软土盾构法隧道纵向应力松弛的发生机理及其效应

盾构隧道纵向长期承载及变形的非稳定性与其衬砌环间的纵向应力密切相关。围绕盾构隧道纵向应力松弛的发生机理及其效应展开研究。首先通过现场试验揭示了纵向应力松弛的阶段性及其演变规律，然后研究了纵向应力松弛的发生机理。在此基础上，构建了盾构隧道纵向应力松弛的理论计算模型。最后进一步推导了基于应力松弛的隧道衬砌环缝抗剪及接缝渗漏的计算模型。 主要结论如下： （1）分块管片拼装后的实测内力经历了平稳变化、波动或急剧跳跃后逐渐逼近理论值；盾构隧道纵向应力在管片拼装后将经历周期性波动、持续衰减、相对稳定、加速衰减四个阶段的演变，期间，隧道结构顶部的纵向应力松弛最为明显、腰部次之、底部最小，应力松弛度最大可达80%。 （2）盾构隧道纵向应力周期性波动阶段持续时间相对较短，且在该阶段受千斤顶推力较大等的影响，纵向应力可能出现短期内增大趋势；持续衰减阶段是纵向应力调整的关键阶段，持续时间超过半年，若计入施工期发生的纵向沉降影响后，该阶段的持续时间将进一步延长；后期发生的不均匀沉降导致纵向应力可能由相对稳定阶段转入加速衰减阶段，最终造成隧道失稳破坏。 （3）盾构隧道纵向应力松弛受隧道接缝几何接触条件变化、隧道结构本体材料应力松弛和外部环境变化的多重影响。考虑隧道纵向应力松弛和密封垫防水性能弱化的共同影响后，衬砌环间渗漏水更为严重。 主要创新性工作如下： （1）通过对隧道管片拼装及运营阶段纵横向应力的全过程连续监测，并结合数值模拟分析，揭示了盾构隧道纵向应力松弛的发生机理。 （2）考虑盾构隧道结构的非连续性及其与地基接触关系的时变特性，推导建立了考虑地基水平剪切蠕变的粘弹性地基梁模型，从理论上分析阐明了盾构隧道纵向应力松弛的力学本质及其规律。 （3）建立了盾构隧道在纵向应力松弛条件下的接缝渗流量及抗剪承载的计算模型，并据此分析得到了接缝渗漏水和环间抗剪性能的时变规律。 2100433B

实践表明，盾构隧道纵向长期承载及变形的非稳定性与其衬砌环间应力及接触状态密切相关。课题围绕隧道纵向环间应力松弛的发生机理这一核心问题展开研究，采用工程实测、模型实验、数值模拟和理论解析相结合的研究方法，分析隧道衬砌环缝几何构造及衬砌拼装过程所致典型非连续几何接触状态、及其与纵向应力松弛的相互影响过程及相互关系，推导衬砌环面接触应力、纵向螺栓应力的松弛模型以及衬砌-土体接触蠕变松弛模型等三种要素模型，在此基础上构建衬砌环整体松弛模型；推导、求解基于应力松弛的环间临界承载和变形状态方程；采用基于上述模型和状态方程的数值方法定量分析应力松弛导致的隧道衬砌环间几何接触状态的变化规律及隧道纵向承载、变形特性，从而揭示隧道结构本体从形成到稳定的演化过程与力学机制，从本质上解决隧道纵向稳定的临界与时变问题；课题的研究对于管片衬砌隧道环间构造设计、盾构掘进与衬砌拼装控制等均有重要的理论指导意义和实用价值。

以往对气管软骨力学特性研究多以动物气管软骨和一维拉伸实验居多，对人气管软骨应力松弛粘弹性力学特性研究较少。生物材料的粘弹性主要以应力松弛蠕变为表现形式，应力松弛是软组织在恒应变作用下，对载荷松弛适应性的反应，虽然机制尚不清楚，但气管软骨的应力松弛力学特性对于认识吻合口张力，确定气管损伤后的张力临界点具有重要意义。

气管由于炎症、肿瘤、损伤等疾患需要进行气道再建，现代呼吸道(气道)外科手术对气管病变不超过1/2程度，可切除病变部位气管后直接缝合吻接，修复和重建气管的功能。当气管切除超过其直接的吻合长度，则需要置换人工气管。鉴于临床实际需要，孙长江等对正常国人尸体气管软骨进行了应力松弛实验，得出了气管软骨7200s应力松弛量，得出了应力松弛曲线和归一化应力松弛函数曲线。以一元线性回归分析的方法处理实验数据，得出了应力松弛函数方程。研究以制备的显影聚合物有机溶液作为栓塞材料进行体外模拟实验，筛选最佳条件为下一步的动物试验和临床试验提供了依据，筛选出的最佳条件为:聚合物浓度4%，推注速度为0.10ml/min，完全栓塞时及时停止推注。该工作也体现出本显影聚合物可以达到栓塞的目的，可作为一种新的非粘附性液体栓塞材料使用 。2100433B

应力松弛试验是材料机械性能试验的一种。应力松弛现象在室温下进行得很慢，但随着温度的升高就变得很显著，故在机械设计中必须加以重视。

应力松弛试验一般采用圆柱形试样，在一定的温度下进行拉伸加载，以后随着时间的推移，由自动减载机构卸掉部分载荷以保持总变形量不变，测定应力随时间的降低值，即可绘出松弛曲线。也可以采用具有等强度半圆环的环形试样进行松弛试验，测定环形试样缺口处宽度的变化来计算应力降低的数值并画出松弛曲线。

以压力和时间t为坐标的应力松弛曲线可分为两个部分，分别代表两个不同的松弛阶段。在第Ⅰ阶段内，应力随时间的增长而急剧降低；在第Ⅱ阶段内，降低的速度减慢，最后趋于稳定。半对数坐标 (lgσ-t)的应力松弛曲线中，第Ⅱ阶段呈线性关系，因此可用以进行外推，即由较短时间的试验外推求得较长时间后的剩余应力。

受相同的试验温度和初应力F，经相同的时间后，如剩余应力越高，则材料的抗松弛性能越好。高温工作中的零件由于存在应力松弛，会不同程度地丧失弹性和紧固作用。因此对用于高温的紧固件如弹簧、螺栓等的材料，需要测定松弛性能。

材料在高温使用时，有时要使总应变保持不变。在高温保证总应变不变的情况下，会发生应力随着时间延长逐渐降低的现象．该现象叫应力松弛(stress relaxation)，如图1所示。例如，高温条件工作的紧固螺栓和弹簧会发生应力松弛现象。

材料的总应变ε包括弹性应变ε_e和塑性应变ε_p，即ε=ε_e ε_p=常数。

随着时间增长，一部分弹性变形逐步转变为塑性变形，材料受到的应力相应地逐渐降低。ε_e的减小与ε_p的增加是同时等量产生的。

蠕变与应力松弛在本质上相同，可以把应力松弛看作是应力不断降低的“多级”蠕变。蠕变抗力高的材料，其抵抗应力松弛的能力也高。但是，目前使用蠕变数据来估算应力松弛数据还是很困难的。某些材料即使在室温下也会发生非常缓慢的应力松弛现象，在高温下这种现象更加明显。松弛现象在工业设备的零件中是较为普遍存在的。例如，高温管道接头螺栓需定期拧紧，以免因应力松弛而发生泄漏事故。