矩形顶管技术发展与研究现状

摘  要：随着工程技术的逐步推进，当前现代化基础设施建设已经拥有了更加先进的技术体系，本文结合矩形顶管施工技术，首先分析了该项技术的发展基础及应用优势，其次阐述了国内矩形顶管技术的发展现状，最后阐述了在当前现代化基础设施建设领域，矩形顶管技术施工以及发展过程中遇到的难题，意在通过本文论述，为该项技术的发展奠定理论基础。

关键词：大断面;矩形顶管;研究现状

中图分类号：U231.3    文献标识码：A       文章编号：1007-9416（2020）05-0000-00

随着现代化城市建设需求的提升，传统的施工技术无法满足当前的多样化施工需求，因此，在尽量减少对地表开挖程度的基础上，矩形顶管施工法已经成为当前基础设施建设过程中应用较为普遍的高效率施工方式之一，该种方式能够有效提升地下空间施工以及管道施工效率，同时降低对地表形态的破坏，因此充分研究矩形顶管技术的发展基础，探究当前的发展现状，并且理清发展难题，对于矩形顶管技术的优化和创新有着积极的促进作用。

1顶管工艺发展的技术基础

矩形顶管技术首次出现是在1892年，而首次将矩形顶管技术应用在混凝土管道建设中的项目是在1957年的德国[1]，该项目的实现成为众多建筑学者热议的话题，同时也成为了社会发展中的主流技术，此后针对顶管施工技术进行了大范围的技术创新，如在1972年，日本首先研发了一套以先导式掘进机为主的隧道挖掘技术，并且利用顶管施工结构中的千斤顶实现了独立的顶进控制体系。

该项技术在20世纪60年代中期传入我国，上海某企业针对当时的大口径机械式顶管进行了试验研发，建立在中继站的基础上实现了超远距离的顶管施工推进，最大距离达到了120 m[2]。

当前我国现代化矩形顶管技术的发展，得益于传统的矩形掘进机的发展，以及建立在优化的圆形顶管技术基础上实现的。在20世纪90年代后，我国才真正的将顶管施工技术向矩形顶管施工方向进行转型。

从传统的圆形顶管施工技术和当前使用的矩形顶管施工技术的优势角度来看，矩形顶管施工技术能够进一步开发结构断面的利用价值，较传统的顶管隧道能够节约大量的空间。

2矩形顶管施工技术的發展现状

2.1机具设备

21世纪初期，矩形顶管技术在我国的基础设施建设领域中已经得到了深入研发和应用，当前国内已经具备了能够独立生产矩形顶管施工设备的厂家。整体的矩形顶管施工机具从最原始的由上海对自行研发的土压平衡矩形顶管机进行性能和外观结构上的升级，发展到形成了2.2 m×2.2 m的矩形顶管机，同时随着基础设施建设需求的不断增长，至2004年矩形顶管机具具有了长距离推进的新性能，同时能够实现全断面切削功能，机具的外径已经达到了10.4 m×7.5 m，成为了当前世界上能够实现最大断面施工的矩形顶管机具。

2.2理论研究

2.2.1顶推力

针对矩形顶管应用过程中的顶推力研究，始于2004年雅典的某排水工程，相关研究人员在弹性解法的基础上，分析了顶管运作过程中挖掘面的稳定性以及太沙基土压力理论。并且在分析的过程中，研究了顶管运作期间的稳定性，表明了前段挖掘面的稳定性较强，因此可以初步定位顶管以及土体之间的接触面位于管道的底部。但是伴随着设备顶进距离的不断增加，受到周边土体荷载力的非线性增加影响，管体和土体之间的接触面积逐渐增大，导致摩擦阻力的提升，由此增加了顶推力。

在2013年，国内的研发人员在卸载拱理论的基础上，研究了矩形顶管在运作过程中的关节以及周边土体之间的相互作用力[3]。并且定位了顶力计算的运行公式，借助公式中的变量因素研究了当前能够影响矩形顶管施工技术应用的多项因素。这为顶推力的管控奠定了数据基础。

2.2.2背土效应

背土效应主要产生于埋深较浅的工程中，由于矩形顶管施工的位置较浅，机具上方的土体自身的卸载作用不够明显，导致在下方管道行进过程中，土体下落从而堆积在机具上方表面，当堆积量达到一定数值之后，便会影响顶管机的顶进作业，因此产生较大的摩擦阻力，同时当这些摩擦阻力积累到一定程度后，会随着顶管的作业方向进行反向推移，从而导致顶管的表面或者上方土体出现持续性的变形和坍塌情况。

因此为了有效解决背土效应对矩形管产生的影响，当前通常利用注浆的方式来降低设备和周围岩土结构之间产生的摩擦力，当前使用的注浆材料主要为膨润土，同时随着科学技术的不断提升，由人工合成的高分子材料也可以有效降低背土效应对施工的影响。

2.3工作面稳定性

当前我国部分学者在分析极限上限理论的基础上，考量了矩形顶管运行工作面受破坏的基础模式，结合岩体速度场、支护压力等参数构建了失稳破坏模型，模型中涉及到了隧道埋深、直径、周围土体的黏聚力、摩擦角等因素，从而为提升工作面稳定性提供了研究依据。

3矩形顶管应用发展问题

3.1理论方面

当前针对矩形顶管技术应用过程中的本土相互作用的研究还存在着一定局限性，当前大部分的研究主要以管道在运行过程中的轴向受力以及土体变形为主，针对在作业过程中对管道形成的横向和纵向综合受力研究还不够深入。另外当前部分学者针对作业过程中的注浆工序研究也存在薄弱环节，针对管道、浆液以及涂铁这三个部分之间的相互作用机制，还未能形成科学系统的理论体系。通常建立在减磨泥浆的基础上来计算运行过程中的顶推力，这导致计算公式的结果较大，注浆后的磨阻因数随之减小，因此在定位注入结膜泥浆之后所产生的相关因数还需要深入研究。

另外当前部分针对矩形顶管技术应用过程中的理论研究以地面形变为主，而针对作业过程中产生的管道力学性能改变以及土体稳定性的研究，还需要进一步加强，另外，在管道竣工并且投入使用之后，土体以及管道的力学性能会随着使用周期的变化而进行变化，针对这一方面的研究目前也还处于初级阶段。

而产生这些现状的主要因素在于当前矩形顶管施工技术在我国的工程应用案例较少，尚未完全普及，因此针对某些参数设计以及模型研究，还缺少具备客观性的参考依据。

3.2设计方面

另外在设计角度，我国当前针对矩形顶管的部分结构设计还未形成统一的规范，当前大部分的生产商在进行结构设计的过程中，往往是以公路桥涵设计规范以及传统的圆形顶管施工结构作为设计依据，沿用以前的设计思路，同时也在设计过程中不断结合应用中出现的问题进行调整，这种建立在逐步实践基础上形成的设计体系存在部分缺陷，因此为了进一步提升矩形顶管施工技术的科学性和有效性，还需要针对设计理论进行重点研究。

4结语

综上所述，由于矩形顶管技术具备极强的施工应用优势，因此能够充分融合在当前的地下空间建设以及隧道建设中，能够进一步提升工程的施工进度，同时随着矩形顶管施工技术研发现状的不断推进，在解决当前既有问题的同时，也需要结合可能出现的影响因素落实预见性研究，以进一步提升矩形顶管施工技术的应用价值和设备性能，落实技术和结构的优化创新，以此满足当前的基础设施建设需求，从而为矩形顶管的未来发展奠定良好的理论和技术基础。

参考文献

[1]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]葛金水，沈水龙，许烨霜.现代顶管施工技術及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[3]葛春辉.顶管工程设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2018.

收稿日期：2020-04-04

作者简介：严学光（1982—），男，彝族，云南永平人，本科，高级工程师，研究方向：工程技术和项目管理方面。

Abstract： With the gradual advancement of engineering technology， the current modern infrastructure construction has a more advanced technical system. Combining with the rectangular pipe jacking construction technology， this paper first analyzes the development foundation and application advantages of this technology， then expounds the development status of domestic rectangular pipe jacking technology， and finally expounds the rectangular pipe jacking technology in the field of current modern infrastructure construction The difficulties encountered in the process of construction and development are intended to lay a theoretical foundation for the development of this technology through this paper.

Keywords： large section; rectangular pipe jacking; research status