矩形頂管技術發展與研究現狀

摘 ?要：隨著工程技術的逐步推進，當前現代化基礎設施建設已經擁有了更加先進的技術體系，本文結合矩形頂管施工技術，首先分析了該項技術的發展基礎及應用優勢，其次闡述了國內矩形頂管技術的發展現狀，最后闡述了在當前現代化基礎設施建設領域，矩形頂管技術施工以及發展過程中遇到的難題，意在通過本文論述，為該項技術的發展奠定理論基礎。

關鍵詞：大斷面;矩形頂管;研究現狀

中圖分類號：U231.3 ? ?文獻標識碼：A ? ? ? 文章編號：1007-9416（2020）05-0000-00

隨著現代化城市建設需求的提升，傳統的施工技術無法滿足當前的多樣化施工需求，因此，在盡量減少對地表開挖程度的基礎上，矩形頂管施工法已經成為當前基礎設施建設過程中應用較為普遍的高效率施工方式之一，該種方式能夠有效提升地下空間施工以及管道施工效率，同時降低對地表形態的破壞，因此充分研究矩形頂管技術的發展基礎，探究當前的發展現狀，并且理清發展難題，對于矩形頂管技術的優化和創新有著積極的促進作用。

1頂管工藝發展的技術基礎

矩形頂管技術首次出現是在1892年，而首次將矩形頂管技術應用在混凝土管道建設中的項目是在1957年的德國[1]，該項目的實現成為眾多建筑學者熱議的話題，同時也成為了社會發展中的主流技術，此后針對頂管施工技術進行了大范圍的技術創新，如在1972年，日本首先研發了一套以先導式掘進機為主的隧道挖掘技術，并且利用頂管施工結構中的千斤頂實現了獨立的頂進控制體系。

該項技術在20世紀60年代中期傳入我國，上海某企業針對當時的大口徑機械式頂管進行了試驗研發，建立在中繼站的基礎上實現了超遠距離的頂管施工推進，最大距離達到了120 m[2]。

當前我國現代化矩形頂管技術的發展，得益于傳統的矩形掘進機的發展，以及建立在優化的圓形頂管技術基礎上實現的。在20世紀90年代后，我國才真正的將頂管施工技術向矩形頂管施工方向進行轉型。

從傳統的圓形頂管施工技術和當前使用的矩形頂管施工技術的優勢角度來看，矩形頂管施工技術能夠進一步開發結構斷面的利用價值，較傳統的頂管隧道能夠節約大量的空間。

2矩形頂管施工技術的發展現狀

2.1機具設備

21世紀初期，矩形頂管技術在我國的基礎設施建設領域中已經得到了深入研發和應用，當前國內已經具備了能夠獨立生產矩形頂管施工設備的廠家。整體的矩形頂管施工機具從最原始的由上海對自行研發的土壓平衡矩形頂管機進行性能和外觀結構上的升級，發展到形成了2.2 m×2.2 m的矩形頂管機，同時隨著基礎設施建設需求的不斷增長，至2004年矩形頂管機具具有了長距離推進的新性能，同時能夠實現全斷面切削功能，機具的外徑已經達到了10.4 m×7.5 m，成為了當前世界上能夠實現最大斷面施工的矩形頂管機具。

2.2理論研究

2.2.1頂推力

針對矩形頂管應用過程中的頂推力研究，始于2004年雅典的某排水工程，相關研究人員在彈性解法的基礎上，分析了頂管運作過程中挖掘面的穩定性以及太沙基土壓力理論。并且在分析的過程中，研究了頂管運作期間的穩定性，表明了前段挖掘面的穩定性較強，因此可以初步定位頂管以及土體之間的接觸面位于管道的底部。但是伴隨著設備頂進距離的不斷增加，受到周邊土體荷載力的非線性增加影響，管體和土體之間的接觸面積逐漸增大，導致摩擦阻力的提升，由此增加了頂推力。

在2013年，國內的研發人員在卸載拱理論的基礎上，研究了矩形頂管在運作過程中的關節以及周邊土體之間的相互作用力[3]。并且定位了頂力計算的運行公式，借助公式中的變量因素研究了當前能夠影響矩形頂管施工技術應用的多項因素。這為頂推力的管控奠定了數據基礎。

2.2.2背土效應

背土效應主要產生于埋深較淺的工程中，由于矩形頂管施工的位置較淺，機具上方的土體自身的卸載作用不夠明顯，導致在下方管道行進過程中，土體下落從而堆積在機具上方表面，當堆積量達到一定數值之后，便會影響頂管機的頂進作業，因此產生較大的摩擦阻力，同時當這些摩擦阻力積累到一定程度后，會隨著頂管的作業方向進行反向推移，從而導致頂管的表面或者上方土體出現持續性的變形和坍塌情況。

因此為了有效解決背土效應對矩形管產生的影響，當前通常利用注漿的方式來降低設備和周圍巖土結構之間產生的摩擦力，當前使用的注漿材料主要為膨潤土，同時隨著科學技術的不斷提升，由人工合成的高分子材料也可以有效降低背土效應對施工的影響。

2.3工作面穩定性

當前我國部分學者在分析極限上限理論的基礎上，考量了矩形頂管運行工作面受破壞的基礎模式，結合巖體速度場、支護壓力等參數構建了失穩破壞模型，模型中涉及到了隧道埋深、直徑、周圍土體的黏聚力、摩擦角等因素，從而為提升工作面穩定性提供了研究依據。

3矩形頂管應用發展問題

3.1理論方面

當前針對矩形頂管技術應用過程中的本土相互作用的研究還存在著一定局限性，當前大部分的研究主要以管道在運行過程中的軸向受力以及土體變形為主，針對在作業過程中對管道形成的橫向和縱向綜合受力研究還不夠深入。另外當前部分學者針對作業過程中的注漿工序研究也存在薄弱環節，針對管道、漿液以及涂鐵這三個部分之間的相互作用機制，還未能形成科學系統的理論體系。通常建立在減磨泥漿的基礎上來計算運行過程中的頂推力，這導致計算公式的結果較大，注漿后的磨阻因數隨之減小，因此在定位注入結膜泥漿之后所產生的相關因數還需要深入研究。

另外當前部分針對矩形頂管技術應用過程中的理論研究以地面形變為主，而針對作業過程中產生的管道力學性能改變以及土體穩定性的研究，還需要進一步加強，另外，在管道竣工并且投入使用之后，土體以及管道的力學性能會隨著使用周期的變化而進行變化，針對這一方面的研究目前也還處于初級階段。

而產生這些現狀的主要因素在于當前矩形頂管施工技術在我國的工程應用案例較少，尚未完全普及，因此針對某些參數設計以及模型研究，還缺少具備客觀性的參考依據。

3.2設計方面

另外在設計角度，我國當前針對矩形頂管的部分結構設計還未形成統一的規范，當前大部分的生產商在進行結構設計的過程中，往往是以公路橋涵設計規范以及傳統的圓形頂管施工結構作為設計依據，沿用以前的設計思路，同時也在設計過程中不斷結合應用中出現的問題進行調整，這種建立在逐步實踐基礎上形成的設計體系存在部分缺陷，因此為了進一步提升矩形頂管施工技術的科學性和有效性，還需要針對設計理論進行重點研究。

4結語

綜上所述，由于矩形頂管技術具備極強的施工應用優勢，因此能夠充分融合在當前的地下空間建設以及隧道建設中，能夠進一步提升工程的施工進度，同時隨著矩形頂管施工技術研發現狀的不斷推進，在解決當前既有問題的同時，也需要結合可能出現的影響因素落實預見性研究，以進一步提升矩形頂管施工技術的應用價值和設備性能，落實技術和結構的優化創新，以此滿足當前的基礎設施建設需求，從而為矩形頂管的未來發展奠定良好的理論和技術基礎。

參考文獻

[1]余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]葛金水，沈水龍，許燁霜.現代頂管施工技術及工程實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[3]葛春輝.頂管工程設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2018.

收稿日期：2020-04-04

作者簡介：嚴學光（1982—），男，彝族，云南永平人，本科，高級工程師，研究方向：工程技術和項目管理方面。

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