大断面矩形顶管推进工法由于其绿色环保、断面利用率高、浅覆土适应能力强等优点,是下穿城市道路、河流与地铁出入口等浅覆土地下空间掘进的高效绿色非开挖技术。但是浅覆土长距离大断面矩形顶管下穿河流隧道工程存在施工安全和工作面土体扰动控制难题,严重制约了矩形顶管非开挖技术应用于过江过河隧道工程。本文以苏州市浅覆土大断面矩形顶管下穿京杭大运河隧道工程为背景,综合运用现场调研、理论分析、数值模拟等研究方法,分析了大断面矩形顶管施工土体扰动变形特征与影响因素,揭示了大断面矩形顶管施工土体扰动演化规律,提出了大断面矩形顶管下穿京杭大运河土体扰动控制技术与监测方案。主要研究成果如下:(1)分析了时间效应下矩形顶管顶进作业时土体受扰变形特征,并对管周土体进行力学效应分析和应力分区,结合工程特点与难点,分析了大断面矩形顶管下穿京杭大运河工程土体扰动变形主要影响因素。(2)确定了本工程最佳注浆压力应控制在180kPa,约上覆土重力的1.1~1.2倍时,注浆控制效果最佳。随注浆压力增大,隧道上部土体下沉和底部土体回弹量呈非线性减小,而管节与两侧土体变形量非线性增大,当th时,地表平均下沉率为0.08mm/kPa,当thkPa hkPa时,平均下沉率为0.02mm/kPa。(3)分析确定了考虑平均摩阻力公式预测的总顶推力大小为Ph kN,需通过中间接力进行顶力补充,并得到了不同顶推力下土层扰动变形规律。考虑平均摩阻力公式预测的总顶推力为Ph kN大于后座反力,需设置中继间;本工程顶推力为1P(P为工作面中心处土体竖向压力)时土层扰动最小,约在轴向2.9D(D为矩形顶管跨度)范围内地表完成大部分竖向变形。不同顶推力地表横向沉降区域基本相同,约tP D。(4)研究了大断面矩形顶管下穿京杭大运河顶进时力学特征,揭示了土体竖向、横向、轴向变形规律,阐明了本文顶推力和注浆压力取值的合理性以及过河段地表沉降控制技术和监测方案提出的必要性。距工作面越近,横向和轴向减小速度越快,影响区域集中在工作面前1.2D范围内的矩形开挖区。开挖后,竖向应力在上覆土中分布规律为“U”型。顶管穿越京杭大运河后地表下沉量较过河前增大70%,整个顶程地表最大下沉约29.51mm,与工作面距离不同时,横向监测面地表竖向变形特征也不同。离工作面越近,隧道两侧土体横向水平变形越大,侧向压缩区呈圆曲面向外扩展,远离工作面的两侧土体向外变形量逐渐减小,离工作面较远处,侧向土体横向位移逐渐向管节靠近。土层轴向变形以机头前方向顶进方向位移量最大,以机管交界处土体背离顶进方向轴向位移最大。(5)研究了Peck和累计概率曲线公式预测的地表竖向变形规律。计算表明:地面沉降横向影响范围为(-30m~30m),地表最大下沉量为33mm。地表横向沉降变形趋势呈“U”型。轴向地表沉降规律与数值模拟得出规律基本相同。(6)提出了下穿京杭大运河大断面矩形顶管施工地表变形和浅埋过河土体扰动控制技术和监测方案。该论文有图63幅,表5个,参考文献122篇。