随着我国城镇化进程的加快,顶管施工工艺在城市建设中得到广泛应用,然而顶管施工不可避免地对周围土体产生扰动,导致一定施工范围内的土体发生变形(沉降或隆起)。当土体变形过大时,将可能对周围建筑物、地下管线等产生危害。如果不给予高度重视,往往给城市和人民群众带来不可估量的财产损失和安全危机。本文研究目的是通过对顶管施工引起的地面变形机理、变形因素、地面变形计算方法的研究,为工程设计、施工以及城市管理人员预测顶管施工对周围环境可能造成的影响和危害程度提供有益参考,从而采取有效防控措施减少施工危害的发生。主要研究内容和成果包括:(1)以石家庄某顶管工程为背景,通过对顶管施工工艺原理和特点、土体变形机理和主要因素的分析,运用线性回归和最小二乘法原理,对Peck公式适用性进行了研究。在进行函数拟合后求得Peck公式的修正系数,得到了该工程条件下土体体积损失率η和沉降槽宽度系数指数n的参考取值范围分别为0.72%~1.13%、0.65~0.8。(2)运用弹性力学Mindlin解计算了顶管工具管正面推进力、工具管与周围土体间摩擦力产生的地面竖向位移值,采用Sagaseta修正解析公式计算了土体损失产生的地面竖向位移值。分析认为土体损失对地面变形的影响起主导作用,施工应力对地面变形影响有限,影响范围在工具管前后约20m内。以前人的研究为基础,考虑椭圆非等量土体损失模型和泊松比,引用经验公式参数土体损失率η和与土质有关的沉降槽宽度系数指数n对Sagaseta解析公式进行了修正,得到适用于硬土地区计算土体损失引起地面变形的修正解析公式。(3)采用MIDAS/GTS软件对顶管施工引起的土体变形进行了三维有限元数值模拟计算。研究了顶管施工周围土体位移分布规律,并将地面竖向位移计算值与实测值进行了对比。分析认为在其他参数和工况不变的情况下,增加管道埋深、减小管道直径可以降低地面沉降值,土质越好、土体弹性模量越大、承载能力越强,对有效控制施工引起的地面变形越有利。(4)实测数据拟合法、理论解析法、有限元数值分析法计算得出的结果与实测值均基本吻合,验证了本文计算方法的正确性。