顶管隧道施工管-泥浆-土耦合作用机制及环境扰动效应研究

In recent years, the use of pipe-jacking tunnel construction technology has become increasingly wide. However, the design and calculation theory of pipe-jacking tunnel is still lagging behind the engineering practice..Aiming at a series of key scientific problems on the mechanism of fluid-solid coupling and environmental disturbance of pipe-mud-soil during the process of pipe-jacking construction, through systematic theoretical and experimental research, the contents of this project include analyzing the occurrence state of mud in pipe-soil crevice under different conditions such as grouting pressure, determining the specific contact mode of pipe-mud-soil, discussing the thixotropic properties of typical pipe jacking mud, revealing the force transmission mechanism of mud during the construction process of pipe jacking, establishing a coupling calculation model of the relative motion of pipe-mud- soil, studying the effect law of slurry diffusion on the mechanical properties of surrounding soil, ascertaining the mechanism of the carrying-soil effect of the pipe joint during the construction process, determining the environmental disturbance mechanism of the pipe-jacking construction, obtaining the influence law of pipe-jacking construction on surrounding strata under different conditions, and ultimately establishing a systematic design and calculation method for pipe-jacking tunnel considering pipe-mud-soil coupling effect..The research results can provide theoretical support for improving the construction standard of the pipe-jacking tunnel project in China, and ensuring the long-term healthy development of the pipe-jacking tunnel project in China.

顶管隧道施工技术近年来在我国市政道路下穿工程中得到了越来越广泛的应用，但顶管隧道工程设计计算理论仍落后于工程实践。本项目针对顶管隧道顶进施工过程中管-泥浆-土的流固耦合作用及环境扰动机制这一关键科学问题，通过系统的理论和试验研究，探讨典型顶管泥浆的触变特性，建立触变泥浆的本构模型；分析不同浆液压力等条件下管、泥浆、土的接触特征和接触模式，研究管节顶进施工过程中泥浆的流场特性，揭示泥浆在顶管顶进施工过程中的传力机制，建立相应的考虑管-泥浆-土相对运动的耦合计算模型；研究浆液扩散对顶管周边土体力学特性的影响规律，探明管节顶进施工过程中背土效应的产生机理，确定顶管顶进施工的环境扰动机制，得到不同条件下管节顶进施工对周边地层的扰动影响规律；最终建立较为系统的考虑管、泥浆、土耦合作用的顶管隧道设计计算方法。研究成果可为提高我国顶管隧道工程的建造水平，保障我国顶管隧道工程的长期健康发展提供理论支撑。

顶管隧道施工技术近年来在我国市政道路下穿工程中得到了越来越广泛的应用，但顶管隧道工程设计计算理论仍落后于工程实践。本项目以我国顶管隧道施工安全的迫切需要为背景，对顶管隧道顶进施工过程中管-泥浆-土的耦合作用机制、设计计算方法及环境扰动规律进行了系统研究，项目主要研究成果如下。.（1）在分析顶管隧道施工泥浆的触变性的基础上，推导了一种考虑泥浆触变性的圆形顶管隧道摩阻力的计算方法，提出了关键参数泥浆套厚度的计算方法。.（2）考虑实际施工中顶管产生的顶进偏差会使顶推力增大的情况，引入了纠偏系数，建立了考虑顶进偏差的顶管隧道顶推力的计算方法，实现了顶进偏差条件下顶推力的准确计算。.（3）基于矩形顶管隧道顶进施工过程中，管壁接触存在完全管-泥浆、完全管-土和管-土/泥浆共存三种接触状态，建立了考虑管-土/泥浆不同接触状态的浅埋大断面矩形顶管隧道摩阻力计算方法。.（4）构建了矩形顶管隧道开挖面三维失稳破坏模型，结合矩形顶管隧道三维离散模型、速度场，推导得到了矩形顶管隧道开挖面支护力的计算公式，并开发了相应的计算程序。.（5）采用基于高斯型自相关函数和Karhunen-Loeve(K-L)级数展开法的随机场理论，考虑地层参数的空间变异性及自相关性，建立了基于条件随机场理论的顶管隧道施工环境扰动随机模拟分析方法。.（6）采用建立的计算方法，研究了地层土体摩擦角、黏聚力、弹性模量等的变异性、相关距离和变异系数对盾构隧道施工地表变形的影响规律，得到不同顶进距离下各断面地表变形超出控制值的概率。.项目研究期间发表论文8篇，其中SCI论文2篇，EI论文6篇，获授权国家发明专利3项，实用新型专利2项，软件著作权1项，培养毕业博士生1人，硕士生3人。研究成果已应用于南宁地铁1号线、5号线等相关顶管隧道工程施工中，为复杂地质条件下顶管隧道的施工安全提供了理论和技术支撑。