矩形顶管技术发展与研究现状

彭立敏，王 哲，叶艺超，杨伟超

(中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

近年来，随着城市建设的快速发展，对城市地下空间建设的需求和要求也在不断提高。为了保证城市地面交通顺畅，在尽量减少开挖城市地表的大背景下，传统地下管道和人行通道施工技术越来越无法满足工程建设的需求，取而代之的是飞速发展的非开挖技术，其中就包括矩形顶管技术。矩形顶管法在管道和通道施工建设过程中采用特殊的施工技术，对地表尽量小开挖、少开挖，使得对城市地下的破坏降低到最小程度，这对加强城市环境及地下管网合理规范化建设起到了十分积极的作用［1－3］，本文对矩形顶管技术、机具设备、工程的发展和现阶段矩形顶管技术、理论上的不足进行了扼要的回顾总结。

1 现代顶管工艺的技术基础

顶管的发展具有悠久的历史。世界上第一个有据可查的关于顶管技术的记录是在1892年。在二战之前，美国、英国、德国和日本均发展了顶管施工技术。在20世纪60年代和70年代前后，以下三大进步为现代顶管施工技术奠定了基础［1］:

1)专门用于顶管施工的带橡胶密封环的混凝土管道的出现。混凝土管道顶管施工首次见于1934年德国的一篇论文，该文对顶进施工过程进行了描述。1957年，德国的Ed Zublin公司进行了混凝土管道的首次顶进施工。

2)带有独立的千斤顶可以控制顶进方向的掘进机研制成功。1972年，日本小松公司(Komastu)开始研制第一套先导式隧道掘进机，并于1974年完成第一个施工项目。

3)中继站的使用。1964年前后，上海一些企业进行了大口径机械式顶管的各种实验。当时2 m口径的钢筋混凝土管的一次推进距离可达120 m，同时，开创了使用中继站的先河。

4)现代矩形顶管技术的发展，得益于矩形掘进机的出现与日渐成熟的圆形顶管技术。20世纪70年代初，矩形顶管技术首次成功应用于日本东京的地下联络通道中。在20世纪90年代以后，矩形顶管技术逐渐在我国得到应用。

2 矩形顶管技术应用条件与优势

2.1 矩形顶管的适用环境条件

相较于传统的地下工程施工技术，矩形顶管施工技术在以下环境条件具有明显优势:

1)穿越较松软的土质地层时;

2)穿越铁路、公路、河流或建筑物时;

3)对于街道狭窄且两侧建筑物较多时;

4)在车流和人流量大的闹市区街道施工，又不能断绝交通时;

5)现场条件复杂，与地面工程交叉作业，相互干扰，易发生危险时;

6)管道覆土较深，开槽土方量大，并需要支撑时。

2.2 矩形顶管的优越性

1)矩形顶管隧道更适用于城市各类联络通道，下穿铁路、公路、立交隧道，地下共同沟等工程。

2)矩形顶管比圆形顶管有更好的浅覆土适应能力，从而可大大降低下穿各类构筑物的坡度和深度。

3)矩形顶管隧道的管节选择更多，可以现场浇筑，也可以预制，圆形顶管管节通常只能预制。

4)矩形结构能充分利用结构断面，提高断面利用率，相较于圆形顶管隧道，能节省约20%的空间(见图1)。

图1 矩形顶管与圆形顶管对比示意图Fig.1 Comparison between rectangular pipe jacking method and circular pipe jacking method

3 机具设备发展现状

3.1 国外机具设备的发展

20世纪70年代，日本最早开发了矩形顶管机，它最初出现的目的主要用来安装矩形管道，可用于建造地下铁道的区间、车站及水底隧道旁通道等。20世纪80年代后，世界各国掀起了开发异形断面掘进机的高潮，先后进行了矩形隧道、椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道盾构掘进机及施工技术的试验研究和工程应用［4－6］。

目前，矩形顶管机械及工艺发展比较成熟的国家是日本。日本在20世纪80年代开发出了矩形隧道掘进机，并应用于多条人行隧道、公路隧道、铁路隧道、地铁隧道和排水隧道的施工中。地下管线共同沟的概念也起源于日本。1981年，名古屋和东京都采用4.29 m×3.09 m手掘式矩形盾构掘进了2条长分别为534 m和298 m的共同沟;名古屋还采用5.23 m×4.38 m的手掘式矩形盾构掘进1条长374 m的矩形隧道［7］。20世纪90年代，日本将遥控技术应用到顶管法中，操作人员在地面控制室中通过闭路电视和各种仪表进行遥控操作，对普遍采用人工开挖的顶管技术产生了重大革新。近30年来，日本率先研究开发了土压平衡、泥水平衡顶管机等先进顶管机头和施工工法，并在实际工程中得到了广泛的应用［8］。

对于由圆形管道演变而来的矩形管道或者构件的顶进施工，在技术上被证明有很大的难度。根据施工经验，矩形截面管道和圆形截面管道的施工区别在于顶管机外形、切削方式及管道截面形状。形成矩形截面通道的方式主要有3种类型［9］:1)采用圆形顶管机对工作面实行分步切削或者全断面切削，管道的外部为圆形，内部为矩形;2)顶管机外形为矩形，对工作面采用分步切削方式，管道外形与顶管机的断面一致;3)顶管机外形为矩形，对工作面采用全断面切削形式，管道外形与顶管机的断面一致。

在日本采用管片拼装法和顶管机配合使用，开发出2种典型的顶管施工工法［10］:DPLEX(Developing Parallel Link Excavating Shield Method)顶管施工法和Takenaka顶管施工法(由 Takenaka Ltd Company研发)，前者为多轴偏心传动顶管机，工作面上土层的切削是通过一个绕曲柄轴进行偏心转动的切削框架(或矩形切削刀盘)来实现(如图2所示);后者为组合刀盘顶管机(如图3所示)，主要用来施工矩形截面的地下管道或通道，第1阶段借助常规圆形切削刀盘切削土层，第2阶段通过安装于切削刀盘后面的切削臂的钟摆运动或者小刀盘转动实现对圆形刀盘无法到达的部位的切削。近年来，为了更好地对工作面的土体进行切削，日本研发了伸缩臂式刀盘仿矩形掘进机，在刀盘转动过程中，对于圆形刀盘切削不到的工作面在刀排中的特殊机构会自动伸长切削臂进行切削。

国外顶管设备的研发主要朝着全断面切削、长距离顶进和克服坚硬土质甚至是岩石掘进的方向发展，这样更能增大顶管设备的地层适应能力，同时也保证了在软土层中进行施工的动力储备。

图2 曲柄轴偏心转动式矩形顶管机Fig.2 DPLEX(Developing Parallel Link Excavating Shield Method)

图3 组合刀盘矩形顶管机Fig.3 Rectangular pipe jacking machine with combined cutter heads

3.2 国内机具设备的发展现状

2005年以来，随着矩形顶管施工技术在我国研究应用的不断深入，国内已经有若干设备生产厂家能够自主设计、生产矩形顶管设备［3］。从早期上海自行研制的土压平衡矩形顶管机，到中期的2.2 m×2.2 m矩形顶管机(见图4)，再到2014年最新研发的可用于长距离顶进的全断面切削矩形顶管机，外径达7.5 m×10.4 m(见图5)，是世界上最大断面的矩形顶管机，代表着我国矩形顶管制造技术已经非常先进。

图4 2.2 m ×2.2 m矩形顶管机Fig.4 2.2 m ×2.2 m rectangular pipe jacking machine

图5 全断面切削矩形顶管机Fig.5 Full-face cutting rectangular pipe jacking machine

4 矩形顶管理论研究现状

4.1 顶推力的研究进展

目前国内外学术界并没有形成专门用于矩形顶管隧道的顶推力研究理论体系，实际工程的设计计算主要是参考圆形顶管隧道的顶推力计算方法。2000年以前，有国外学者提出了顶力理论计算的2个假设:挖掘面稳定假设和管土全接触假设。第1种假设由Haslem［11］提出，认为在顶管顶进过程中挖掘面是稳定的，管道只在底部一定宽度的表面上滑动，并且这种接触是弹性的，在其他部分由于挖掘面保持稳定管土之间没有接触，因此，顶力主要由管道自重产生的摩擦阻力组成;而第2种假设由 O’Reilly和 Rogers［12］提出，认为管道顶进过程中管道周围均与土体接触，因此被周围的土体加载，顶力土要用来克服由作用在管周的土压力引起的摩擦阻力。这2种假设实际提出了2种不同的管土接触状态，这是顶力理论计算的前提。

2002年，Pellet等［13］结合法国国家微型隧道工程的9个顶进现场监测结果，研究了注浆润滑、顶进停顿、顶进偏差和超切等参数对管周摩擦阻力的影响，并与规范中的经验法计算结果以及挖掘面稳定假设和管土全接触假设计算结果进行了比较，结果表明采用基于太沙基土压力理论的管土全接触假设在通常情况下与实际值具有较好的一致性。

2004年，Sofianos等［14］结合一项雅典市排水顶管工程，监测了顶进过程中的顶进力变化，并对基于弹性解法的挖掘面稳定假设和基于太沙基土压力理论的管土全接触假设进行了对比分析。结果表明，在顶进的前段挖掘面比较稳定，可以认为管土之间只在管道底部接触;但随着顶进距离的增加，顶进荷载呈非线性增加，表明管土之间大面积的接触，可能是由于顶进偏差导致管顶和管侧与土体接触面积增加，并进而引起摩擦阻力的增加。

2013年，熊翦［15］采用卸载拱理论分析了矩形顶管顶进过程中矩形管节与周围土体之间的相互作用，推导了矩形顶管顶进过程中的顶力计算公式，并研究了影响矩形顶管顶力的因素。

上述关于顶推力的计算理论还不完善，基于管土全接触的假设计算理论与实际较为相符，但是预测值偏低。

4.2 背土效应机制及控制措施

顶进过程中的背土现象是指:在顶进过程中，由于矩形顶管机上面为几乎水平，当在顶管施工埋深较浅的情况下，上部土体的卸载拱作用相对不明显，卸载拱高度以内的土体在自重作用下坍塌覆于顶管机上表面，使得顶管机向前顶进过程中受这部分土体摩阻力的影响较为明显，土体在摩阻力反作用下会随顶管方向发生压缩变形或移动，就如同管道顶部背负着这部分土体移动一样。

控制背土效应常采用的技术措施是通过注浆降低管节及顶管机背部与土体之间的摩擦力。常用的顶管注浆润滑材料有2类，一类是以膨润土为主，另一类是以人工合成的高分子材料为主［1］。

4.3 工作面稳定性评估

目前，矩形顶管的开挖面稳定性理论研究较少，主要参考盾构隧道开挖面稳定性来进行。盾构隧道开挖面稳定性评估侧重于开挖面极限支护压力的确定。国内外学者在分析开挖面失稳破坏模式的基础上提出了许多计算模型。根据开挖面失稳破坏机制，开挖面极限支护压力的计算模型主要分为微细观分析模型和宏观力学分析模型，其中宏观力学分析模型大体又分为塑性极限理论分析方法及基于仓筒理论的楔形体力学分析模型。

Broms等［16］最早提出了黏土中不排水开挖条件下的开挖面稳定系数法。Anagnostou等［17］基于Horn提出的三维楔形体模型，考虑土压平衡隧道开挖面前方土体地下水渗透作用，推导了相应计算公式，以评估隧道开挖面稳定性。Lecae等［18］采用极限上下限法，并改进隧道开挖面前方土体破坏块体形状，得到了不同破坏模式下极限支护压力理论上下解。Lee等［19－21］结合现场实际情况考虑了地层渗流的影响，认为渗流力的水平分量影响开挖面的稳定，得出了维持盾构开挖面稳定的上限解理论，从而大大推进了顶管隧道工作面稳定性的理论研究。

国内的学者基于极限上限分析理论，通过考虑工作面的典型破坏模式以及围岩体的速度场、极限支护压力等参数，建立了顶管隧道施工条件下工作面的失稳破坏模型，该模型可考虑包括隧道埋深、隧道直径、土体黏聚力与内摩擦角的影响等因素，进一步完善了工作面稳定性的理论。

5 矩形顶管典型工程案例简介

5.1 部分国外典型顶管工程

矩形顶管施工时头部掘进机具设备大多为土压平衡型。表1列出了国外部分矩形顶管工程概况。

表1 部分国外顶管工程Table 1 Cases of pipe jacking projects in foreign countries

5.1.1 波士顿中央大道矩形顶管隧道工程

该隧道旨在连接美国2条主要洲际公路干线，并改善地表居住环境。隧道最浅埋深不到2 m;200年来由于该地区没有进行过统筹管理，管线、桩基等障碍物复杂多变;施工影响区一侧是海港边缘，地表有1条河道与8条铁路线，每天总运行车次多达400次，运客量高达40 000人次。为了保证在铁路不改线的前提下线路正常安全运营，只有采用顶管施工更为安全可行，隧道管道为7 m×5 m的混凝土矩形断面，图6为顶管施工现场。

但将隧道矩形管推入地层中会引起铁路路基及铁轨沉降，因此在铁轨周围及中间将铁管打入地下，并通入循环冷冻盐水(温度保证在0℃以下)。盐水冷冻加固地层如图7所示。几周之后地层冷冻，开挖过程不会出现沉降，虽有稍许膨胀但在控制范围之内。针对冷冻地层，在顶管前方采用巨臂式掘进机进行土方挖掘并用吊车运出地面。隧道矩形管通过2套液压推进器进行推进。

图6 顶管施工现场Fig.6 Pipe jacking site

图7 盐水冷冻加固地层区域(白色虚线标注)Fig.7 Zones reinforced by freezing method(marked by white dashes)

该工程在2004年顺利完成了113 m的全断面隧道施工，在不改变地表铁路原运行路线、不干扰铁路正常运营的前提下，完成了35 000 t的土方挖掘。

5.1.2 印尼哥打市(KOTA)箱型顶管人行隧道工程

该隧道跨越2条街道，东侧与火车站相连接，西侧与汽车站及博物馆相连接。人流量为2 600人/h，车流量为2 400辆/h。地面交通通行压力大，因此安全性要求较高，另外土层中广布管线，不能进行移除和改迁。地下水位为地下1～3 m。隧道所处地层类型(8～9 m)为软灰色黏土和粉性砂，锥体贯入阻力为0.2～0.5 MPa。顶管人行隧道位置及周边环境如图8所示。普通隧道施工方案无法满足要求，因此采取矩形顶管法进行施工。最终采取的结构设计为从双向进行混凝土顶管隧道施工，东段长24 m，西段长21 m。两端隧道高4.95 m，宽10.10 m。该工程于2005年8月完工。

在施工过程中，由于顶管承载路面交通荷载过大，地层较软，为了预防产生较大沉降，经过计算，减小顶管的推进荷载并改变最初设计方案，由原来与顶管平行方向铺设钢梁设计改为垂直顶管铺设钢梁减小地面交通作用在顶管上的直接荷载。

顶管推进过程中会出现大约倾向角度0.9%的沉降。因此，隧道入口处顶管浇筑场地必须尽可能保持平整，避免因场地初期下沉造成后期顶推沉降倾向;必须保证在顶推荷载下，顶管浇筑场地不会出现下沉。入口处浇筑场地采用深基础进行加固，并运用强夯管桩提供更强的水平承载力;顶推三段管道依照次序逐一顶进，为保持其整体一致性，相互之间必须采用预压的锚固装置。顶推示意图如图9所示。

图8 顶管人行隧道位置及周边环境图Fig.8 Location of pedestrian tunnel constructed by pipe jacking method and its surrounding environment

图9 管节顶推示意图(单位:mm)Fig.9 Sketch of pipe jacking(mm)

5.2 近期部分国内典型顶管工程

5.2.1 国内部分顶管工程概况，如表2所示。

表2 部分国内顶管工程Table 2 Cases of pipe jacking projects in China

5.2.2 武汉地铁2号线王家墩东站Ⅳ号出入口工程［22］

武汉地铁2号线王家墩东站Ⅳ号出入口位于车站东北部，下穿青年路与青年路高架桥。青年路与建设大道均为武汉市主干路中最重要的交通干道之一，人流、车流量相当大，且通道所在范围地下管线较密集，主要有给水、电力、电信及煤气等管线，且有较大的排水箱涵(7 m×2.7 m)等，根据现场地形条件，采用矩形顶管法施工，管节尺寸为4 m×6 m，如图10所示。施工设备为偏心多轴土压平衡式矩形顶管机，头部设有2个3 m×3.5 m的大刀盘(由8根偏心轴驱动)、16个纠偏千斤顶、2个螺旋出土机和主顶进装置等设备。顶管自东往西推进，通道总长约62.4 m，覆土厚度约为5.9 m，坡度+3‰推进。管节接口全部采用“F”型承插式，接缝防水装置采用锯齿型氯丁橡胶止水圈和双组份聚硫密封膏，充分防止管节结合部的渗漏水。

图10 管节示意图(单位:mm)Fig.10 Dimensions of pipe(mm)

针对过水箱涵断面大，汛期水位高，与矩形顶管相交距离长，垂直间距小，再加上其建造年代久远，运营时间长，无法掌握其破损情况及稳定状态，因此顶管顶进过程中对其的保护难度极大。后采用:

1)在箱涵前端1.5 m位置设置2排泄压孔。泄压孔直径600 mm，中心间距1 m，深度5 m，设置在顶进轴线两侧各5 m范围。泄压孔采用小型钻机施工，成孔后孔内灌水至地面标高。当顶进压力过大时，可避免压力直接作用到箱涵上。

2)在箱涵的前端、中部和后端各设置1排直接监测点，顶进时根据箱涵沉降情况及时调整顶进参数。

该隧道以平均4.5 m/d，最高6 m/d的进度顶进，仅用22 d，在2012年6月就完成了整个顶管施工。

6 矩形顶管当前面临的难题

矩形顶管技术在我国还处于发展推广阶段，在顶进设备方面吸收学习了国外较为先进的设计制造经验，加之国内相关研究、生产机构的摸索开发，矩形顶管设备的设计与研发取得了较大进展，所生产的矩形顶管机及相关配套设备能够满足国内矩形顶管施工的要求。在施工技术方面，矩形顶管与圆形顶管有相通之处，施工环节的各个阶段可以互相借鉴采用。但是，由于自身的特殊性，矩形顶管施工技术在实施过程中也会有需要重点考虑和解决的问题。归纳起来，其主要有以下3个方面。

6.1 理论方面

1)国内外学者对管土相互作用的研究大都以管道的轴向受力和顶管施工引起的土体变形作为关注重点，对结合顶管施工特点对管道的横、纵向受力的研究不够深入。

2)国内外学者对注浆过程中浆液、管道、土体三者之间的相互作用机制缺乏深入的了解，在计算顶推力的过程中，采用减摩泥浆的情况下，既有的计算公式结果偏大，主要体现在注入减摩泥浆后的摩阻因数会减小，因此注入减摩泥浆后的摩阻因数的确定有待进一步研究。

3)目前的理论研究着重于顶管施工过程中的地面变形，而对顶管施工中管道力学特性和施工后直至土体最终稳定的长期移动缺少深入的研究。

4)毫无疑问，用于各类岩土和结构工程中的数值计算方法，同样适用于矩形顶管施工过程中一些规律性的变化趋势和关键影响因索的研究，并为施工现场提供指导性建议，优化顶管施工工艺环节。但由于国内工程不多，算例较少，模型中的一些参数，尤其是土力学模型参数的取值不易符合工程实际。因此，目前数值方法尚不能成为很准确的计算方法。

6.2 设计方面

迄今为止，我国还没有专门针对矩形顶管结构设计的规范出台，矩形顶管工程中的结构设计是参考了《公路桥涵设计规范》。目前矩形顶管工程采用的规范主要是《顶管施工技术及验收规范(试行)》［23］、中国工程建设标准化协会标准《CECS 246—2008《给水排水工程顶管技术规程》［24］和《CECS 145—2002给水排水工程埋地矩形管管道结构设计规程》［25］。设计理论主要是沿用了圆形顶管的设计思路。为了更好地指导大型矩形隧道顶管施工的设计及施工，需要规范和统一矩形管节的结构设计法规。

6.3 施工方面

1)顶管掘进机掘进时易引起机头背土，加剧对土体扰动和流失，严重时会造成地面塌陷和管线破坏。

2)机头顶进时顶力及扭矩大，顶管机姿态难以控制。

3)刀盘切削面积大，对土层的扰动范围大，易造成地面及管线沉降，控制难度大。

4)小间距顶进时，顶进过程中产生的侧压力不仅会对邻近已成型通道产生影响，引起相邻管节发生变形和位移，甚至造成破坏，而且已成型通道四周土体受相邻顶管顶进施工时再次扰动，易引起地面及管线沉降叠加，造成周边环境破坏。

7 结论与讨论

1)矩形顶管技术可广泛应用于城市下立交、地下快速路主线及其匝道、过街人行通道和地下管线共同沟、小区地下车库等地下空间利用项目，甚至可以期待通过一些辅助措施，实现地铁车站本体的非开挖建设。

2)矩形顶管技术面临着一些问题，理论研究与设计规范的不足，施工带来的不良影响，都制约着矩形顶管技术的发展，也是以后需要解决的问题。

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