矩形顶管施工力学效应引发的场地土工程性状响应研究

Recent years, rectangular pipe jacking technology shows a trend of rapid development in China, it has great prospects in the municipal public facilities construction. However, the theoretical research of rectangular pipe jacking has observably fallen behind the progress of construction technology, which restricts the development of technology. Constructing theoretical analysis based on shakedown theory and predictive models to reveal the deformation mechanism and law of the soil behind reaction wall under cyclic loading. The scientific method of determining the reasonable reinforcement scope of tunnel ends soil was proposed to establish the parameters associated mechanism of reinforcement effect factors quantitative evaluation. Through model experimental research based on digital image processing technology , to reveal the mechanism of soil-carrying effect and displacement field evolution law and to propose ALE finite element numerical description method of soil-carrying effect. Through deriving the theoretical solution of rectangular cavity expansion, to propose soil three-dimensional deformation theory calculation method in consideration of key factors effect in rectangular pipe jacking tunneling construction. This research will help to further promote the progress of the rectangular pipe jacking technology, improve the level of development and utilization of underground space and reduce the impact on the surrounding environment and geological hazards. It has important scientific significance and engineering value.

矩形顶管近年在我国的实际应用呈现出快速推广的态势，在市政公共设施建设中表现出巨大的应用前景。但是矩形顶管理论研究已显著滞后于工程实践的进展，制约了技术的进一步提升。拟构建基于安定定理的理论分析及预测模型，揭示循环荷载作用下后背土体的变形机理及规律；给出端头土体合理加固范围确定的科学方法，建立加固效果影响因素定量评价的参数关联机制；通过基于数字图像处理技术的模型试验研究，揭示背土效应的发生机理及位移场演化规律，提出背土效应的ALE有限元数值描述方法；通过对矩形孔扩张理论解的推导，提出能考虑矩形顶管掘进施工力学行为中关键因素影响的土体变形理论计算方法。通过本研究有助于进一步推动矩形顶管技术的进步，提高地下空间开发和利用水平，减少对周边地质环境的影响和危害，具有重要的科学意义和工程应用价值。

近年来，特别是大断面地下综合管廊等工程的实施，矩形顶管工程技术应用越来越多。但相关设计理论及施工技术研究还存在不足，目前还没有矩形顶管设计规范，难以有效解决在实际工程中该技术应用遇到的一些问题，有待进一步丰富和完善矩形顶管施工技术的力学理论基础。本项目的主要研究工作和成果有：(1) 在对矩形顶管机施工参数以及土体响应现场监测结果进行分析的基础上，获取了矩形顶管施工对周围土体的扰动规律，掘进机施工参数与土体响应的监测结果之间的关联，以及先后施工的两条平行矩形顶管之间的相互影响；(2) 通过室内试验研究了粘性土环境中矩形顶管施工对地表土体产生的影响。在是否注浆以及顶进管道附近是否有既顶管道的条件下，通过测试系统获得试验过程中的顶力的变化情况和土体的竖向变形变化情况。(3) 将安定性数值分析方法引入到后背土体的变形计算中，考虑顶力的交变特性，对多种工况下矩形顶管后背土体变形进行了预测分析，结果表明顶力位置、土体弹性模量、沉井后背墙厚度、顶力大小均是影响后背土体变形的重要因素。(4) 考虑管土之间的泥浆触变特性建立顶管顶进物理模型，通过黏性流体力学中的N-S方程分析顶管顶进过程中的泥浆运动规律，并结合微元分析法以及牛顿第三定律计算深埋矩形顶管管壁周围的摩阻力，以此推导出了止推力计算公式，并对止退装置进行结构参数设计研究。(5) 研究了小间距并行矩形顶管施工扰动引起的土体附加应力及三维沉降变形规律，推导出了更为符合实际因素的理论计算方法，并探讨了小间距并行矩形顶管土体扰动作用机理。本项目研究成果除了能够解决矩形顶管实践中遇到的技术难题，为工程的顺利实施提供技术保障以外，还可以完善矩形顶管设计理论，减少对周边地质环境的影响和危害，具有重要的科学意义和工程应用价值。