管幕预支护结构纵横向性能相互影响及其机理研究

As a new pre-supporting technology in the construction of underground engineering, pipe-roof method has a broad prospect of application. It has significant advantages in the urban shallow buried tunnel engineering with large section. The pipe-roof pre-supporting structure is consisted of longitudinal pipes and transverse connections. While the existing research results on pipe-roof are mainly based on plane theory, and the 3-D problem of pipe-roof was simplified as 2-D plane problems in longitudinal and transverse directions respectively. It ignores the interaction of longitudinal and transverse properties, and cannot reflect the real mechanical characteristics and deformation properties of pipe-roof structure. According to what mentioned above, this paper puts forward a technical research on global mechanical properties of pipe-roof. And the research will be carried out basing on the methods of theory analysis, model test and numerical simulation. The transverse mechanical characteristics and deformation properties are analyzed considering longitudinal rigidity influence, and the action mechanism of transverse connection on the mechanical characteristics and longitudinal rigidity is studied. Then the mechanical function and interaction mechanism of pipe-roof pre-supporting structure is illustrated, and the global analysis model of pipe-roof will be established. The model can be verified and improved by the field test method. In addition, an analysis method reflecting the real mechanical characteristics and deformation properties of pipe-roof structure will be put forward. And then the theoretical relationship of interaction will also be established. The research results will certainly rich and improve the design theory of pipe-roof structure, and significantly help to provide scientific basis for promoting the wide application of pipe-roof technology.

管幕法作为一种新型地下工程预支护技术，在城市浅埋及大断面隧道工程中已凸显其优越性，应用前景广泛。管幕预支护结构由纵向管排和横向连系形成整体，但已有研究主要将其简化为纵向和横向两个平面问题分别进行分析，割裂了纵横向力学性能的相互作用，不能真实反映管幕结构的受力和变形性态。本项目针对管幕结构纵横向整体力学性能，综合运用理论分析、模型试验及数值模拟等技术手段，分析纵向刚度影响下的管幕横向力学特性与变形规律，探究横向连系对管幕结构纵向受力性能与刚度的影响机制，阐明管幕结构预支护力学作用特性，揭示其纵横向力学性能相互影响的机理，并建立管幕结构整体力学分析模型。在此基础上用现场试验进行验证和完善，提出能够较为真实反映管幕结构受力和变形性态的分析方法，进而建立纵横向力学性能相应影响的理论关系。其成果必将丰富和完善管幕结构设计计算理论，并为推进管幕技术的广泛应用提供科学依据和理论基础。

管幕预支护技术是在小型顶管基础上构筑大跨度、大断面地下工程的施工方法，在城市建筑密集、交通繁忙路段的超浅埋及大断面隧道工程中有着显著的优越性。由于该方法施工技术要求较高、设计理论亦尚不成熟，目前的相关工程实践仍较少。管幕预支护结构由纵向管排和横向连系形成整体，但目前相关研究大多未考虑横向连系对管幕支护结构的影响，未真实反应管幕结构的整体受力和变形性态。本项目通过现场技术研究、理论分析和实验室模型试验等技术方法，对管幕预支护结构施工过程地层变形控制、管幕横向连系与作用机理、管幕结构整体受力和变形特征等进行了深入分析，主要工作和成果如下：.（1）基于工程实践，研究了管幕施工过程微扰动及地层变形控制相关技术，提出了相对最优的管幕结构尺寸；指出了管幕锁扣连接存在的问题并提出了建议的管间连接方案；研究提出了管周地层收敛变形的动态控制方法，提出了一种小套筒接收的顶管出洞技术。相关成果在部分管幕工程中得到了较好的应用。.（2）通过理论分析，研究了管幕结构变形与受力特征，考虑管幕横向连系的影响，进行了管幕结构等效刚度的理论推导，指出了横向连系对管幕结构整体刚度的贡献与影响规律；分析了管幕顶进状态与正面土压力的关系及其计算公式，探讨了顶进后背挡墙在不同变位模式下土压力的大小及其分布特征。.（3）研究提出了“框架-管幕”预支护结构体系，可超前预增强横向连系刚度，充分发挥管幕结构整体力学性能；结合相关工程资料，分析了该支护体系施工过程与地层变形的相互关系，提出了该支护体系框架的优化布置方式与施工参数，指出了其在地层整体变形控制上的优越性和可行性。.（4）基于相似理论，推导建立了管幕结构模型试验的相似关系，确定了合适的几何相似比和相似材料；通过对比试验，研究提出了模型相似土的合理配比；设计了管幕结构模型相似试验，对不同开挖工况、不同管幕布置形式、不同管间横向连系刚度等情况进行试验研究，分析管幕预支护结构整体力学性能及承载作用机理。.项目研究成果可为管幕预支护结构的设计优化、管幕施工技术的推广应用提供科学依据和参考。