矩形頂管技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀

彭立敏，王 哲，葉藝超，楊偉超

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

0 引言

近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，對城市地下空間建設(shè)的需求和要求也在不斷提高。為了保證城市地面交通順暢，在盡量減少開挖城市地表的大背景下，傳統(tǒng)地下管道和人行通道施工技術(shù)越來越無法滿足工程建設(shè)的需求，取而代之的是飛速發(fā)展的非開挖技術(shù)，其中就包括矩形頂管技術(shù)。矩形頂管法在管道和通道施工建設(shè)過程中采用特殊的施工技術(shù)，對地表盡量小開挖、少開挖，使得對城市地下的破壞降低到最小程度，這對加強(qiáng)城市環(huán)境及地下管網(wǎng)合理規(guī)范化建設(shè)起到了十分積極的作用［1－3］，本文對矩形頂管技術(shù)、機(jī)具設(shè)備、工程的發(fā)展和現(xiàn)階段矩形頂管技術(shù)、理論上的不足進(jìn)行了扼要的回顧總結(jié)。

1 現(xiàn)代頂管工藝的技術(shù)基礎(chǔ)

頂管的發(fā)展具有悠久的歷史。世界上第一個有據(jù)可查的關(guān)于頂管技術(shù)的記錄是在1892年。在二戰(zhàn)之前，美國、英國、德國和日本均發(fā)展了頂管施工技術(shù)。在20世紀(jì)60年代和70年代前后，以下三大進(jìn)步為現(xiàn)代頂管施工技術(shù)奠定了基礎(chǔ)［1］:

1)專門用于頂管施工的帶橡膠密封環(huán)的混凝土管道的出現(xiàn)?；炷凉艿理敼苁┕な状我娪?934年德國的一篇論文，該文對頂進(jìn)施工過程進(jìn)行了描述。1957年，德國的Ed Zublin公司進(jìn)行了混凝土管道的首次頂進(jìn)施工。

2)帶有獨(dú)立的千斤頂可以控制頂進(jìn)方向的掘進(jìn)機(jī)研制成功。1972年，日本小松公司(Komastu)開始研制第一套先導(dǎo)式隧道掘進(jìn)機(jī)，并于1974年完成第一個施工項目。

3)中繼站的使用。1964年前后，上海一些企業(yè)進(jìn)行了大口徑機(jī)械式頂管的各種實(shí)驗。當(dāng)時2 m口徑的鋼筋混凝土管的一次推進(jìn)距離可達(dá)120 m，同時，開創(chuàng)了使用中繼站的先河。

4)現(xiàn)代矩形頂管技術(shù)的發(fā)展，得益于矩形掘進(jìn)機(jī)的出現(xiàn)與日漸成熟的圓形頂管技術(shù)。20世紀(jì)70年代初，矩形頂管技術(shù)首次成功應(yīng)用于日本東京的地下聯(lián)絡(luò)通道中。在20世紀(jì)90年代以后，矩形頂管技術(shù)逐漸在我國得到應(yīng)用。

2 矩形頂管技術(shù)應(yīng)用條件與優(yōu)勢

2.1 矩形頂管的適用環(huán)境條件

相較于傳統(tǒng)的地下工程施工技術(shù)，矩形頂管施工技術(shù)在以下環(huán)境條件具有明顯優(yōu)勢:

1)穿越較松軟的土質(zhì)地層時;

2)穿越鐵路、公路、河流或建筑物時;

3)對于街道狹窄且兩側(cè)建筑物較多時;

4)在車流和人流量大的鬧市區(qū)街道施工，又不能斷絕交通時;

5)現(xiàn)場條件復(fù)雜，與地面工程交叉作業(yè)，相互干擾，易發(fā)生危險時;

6)管道覆土較深，開槽土方量大，并需要支撐時。

2.2 矩形頂管的優(yōu)越性

1)矩形頂管隧道更適用于城市各類聯(lián)絡(luò)通道，下穿鐵路、公路、立交隧道，地下共同溝等工程。

2)矩形頂管比圓形頂管有更好的淺覆土適應(yīng)能力，從而可大大降低下穿各類構(gòu)筑物的坡度和深度。

3)矩形頂管隧道的管節(jié)選擇更多，可以現(xiàn)場澆筑，也可以預(yù)制，圓形頂管管節(jié)通常只能預(yù)制。

4)矩形結(jié)構(gòu)能充分利用結(jié)構(gòu)斷面，提高斷面利用率，相較于圓形頂管隧道，能節(jié)省約20%的空間(見圖1)。

圖1 矩形頂管與圓形頂管對比示意圖Fig.1 Comparison between rectangular pipe jacking method and circular pipe jacking method

3 機(jī)具設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國外機(jī)具設(shè)備的發(fā)展

20世紀(jì)70年代，日本最早開發(fā)了矩形頂管機(jī)，它最初出現(xiàn)的目的主要用來安裝矩形管道，可用于建造地下鐵道的區(qū)間、車站及水底隧道旁通道等。20世紀(jì)80年代后，世界各國掀起了開發(fā)異形斷面掘進(jìn)機(jī)的高潮，先后進(jìn)行了矩形隧道、橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及施工技術(shù)的試驗研究和工程應(yīng)用［4－6］。

目前，矩形頂管機(jī)械及工藝發(fā)展比較成熟的國家是日本。日本在20世紀(jì)80年代開發(fā)出了矩形隧道掘進(jìn)機(jī)，并應(yīng)用于多條人行隧道、公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道和排水隧道的施工中。地下管線共同溝的概念也起源于日本。1981年，名古屋和東京都采用4.29 m×3.09 m手掘式矩形盾構(gòu)掘進(jìn)了2條長分別為534 m和298 m的共同溝;名古屋還采用5.23 m×4.38 m的手掘式矩形盾構(gòu)掘進(jìn)1條長374 m的矩形隧道［7］。20世紀(jì)90年代，日本將遙控技術(shù)應(yīng)用到頂管法中，操作人員在地面控制室中通過閉路電視和各種儀表進(jìn)行遙控操作，對普遍采用人工開挖的頂管技術(shù)產(chǎn)生了重大革新。近30年來，日本率先研究開發(fā)了土壓平衡、泥水平衡頂管機(jī)等先進(jìn)頂管機(jī)頭和施工工法，并在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用［8］。

對于由圓形管道演變而來的矩形管道或者構(gòu)件的頂進(jìn)施工，在技術(shù)上被證明有很大的難度。根據(jù)施工經(jīng)驗，矩形截面管道和圓形截面管道的施工區(qū)別在于頂管機(jī)外形、切削方式及管道截面形狀。形成矩形截面通道的方式主要有3種類型［9］:1)采用圓形頂管機(jī)對工作面實(shí)行分步切削或者全斷面切削，管道的外部為圓形，內(nèi)部為矩形;2)頂管機(jī)外形為矩形，對工作面采用分步切削方式，管道外形與頂管機(jī)的斷面一致;3)頂管機(jī)外形為矩形，對工作面采用全斷面切削形式，管道外形與頂管機(jī)的斷面一致。

在日本采用管片拼裝法和頂管機(jī)配合使用，開發(fā)出2種典型的頂管施工工法［10］:DPLEX(Developing Parallel Link Excavating Shield Method)頂管施工法和Takenaka頂管施工法(由 Takenaka Ltd Company研發(fā))，前者為多軸偏心傳動頂管機(jī)，工作面上土層的切削是通過一個繞曲柄軸進(jìn)行偏心轉(zhuǎn)動的切削框架(或矩形切削刀盤)來實(shí)現(xiàn)(如圖2所示);后者為組合刀盤頂管機(jī)(如圖3所示)，主要用來施工矩形截面的地下管道或通道，第1階段借助常規(guī)圓形切削刀盤切削土層，第2階段通過安裝于切削刀盤后面的切削臂的鐘擺運(yùn)動或者小刀盤轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對圓形刀盤無法到達(dá)的部位的切削。近年來，為了更好地對工作面的土體進(jìn)行切削，日本研發(fā)了伸縮臂式刀盤仿矩形掘進(jìn)機(jī)，在刀盤轉(zhuǎn)動過程中，對于圓形刀盤切削不到的工作面在刀排中的特殊機(jī)構(gòu)會自動伸長切削臂進(jìn)行切削。

國外頂管設(shè)備的研發(fā)主要朝著全斷面切削、長距離頂進(jìn)和克服堅硬土質(zhì)甚至是巖石掘進(jìn)的方向發(fā)展，這樣更能增大頂管設(shè)備的地層適應(yīng)能力，同時也保證了在軟土層中進(jìn)行施工的動力儲備。

圖2 曲柄軸偏心轉(zhuǎn)動式矩形頂管機(jī)Fig.2 DPLEX(Developing Parallel Link Excavating Shield Method)

圖3 組合刀盤矩形頂管機(jī)Fig.3 Rectangular pipe jacking machine with combined cutter heads

3.2 國內(nèi)機(jī)具設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

2005年以來，隨著矩形頂管施工技術(shù)在我國研究應(yīng)用的不斷深入，國內(nèi)已經(jīng)有若干設(shè)備生產(chǎn)廠家能夠自主設(shè)計、生產(chǎn)矩形頂管設(shè)備［3］。從早期上海自行研制的土壓平衡矩形頂管機(jī)，到中期的2.2 m×2.2 m矩形頂管機(jī)(見圖4)，再到2014年最新研發(fā)的可用于長距離頂進(jìn)的全斷面切削矩形頂管機(jī)，外徑達(dá)7.5 m×10.4 m(見圖5)，是世界上最大斷面的矩形頂管機(jī)，代表著我國矩形頂管制造技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)。

圖4 2.2 m ×2.2 m矩形頂管機(jī)Fig.4 2.2 m ×2.2 m rectangular pipe jacking machine

圖5 全斷面切削矩形頂管機(jī)Fig.5 Full-face cutting rectangular pipe jacking machine

4 矩形頂管理論研究現(xiàn)狀

4.1 頂推力的研究進(jìn)展

目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)界并沒有形成專門用于矩形頂管隧道的頂推力研究理論體系，實(shí)際工程的設(shè)計計算主要是參考圓形頂管隧道的頂推力計算方法。2000年以前，有國外學(xué)者提出了頂力理論計算的2個假設(shè):挖掘面穩(wěn)定假設(shè)和管土全接觸假設(shè)。第1種假設(shè)由Haslem［11］提出，認(rèn)為在頂管頂進(jìn)過程中挖掘面是穩(wěn)定的，管道只在底部一定寬度的表面上滑動，并且這種接觸是彈性的，在其他部分由于挖掘面保持穩(wěn)定管土之間沒有接觸，因此，頂力主要由管道自重產(chǎn)生的摩擦阻力組成;而第2種假設(shè)由 O’Reilly和 Rogers［12］提出，認(rèn)為管道頂進(jìn)過程中管道周圍均與土體接觸，因此被周圍的土體加載，頂力土要用來克服由作用在管周的土壓力引起的摩擦阻力。這2種假設(shè)實(shí)際提出了2種不同的管土接觸狀態(tài)，這是頂力理論計算的前提。

2002年，Pellet等［13］結(jié)合法國國家微型隧道工程的9個頂進(jìn)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，研究了注漿潤滑、頂進(jìn)停頓、頂進(jìn)偏差和超切等參數(shù)對管周摩擦阻力的影響，并與規(guī)范中的經(jīng)驗法計算結(jié)果以及挖掘面穩(wěn)定假設(shè)和管土全接觸假設(shè)計算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明采用基于太沙基土壓力理論的管土全接觸假設(shè)在通常情況下與實(shí)際值具有較好的一致性。

2004年，Sofianos等［14］結(jié)合一項雅典市排水頂管工程，監(jiān)測了頂進(jìn)過程中的頂進(jìn)力變化，并對基于彈性解法的挖掘面穩(wěn)定假設(shè)和基于太沙基土壓力理論的管土全接觸假設(shè)進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，在頂進(jìn)的前段挖掘面比較穩(wěn)定，可以認(rèn)為管土之間只在管道底部接觸;但隨著頂進(jìn)距離的增加，頂進(jìn)荷載呈非線性增加，表明管土之間大面積的接觸，可能是由于頂進(jìn)偏差導(dǎo)致管頂和管側(cè)與土體接觸面積增加，并進(jìn)而引起摩擦阻力的增加。

2013年，熊翦［15］采用卸載拱理論分析了矩形頂管頂進(jìn)過程中矩形管節(jié)與周圍土體之間的相互作用，推導(dǎo)了矩形頂管頂進(jìn)過程中的頂力計算公式，并研究了影響矩形頂管頂力的因素。

上述關(guān)于頂推力的計算理論還不完善，基于管土全接觸的假設(shè)計算理論與實(shí)際較為相符，但是預(yù)測值偏低。

4.2 背土效應(yīng)機(jī)制及控制措施

頂進(jìn)過程中的背土現(xiàn)象是指:在頂進(jìn)過程中，由于矩形頂管機(jī)上面為幾乎水平，當(dāng)在頂管施工埋深較淺的情況下，上部土體的卸載拱作用相對不明顯，卸載拱高度以內(nèi)的土體在自重作用下坍塌覆于頂管機(jī)上表面，使得頂管機(jī)向前頂進(jìn)過程中受這部分土體摩阻力的影響較為明顯，土體在摩阻力反作用下會隨頂管方向發(fā)生壓縮變形或移動，就如同管道頂部背負(fù)著這部分土體移動一樣。

控制背土效應(yīng)常采用的技術(shù)措施是通過注漿降低管節(jié)及頂管機(jī)背部與土體之間的摩擦力。常用的頂管注漿潤滑材料有2類，一類是以膨潤土為主，另一類是以人工合成的高分子材料為主［1］。

4.3 工作面穩(wěn)定性評估

目前，矩形頂管的開挖面穩(wěn)定性理論研究較少，主要參考盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性來進(jìn)行。盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性評估側(cè)重于開挖面極限支護(hù)壓力的確定。國內(nèi)外學(xué)者在分析開挖面失穩(wěn)破壞模式的基礎(chǔ)上提出了許多計算模型。根據(jù)開挖面失穩(wěn)破壞機(jī)制，開挖面極限支護(hù)壓力的計算模型主要分為微細(xì)觀分析模型和宏觀力學(xué)分析模型，其中宏觀力學(xué)分析模型大體又分為塑性極限理論分析方法及基于倉筒理論的楔形體力學(xué)分析模型。

Broms等［16］最早提出了黏土中不排水開挖條件下的開挖面穩(wěn)定系數(shù)法。Anagnostou等［17］基于Horn提出的三維楔形體模型，考慮土壓平衡隧道開挖面前方土體地下水滲透作用，推導(dǎo)了相應(yīng)計算公式，以評估隧道開挖面穩(wěn)定性。Lecae等［18］采用極限上下限法，并改進(jìn)隧道開挖面前方土體破壞塊體形狀，得到了不同破壞模式下極限支護(hù)壓力理論上下解。Lee等［19－21］結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況考慮了地層滲流的影響，認(rèn)為滲流力的水平分量影響開挖面的穩(wěn)定，得出了維持盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定的上限解理論，從而大大推進(jìn)了頂管隧道工作面穩(wěn)定性的理論研究。

國內(nèi)的學(xué)者基于極限上限分析理論，通過考慮工作面的典型破壞模式以及圍巖體的速度場、極限支護(hù)壓力等參數(shù)，建立了頂管隧道施工條件下工作面的失穩(wěn)破壞模型，該模型可考慮包括隧道埋深、隧道直徑、土體黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響等因素，進(jìn)一步完善了工作面穩(wěn)定性的理論。

5 矩形頂管典型工程案例簡介

5.1 部分國外典型頂管工程

矩形頂管施工時頭部掘進(jìn)機(jī)具設(shè)備大多為土壓平衡型。表1列出了國外部分矩形頂管工程概況。

表1 部分國外頂管工程Table 1 Cases of pipe jacking projects in foreign countries

5.1.1 波士頓中央大道矩形頂管隧道工程

該隧道旨在連接美國2條主要洲際公路干線，并改善地表居住環(huán)境。隧道最淺埋深不到2 m;200年來由于該地區(qū)沒有進(jìn)行過統(tǒng)籌管理，管線、樁基等障礙物復(fù)雜多變;施工影響區(qū)一側(cè)是海港邊緣，地表有1條河道與8條鐵路線，每天總運(yùn)行車次多達(dá)400次，運(yùn)客量高達(dá)40 000人次。為了保證在鐵路不改線的前提下線路正常安全運(yùn)營，只有采用頂管施工更為安全可行，隧道管道為7 m×5 m的混凝土矩形斷面，圖6為頂管施工現(xiàn)場。

但將隧道矩形管推入地層中會引起鐵路路基及鐵軌沉降，因此在鐵軌周圍及中間將鐵管打入地下，并通入循環(huán)冷凍鹽水(溫度保證在0℃以下)。鹽水冷凍加固地層如圖7所示。幾周之后地層冷凍，開挖過程不會出現(xiàn)沉降，雖有稍許膨脹但在控制范圍之內(nèi)。針對冷凍地層，在頂管前方采用巨臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行土方挖掘并用吊車運(yùn)出地面。隧道矩形管通過2套液壓推進(jìn)器進(jìn)行推進(jìn)。

圖6 頂管施工現(xiàn)場Fig.6 Pipe jacking site

圖7 鹽水冷凍加固地層區(qū)域(白色虛線標(biāo)注)Fig.7 Zones reinforced by freezing method(marked by white dashes)

該工程在2004年順利完成了113 m的全斷面隧道施工，在不改變地表鐵路原運(yùn)行路線、不干擾鐵路正常運(yùn)營的前提下，完成了35 000 t的土方挖掘。

5.1.2 印尼哥打市(KOTA)箱型頂管人行隧道工程

該隧道跨越2條街道，東側(cè)與火車站相連接，西側(cè)與汽車站及博物館相連接。人流量為2 600人/h，車流量為2 400輛/h。地面交通通行壓力大，因此安全性要求較高，另外土層中廣布管線，不能進(jìn)行移除和改遷。地下水位為地下1～3 m。隧道所處地層類型(8～9 m)為軟灰色黏土和粉性砂，錐體貫入阻力為0.2～0.5 MPa。頂管人行隧道位置及周邊環(huán)境如圖8所示。普通隧道施工方案無法滿足要求，因此采取矩形頂管法進(jìn)行施工。最終采取的結(jié)構(gòu)設(shè)計為從雙向進(jìn)行混凝土頂管隧道施工，東段長24 m，西段長21 m。兩端隧道高4.95 m，寬10.10 m。該工程于2005年8月完工。

在施工過程中，由于頂管承載路面交通荷載過大，地層較軟，為了預(yù)防產(chǎn)生較大沉降，經(jīng)過計算，減小頂管的推進(jìn)荷載并改變最初設(shè)計方案，由原來與頂管平行方向鋪設(shè)鋼梁設(shè)計改為垂直頂管鋪設(shè)鋼梁減小地面交通作用在頂管上的直接荷載。

頂管推進(jìn)過程中會出現(xiàn)大約傾向角度0.9%的沉降。因此，隧道入口處頂管澆筑場地必須盡可能保持平整，避免因場地初期下沉造成后期頂推沉降傾向;必須保證在頂推荷載下，頂管澆筑場地不會出現(xiàn)下沉。入口處澆筑場地采用深基礎(chǔ)進(jìn)行加固，并運(yùn)用強(qiáng)夯管樁提供更強(qiáng)的水平承載力;頂推三段管道依照次序逐一頂進(jìn)，為保持其整體一致性，相互之間必須采用預(yù)壓的錨固裝置。頂推示意圖如圖9所示。

圖8 頂管人行隧道位置及周邊環(huán)境圖Fig.8 Location of pedestrian tunnel constructed by pipe jacking method and its surrounding environment

圖9 管節(jié)頂推示意圖(單位:mm)Fig.9 Sketch of pipe jacking(mm)

5.2 近期部分國內(nèi)典型頂管工程

5.2.1 國內(nèi)部分頂管工程概況，如表2所示。

表2 部分國內(nèi)頂管工程Table 2 Cases of pipe jacking projects in China

5.2.2 武漢地鐵2號線王家墩東站Ⅳ號出入口工程［22］

武漢地鐵2號線王家墩東站Ⅳ號出入口位于車站東北部，下穿青年路與青年路高架橋。青年路與建設(shè)大道均為武漢市主干路中最重要的交通干道之一，人流、車流量相當(dāng)大，且通道所在范圍地下管線較密集，主要有給水、電力、電信及煤氣等管線，且有較大的排水箱涵(7 m×2.7 m)等，根據(jù)現(xiàn)場地形條件，采用矩形頂管法施工，管節(jié)尺寸為4 m×6 m，如圖10所示。施工設(shè)備為偏心多軸土壓平衡式矩形頂管機(jī)，頭部設(shè)有2個3 m×3.5 m的大刀盤(由8根偏心軸驅(qū)動)、16個糾偏千斤頂、2個螺旋出土機(jī)和主頂進(jìn)裝置等設(shè)備。頂管自東往西推進(jìn)，通道總長約62.4 m，覆土厚度約為5.9 m，坡度+3‰推進(jìn)。管節(jié)接口全部采用“F”型承插式，接縫防水裝置采用鋸齒型氯丁橡膠止水圈和雙組份聚硫密封膏，充分防止管節(jié)結(jié)合部的滲漏水。

圖10 管節(jié)示意圖(單位:mm)Fig.10 Dimensions of pipe(mm)

針對過水箱涵斷面大，汛期水位高，與矩形頂管相交距離長，垂直間距小，再加上其建造年代久遠(yuǎn)，運(yùn)營時間長，無法掌握其破損情況及穩(wěn)定狀態(tài)，因此頂管頂進(jìn)過程中對其的保護(hù)難度極大。后采用:

1)在箱涵前端1.5 m位置設(shè)置2排泄壓孔。泄壓孔直徑600 mm，中心間距1 m，深度5 m，設(shè)置在頂進(jìn)軸線兩側(cè)各5 m范圍。泄壓孔采用小型鉆機(jī)施工，成孔后孔內(nèi)灌水至地面標(biāo)高。當(dāng)頂進(jìn)壓力過大時，可避免壓力直接作用到箱涵上。

2)在箱涵的前端、中部和后端各設(shè)置1排直接監(jiān)測點(diǎn)，頂進(jìn)時根據(jù)箱涵沉降情況及時調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)。

該隧道以平均4.5 m/d，最高6 m/d的進(jìn)度頂進(jìn)，僅用22 d，在2012年6月就完成了整個頂管施工。

6 矩形頂管當(dāng)前面臨的難題

矩形頂管技術(shù)在我國還處于發(fā)展推廣階段，在頂進(jìn)設(shè)備方面吸收學(xué)習(xí)了國外較為先進(jìn)的設(shè)計制造經(jīng)驗，加之國內(nèi)相關(guān)研究、生產(chǎn)機(jī)構(gòu)的摸索開發(fā)，矩形頂管設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)取得了較大進(jìn)展，所生產(chǎn)的矩形頂管機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備能夠滿足國內(nèi)矩形頂管施工的要求。在施工技術(shù)方面，矩形頂管與圓形頂管有相通之處，施工環(huán)節(jié)的各個階段可以互相借鑒采用。但是，由于自身的特殊性，矩形頂管施工技術(shù)在實(shí)施過程中也會有需要重點(diǎn)考慮和解決的問題。歸納起來，其主要有以下3個方面。

6.1 理論方面

1)國內(nèi)外學(xué)者對管土相互作用的研究大都以管道的軸向受力和頂管施工引起的土體變形作為關(guān)注重點(diǎn)，對結(jié)合頂管施工特點(diǎn)對管道的橫、縱向受力的研究不夠深入。

2)國內(nèi)外學(xué)者對注漿過程中漿液、管道、土體三者之間的相互作用機(jī)制缺乏深入的了解，在計算頂推力的過程中，采用減摩泥漿的情況下，既有的計算公式結(jié)果偏大，主要體現(xiàn)在注入減摩泥漿后的摩阻因數(shù)會減小，因此注入減摩泥漿后的摩阻因數(shù)的確定有待進(jìn)一步研究。

3)目前的理論研究著重于頂管施工過程中的地面變形，而對頂管施工中管道力學(xué)特性和施工后直至土體最終穩(wěn)定的長期移動缺少深入的研究。

4)毫無疑問，用于各類巖土和結(jié)構(gòu)工程中的數(shù)值計算方法，同樣適用于矩形頂管施工過程中一些規(guī)律性的變化趨勢和關(guān)鍵影響因索的研究，并為施工現(xiàn)場提供指導(dǎo)性建議，優(yōu)化頂管施工工藝環(huán)節(jié)。但由于國內(nèi)工程不多，算例較少，模型中的一些參數(shù)，尤其是土力學(xué)模型參數(shù)的取值不易符合工程實(shí)際。因此，目前數(shù)值方法尚不能成為很準(zhǔn)確的計算方法。

6.2 設(shè)計方面

迄今為止，我國還沒有專門針對矩形頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范出臺，矩形頂管工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計是參考了《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》。目前矩形頂管工程采用的規(guī)范主要是《頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范(試行)》［23］、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》［24］和《CECS 145—2002給水排水工程埋地矩形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》［25］。設(shè)計理論主要是沿用了圓形頂管的設(shè)計思路。為了更好地指導(dǎo)大型矩形隧道頂管施工的設(shè)計及施工，需要規(guī)范和統(tǒng)一矩形管節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計法規(guī)。

6.3 施工方面

1)頂管掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時易引起機(jī)頭背土，加劇對土體擾動和流失，嚴(yán)重時會造成地面塌陷和管線破壞。

2)機(jī)頭頂進(jìn)時頂力及扭矩大，頂管機(jī)姿態(tài)難以控制。

3)刀盤切削面積大，對土層的擾動范圍大，易造成地面及管線沉降，控制難度大。

4)小間距頂進(jìn)時，頂進(jìn)過程中產(chǎn)生的側(cè)壓力不僅會對鄰近已成型通道產(chǎn)生影響，引起相鄰管節(jié)發(fā)生變形和位移，甚至造成破壞，而且已成型通道四周土體受相鄰頂管頂進(jìn)施工時再次擾動，易引起地面及管線沉降疊加，造成周邊環(huán)境破壞。

7 結(jié)論與討論

1)矩形頂管技術(shù)可廣泛應(yīng)用于城市下立交、地下快速路主線及其匝道、過街人行通道和地下管線共同溝、小區(qū)地下車庫等地下空間利用項目，甚至可以期待通過一些輔助措施，實(shí)現(xiàn)地鐵車站本體的非開挖建設(shè)。

2)矩形頂管技術(shù)面臨著一些問題，理論研究與設(shè)計規(guī)范的不足，施工帶來的不良影響，都制約著矩形頂管技術(shù)的發(fā)展，也是以后需要解決的問題。

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