矩形頂管技術(shù)發(fā)展與研究現(xiàn)狀

摘 ?要：隨著工程技術(shù)的逐步推進(jìn)，當(dāng)前現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)擁有了更加先進(jìn)的技術(shù)體系，本文結(jié)合矩形頂管施工技術(shù)，首先分析了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其次闡述了國(guó)內(nèi)矩形頂管技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后闡述了在當(dāng)前現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，矩形頂管技術(shù)施工以及發(fā)展過(guò)程中遇到的難題，意在通過(guò)本文論述，為該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大斷面;矩形頂管;研究現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)：U231.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）05-0000-00

隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)需求的提升，傳統(tǒng)的施工技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前的多樣化施工需求，因此，在盡量減少對(duì)地表開(kāi)挖程度的基礎(chǔ)上，矩形頂管施工法已經(jīng)成為當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中應(yīng)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(shí)降低對(duì)地表形態(tài)的破壞，因此充分研究矩形頂管技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，探究當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，并且理清發(fā)展難題，對(duì)于矩形頂管技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新有著積極的促進(jìn)作用。

1頂管工藝發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)

矩形頂管技術(shù)首次出現(xiàn)是在1892年，而首次將矩形頂管技術(shù)應(yīng)用在混凝土管道建設(shè)中的項(xiàng)目是在1957年的德國(guó)[1]，該項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)成為眾多建筑學(xué)者熱議的話題，同時(shí)也成為了社會(huì)發(fā)展中的主流技術(shù)，此后針對(duì)頂管施工技術(shù)進(jìn)行了大范圍的技術(shù)創(chuàng)新，如在1972年，日本首先研發(fā)了一套以先導(dǎo)式掘進(jìn)機(jī)為主的隧道挖掘技術(shù)，并且利用頂管施工結(jié)構(gòu)中的千斤頂實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的頂進(jìn)控制體系。

該項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)60年代中期傳入我國(guó)，上海某企業(yè)針對(duì)當(dāng)時(shí)的大口徑機(jī)械式頂管進(jìn)行了試驗(yàn)研發(fā)，建立在中繼站的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離的頂管施工推進(jìn)，最大距離達(dá)到了120 m[2]。

當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)代化矩形頂管技術(shù)的發(fā)展，得益于傳統(tǒng)的矩形掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展，以及建立在優(yōu)化的圓形頂管技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。在20世紀(jì)90年代后，我國(guó)才真正的將頂管施工技術(shù)向矩形頂管施工方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型。

從傳統(tǒng)的圓形頂管施工技術(shù)和當(dāng)前使用的矩形頂管施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)角度來(lái)看，矩形頂管施工技術(shù)能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)斷面的利用價(jià)值，較傳統(tǒng)的頂管隧道能夠節(jié)約大量的空間。

2矩形頂管施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1機(jī)具設(shè)備

21世紀(jì)初期，矩形頂管技術(shù)在我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了深入研發(fā)和應(yīng)用，當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)具備了能夠獨(dú)立生產(chǎn)矩形頂管施工設(shè)備的廠家。整體的矩形頂管施工機(jī)具從最原始的由上海對(duì)自行研發(fā)的土壓平衡矩形頂管機(jī)進(jìn)行性能和外觀結(jié)構(gòu)上的升級(jí)，發(fā)展到形成了2.2 m×2.2 m的矩形頂管機(jī)，同時(shí)隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增長(zhǎng)，至2004年矩形頂管機(jī)具具有了長(zhǎng)距離推進(jìn)的新性能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)全斷面切削功能，機(jī)具的外徑已經(jīng)達(dá)到了10.4 m×7.5 m，成為了當(dāng)前世界上能夠?qū)崿F(xiàn)最大斷面施工的矩形頂管機(jī)具。

2.2理論研究

2.2.1頂推力

針對(duì)矩形頂管應(yīng)用過(guò)程中的頂推力研究，始于2004年雅典的某排水工程，相關(guān)研究人員在彈性解法的基礎(chǔ)上，分析了頂管運(yùn)作過(guò)程中挖掘面的穩(wěn)定性以及太沙基土壓力理論。并且在分析的過(guò)程中，研究了頂管運(yùn)作期間的穩(wěn)定性，表明了前段挖掘面的穩(wěn)定性較強(qiáng)，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(shè)備頂進(jìn)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(dǎo)致摩擦阻力的提升，由此增加了頂推力。

在2013年，國(guó)內(nèi)的研發(fā)人員在卸載拱理論的基礎(chǔ)上，研究了矩形頂管在運(yùn)作過(guò)程中的關(guān)節(jié)以及周邊土體之間的相互作用力[3]。并且定位了頂力計(jì)算的運(yùn)行公式，借助公式中的變量因素研究了當(dāng)前能夠影響矩形頂管施工技術(shù)應(yīng)用的多項(xiàng)因素。這為頂推力的管控奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2.2背土效應(yīng)

背土效應(yīng)主要產(chǎn)生于埋深較淺的工程中，由于矩形頂管施工的位置較淺，機(jī)具上方的土體自身的卸載作用不夠明顯，導(dǎo)致在下方管道行進(jìn)過(guò)程中，土體下落從而堆積在機(jī)具上方表面，當(dāng)堆積量達(dá)到一定數(shù)值之后，便會(huì)影響頂管機(jī)的頂進(jìn)作業(yè)，因此產(chǎn)生較大的摩擦阻力，同時(shí)當(dāng)這些摩擦阻力積累到一定程度后，會(huì)隨著頂管的作業(yè)方向進(jìn)行反向推移，從而導(dǎo)致頂管的表面或者上方土體出現(xiàn)持續(xù)性的變形和坍塌情況。

因此為了有效解決背土效應(yīng)對(duì)矩形管產(chǎn)生的影響，當(dāng)前通常利用注漿的方式來(lái)降低設(shè)備和周?chē)鷰r土結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生的摩擦力，當(dāng)前使用的注漿材料主要為膨潤(rùn)土，同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)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(yīng)對(duì)施工的影響。

2.3工作面穩(wěn)定性

當(dāng)前我國(guó)部分學(xué)者在分析極限上限理論的基礎(chǔ)上，考量了矩形頂管運(yùn)行工作面受破壞的基礎(chǔ)模式，結(jié)合巖體速度場(chǎng)、支護(hù)壓力等參數(shù)構(gòu)建了失穩(wěn)破壞模型，模型中涉及到了隧道埋深、直徑、周?chē)馏w的黏聚力、摩擦角等因素，從而為提升工作面穩(wěn)定性提供了研究依據(jù)。

3矩形頂管應(yīng)用發(fā)展問(wèn)題

3.1理論方面

當(dāng)前針對(duì)矩形頂管技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的本土相互作用的研究還存在著一定局限性，當(dāng)前大部分的研究主要以管道在運(yùn)行過(guò)程中的軸向受力以及土體變形為主，針對(duì)在作業(yè)過(guò)程中對(duì)管道形成的橫向和縱向綜合受力研究還不夠深入。另外當(dāng)前部分學(xué)者針對(duì)作業(yè)過(guò)程中的注漿工序研究也存在薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)管道、漿液以及涂鐵這三個(gè)部分之間的相互作用機(jī)制，還未能形成科學(xué)系統(tǒng)的理論體系。通常建立在減磨泥漿的基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算運(yùn)行過(guò)程中的頂推力，這導(dǎo)致計(jì)算公式的結(jié)果較大，注漿后的磨阻因數(shù)隨之減小，因此在定位注入結(jié)膜泥漿之后所產(chǎn)生的相關(guān)因數(shù)還需要深入研究。

另外當(dāng)前部分針對(duì)矩形頂管技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的理論研究以地面形變?yōu)橹?，而針?duì)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的管道力學(xué)性能改變以及土體穩(wěn)定性的研究，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，另外，在管道竣工并且投入使用之后，土體以及管道的力學(xué)性能會(huì)隨著使用周期的變化而進(jìn)行變化，針對(duì)這一方面的研究目前也還處于初級(jí)階段。

而產(chǎn)生這些現(xiàn)狀的主要因素在于當(dāng)前矩形頂管施工技術(shù)在我國(guó)的工程應(yīng)用案例較少，尚未完全普及，因此針對(duì)某些參數(shù)設(shè)計(jì)以及模型研究，還缺少具備客觀性的參考依據(jù)。

3.2設(shè)計(jì)方面

另外在設(shè)計(jì)角度，我國(guó)當(dāng)前針對(duì)矩形頂管的部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還未形成統(tǒng)一的規(guī)范，當(dāng)前大部分的生產(chǎn)商在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，往往是以公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范以及傳統(tǒng)的圓形頂管施工結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，沿用以前的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)也在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷結(jié)合應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，這種建立在逐步實(shí)踐基礎(chǔ)上形成的設(shè)計(jì)體系存在部分缺陷，因此為了進(jìn)一步提升矩形頂管施工技術(shù)的科學(xué)性和有效性，還需要針對(duì)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行重點(diǎn)研究。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于矩形頂管技術(shù)具備極強(qiáng)的施工應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此能夠充分融合在當(dāng)前的地下空間建設(shè)以及隧道建設(shè)中，能夠進(jìn)一步提升工程的施工進(jìn)度，同時(shí)隨著矩形頂管施工技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀的不斷推進(jìn)，在解決當(dāng)前既有問(wèn)題的同時(shí)，也需要結(jié)合可能出現(xiàn)的影響因素落實(shí)預(yù)見(jiàn)性研究，以進(jìn)一步提升矩形頂管施工技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和設(shè)備性能，落實(shí)技術(shù)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新，以此滿(mǎn)足當(dāng)前的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求，從而為矩形頂管的未來(lái)發(fā)展奠定良好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2019.

[2]葛金水，沈水龍，許燁霜.現(xiàn)代頂管施工技術(shù)及工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2019.

[3]葛春輝.頂管工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.

收稿日期：2020-04-04

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)學(xué)光（1982—），男，彝族，云南永平人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：工程技術(shù)和項(xiàng)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