随着我国城市化进程不断加快,地下工程密集施工,顶管管幕法以其施工安全、地层适应性好以及对周围环境影响小等优点,成为城市超大地下工程施工的关键技术之一。其中拱北隧道曲线顶管管幕工程代表了顶管管幕技术的前沿,该工程创新地采用曲线顶管管幕+冻结止水相结合的工法,工程规模世界第一,由36根直径1620mm钢顶管环状布置组成,长度达到了255m,其施工环境为典型的临海高水压复合软土地层,且下穿拱北口岸,周边建筑物密集,工程施工技术难度高,风险巨大。在该工程之前,国内外顶管管幕均为距离较短的直线形式,对于类似拱北隧道的临海高水压复合软土地层中的超大型曲线顶管管幕,尚无类似的工程实践可供参考,而作为组成管幕单元的曲线钢顶管,目前也无成熟的设计规范。可见,现有的施工技术和理论基础都难以满足超大型曲线顶管管幕的设计和施工需求。因此,论文以拱北隧道超大型曲线顶管管幕为研究对象,解决了富水复合软土地层顶管设备选型技术、组合曲线顶管管幕精度控制技术以及临海复合地层顶管泥浆制备技术。研发了高水压条件下钢套管接收设备及技术措施,利用室内顶管密封试验验证了施工采用的始发装置、管节接头和接收舱的密封性,优化了管节接头橡胶圈结构。揭示了曲线顶管实际顶进参数规律、不同工况下管周压力及管节应力变化规律,建立了考虑管土摩阻力和管浆摩阻力的曲线顶管顶进力计算模型、管周压力计算模型及管节应力计算模型。建立了基于Pasternak双参数弹性地基梁理论的管幕支护管力学模型,为管幕直径优选提供依据。分析了曲线顶管及群管顶进施工过程中土体扰动规律,优化了管幕顶进顺序,减小了施工引起的地层变形。上述研究成果,为拱北隧道曲线管幕工程的成功实施提供了技术支撑,具体开展的研究工作如下:系统提出富水复合软土地层条件下顶管设备选型依据,为施工优选出复合刀盘泥水平衡顶管机。总结出小间距复合曲线顶管精度控制技术,包含曲线直顶始发、人工校核+UNS导向顶进和三线控制接收,满足管幕±50mm精度控制要求。针对临海复合地层,分析顶管泥浆的作用机理,提出不同地层泥浆性能要求及合理的顶管泥水平衡泥浆和润滑泥浆配方,实现了不同地层的高效掘进,顶管摩阻力基本减小到1kPa。采用ABAQUS对不同形式的管节接头密封圈及不同偏角下的接头进行数值模拟,并开展室内顶管密封性实验。结果表明:优化后接头橡胶圈结构更加合理,洞口止水装置和管节接头满足现场0.3MPa施工密封要求,接收舱密封性有待加强;创新提出的钢套管接收技术在实际管幕顶管施工中得到成功应用,实现了高水压软土地层和松散地层顶管安全接收。在总结常用的曲线顶管顶进力计算公式基础上,利用Persson接触理论分析管土接触力学特性,并分析了润滑泥浆的触变性,推导出考虑管土摩阻力和管浆摩阻力的曲线顶管顶进力计算公式。结果表明:各迎面阻力公式计算值普遍大于实测值,采用泥浆压力计算与实测值最接近,且便于现场工程使用;现场实测摩阻力和顶进力基本都位于Persson公式计算值之间,说明其可以较为准确地预测曲线顶管摩阻力和顶进力。通过现场曲线顶管管周压力和管节应力监测试验,揭示了顶进施工、停止顶进、顶管完工以及相邻顶管施工四种不同工况下管道的受力规律。结果表明:曲线顶管施工过程中管周压力和管节应力具有明显的非对称性,通常情况下,管道顶部和底部压力数值较为接近,且顶部压力略大于底部,水平位置管道内侧压力小于外侧。管节轴向应力主要受顶进力影响,环向应力主要取决管周压力,管道弯曲内侧压应力最大,出现应力集中,对于大埋深钢顶管,随着顶进距离的增加,管道轴向由全断面受压转变为局部受压。在常用顶管及盾构规范管周压力计算模型基础上,考虑了钢管水平变形导致的附加压力,并采用考虑土拱剪切带高度的Terzaghi模型计算竖向土压力,提出不同工况下曲线钢顶管的土压力计算模型,然后基于Castigliano定理求解任意荷载作用下的管节应力公式。管周压力及应力计算结果表明,计算值与现场实测值接近,证明所建立理论模型的适用性。选取大断面顶管管幕受力最不利的底部支护管为研究对象,利用Pasternak双参数弹性地基梁理论建立管幕力学模型,从而得出支护管的变形和内力公式。分析不同开挖进尺、管径和间距条件下的支护管最大应变,结果表明:支护管最大应变随管径增加迅速减小,当管径增加到一定数值后趋于平稳,在大管径条件下通过继续增大管径,并不能显著提高管幕的支护效果。依托曲线顶管土体扰动原位监测试验,分析了地表沉降、土体分层沉降、深层土体水平位移和水土压力变化规律。结果表明:曲线顶管施工引起的地表沉降槽曲线表现为非对称,最大沉降点可能出现在轨迹弯曲内侧,也可能偏向外侧;曲线顶管与隧洞相对位置引起的土体损失变化是造成沉降槽偏移的主要原因;基于沉降槽偏移修正的Peck公式可以较好地反映砂层和淤泥质层中沉降槽偏移效应和最大沉降量,可以作为预测相应地层地表变形的依据。通过ABAQUS有限元模拟对比不同顶进顺序对地层变形和应力、管道应力和变形的影响规律。结果表明:地表竖向变形表现为双峰曲线,管幕对称顶进时地表竖向变形曲线呈对称分布,而非对称顶进时表现为非对称,且对称顶进时引起的地表变形相对较小。不同顶进顺序下管幕施工引起的地层应力、管道最大应力和最大变形规律基本相同,但从下往上依次顶进的C1方案在减小管道应力和变形方面具有优势,为优化的施工方案。管幕在顶管数量较多的全面顶进施工阶段,地表变形迅速发展,而在全面顶进阶段末和最后顶进阶段,由于已施工管道的支护作用,沉降发展不明显。