行卸载工况：（1）对管片结构施加荷载模拟其土中的初始状态；（2）将卸载后的侧向土压力施加在管片侧向，模拟基坑开挖卸载。2数值模拟结果分析2.1管片结构受力过程分析侧向卸载的作用下，大直径盾构管片结构的变形模式为典型的“横鸭蛋形变形”，土体侧向压力系数为0.35的管片混凝土应力与横向位移云图如图3、图4所示。10.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.F003图3侧向卸载时管片应力云图10.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.F004图4侧向卸载时管片横向位移云图2.2侧向土压力系数对管片结构的影响分析侧向卸载对管片结构变形和受力的影响如图5所示。图5侧向卸载对管片结构变形和受力的影响10.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.F5a110.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.F5a210.19301/j.cnki.zncs.2022.11.027.F5a3椭圆度与接头张开量最大值随竖向荷载增加呈线性增加，侧压力系数越大，竖向荷载增加时椭圆度与接头张开量最大值增量越小。侧压力系数K0为0.35与0.45时，螺栓应力先线性增加而后达到屈服应力。其中，K0=0.35时螺栓屈服应力对应的竖向荷载值为320 kPa；在K0=0.45时螺栓屈服应力对应的竖向荷载值为384 kPa，螺栓应力曲线转折程度明显。当竖向荷载增长到某一定值时，螺栓应力达到其屈服强度400 MPa，结构已经产生塑性变形，其应力发展趋势保持不变。结果表明侧压力系数K0较小时，土体对隧道的约束作用较弱，整体结构易发生大变形。在K0为0.55、0.65、0.75时，螺栓竖向荷载呈线性增加，侧压力系数越大，竖向荷载增加时螺栓应力增量越小，螺栓应力曲线转折角度相对变小，提高侧压力系数可以显著降低螺栓应力的增加，提高结构的承载能力。土体侧压力系数越大，管片结构的承载性能越好，抵抗变形能力越强。因此隧道发生侧方卸载情况时，可以通过提高土体侧压力系数保证结构的稳定性，维护隧道营运的安全。3结语文章基于荷载-结构计算方法，利用Abaqus有限元软件，对受侧向卸载影响下的大直径盾构隧道结构进行了力学性能分析，同时考虑混凝土与连接螺栓的非线性，研究了侧压力系数对盾构管片结构受力与变形的影响规律，得出以下结论：（1）侧向卸载作用下，盾构隧道呈现上浮特征，管片结构水平位移均呈对称分布，最大水平位移差出现在侧向卸载结束阶段。（2）侧向压力系数较大时，盾构隧道结构处于弹性阶段；侧向压力系数减小时，盾构隧道结构进入塑性阶段。（3）隧道侧方卸载量值较低时，其椭圆度、接头张开量最大值与竖向荷载呈线性增加趋势，随着侧方卸载量的增加，发展趋势转变为非线性；盾构隧道结构的椭圆度、接头张开量、螺栓、钢筋应力与土体侧向压力系数呈负相关关系。