矩形頂管關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討

馬 鵬，島田英樹，馬保松, *，黃 勝，周 浩

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.九州大學(xué)地球資源工程學(xué)院，日本 福岡 8190395)

0 引言

隨著地下隧道、地下車站、地下綜合體等重點(diǎn)地下工程項(xiàng)目的建設(shè)，我國城市地下空間日趨擁擠。因此，探討在緊湊、擁擠的城市地下區(qū)域構(gòu)筑新基礎(chǔ)設(shè)施的方法具有重要意義。矩形頂管法是一種以非開挖形式構(gòu)筑大型地下空間的暗挖施工技術(shù)，相對(duì)于明挖及盾構(gòu)等地下空間施工方法，具有綜合成本低、交通干擾小、環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，尤其在穿越交通干線、水體、地上及地下構(gòu)筑物密集區(qū)的市政工程領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。與圓形斷面相比，矩形斷面具有較高的空間利用率、較小的土方開挖量，且后期運(yùn)營和維護(hù)相對(duì)容易，在地下通道、綜合管廊、雨水管渠、地下物流通道、地下設(shè)施聯(lián)絡(luò)通道、地下停車場、地鐵車站及應(yīng)急通道等地下空間開發(fā)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力[1-3]。

需要說明的是，盾構(gòu)法和頂管法都是地下隧道暗挖施工的關(guān)鍵方法，但兩者之間存在顯著差異。頂管法是在計(jì)劃管道路線的兩端設(shè)置始發(fā)井和接收井，在安裝有頂推設(shè)備的始發(fā)井內(nèi)借助液壓千斤頂將掘進(jìn)機(jī)頂入預(yù)定土體，并在始發(fā)井依次拼接預(yù)制管節(jié)至掘進(jìn)機(jī)后，通過頂推預(yù)制管節(jié)使得掘進(jìn)機(jī)到達(dá)接收井并形成以預(yù)制管節(jié)支撐周圍土體的隧道施工方法。與盾構(gòu)法相比，最顯著的區(qū)別在于支撐土體的預(yù)制管節(jié)在始發(fā)井內(nèi)拼接后，隨著隧道掘進(jìn)而整體向前移動(dòng)，而非在掘進(jìn)機(jī)后以原位拼裝方式進(jìn)行逐塊管片拼接。因此，頂管法與盾構(gòu)法對(duì)地層的擾動(dòng)機(jī)制有顯著差異。頂管法既要考慮掘進(jìn)過程中開挖面的土體擾動(dòng)，還需考慮后續(xù)管節(jié)移動(dòng)中管-土-漿液相互作用及其對(duì)周圍土體產(chǎn)生的附加影響。掘進(jìn)裝備方面，頂管法和盾構(gòu)法主要以密閉式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行土體開挖，并通過土壓平衡、泥水平衡以及泥濃法等方式維持開挖面穩(wěn)定，兩者之間沒有本質(zhì)的區(qū)別；從隧道斷面形狀來看，頂管和盾構(gòu)隧道的常規(guī)斷面形狀都為圓形，但都具備馬蹄形、矩形等異形斷面隧道的施工能力，與掘進(jìn)機(jī)切削系統(tǒng)和輪廓設(shè)計(jì)有關(guān)；從工法適應(yīng)性及綜合成本的角度看，盾構(gòu)法適用于長距離的大型隧道工程，而頂管法在短距離及小斷面隧道方面有明顯的成本優(yōu)勢。但近些年來，頂管法施工的隧道斷面尺寸呈快速增大趨勢，其中，大斷面矩形頂管工程發(fā)展極為迅速。本文將圍繞矩形頂管技術(shù)展開綜述。

目前，學(xué)者們對(duì)矩形頂管技術(shù)的研究主要集中在以下5個(gè)方面：1)頂推力模型預(yù)測及修正，包括基于管-土接觸狀態(tài)的摩阻力計(jì)算及減阻技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用；2)背土效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制及其控制方法；3)矩形頂管施工中地表響應(yīng)機(jī)制及沉降控制對(duì)策，包括地表沉降預(yù)測、超挖及注漿壓力等施工參數(shù)對(duì)地表變形的影響等；4)工作面穩(wěn)定性分析，包括矩形開挖斷面的失穩(wěn)機(jī)制及評(píng)估方法；5)矩形斷面的開挖方法及配套裝備的設(shè)計(jì)和開發(fā)，包括矩形掘進(jìn)機(jī)的刀盤布置形式以及基于復(fù)雜地層、大斷面、長距離等特殊施工場景下新型矩形掘進(jìn)機(jī)及頂進(jìn)工藝的研發(fā)等。彭立敏等[4]、賈連輝[5]于2015年前后分別對(duì)矩形頂管法的技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了較為全面的回顧和總結(jié)。近些年來，矩形頂管法在國內(nèi)外取得了一系列重大技術(shù)進(jìn)展，尤其在新型裝備研發(fā)、超大規(guī)模工程應(yīng)用等領(lǐng)域有了新的突破。因此，有必要對(duì)當(dāng)前矩形頂管法研究的最新進(jìn)展進(jìn)行再次總結(jié)，為推動(dòng)國內(nèi)矩形頂管技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)和發(fā)展做好技術(shù)鋪墊。

基于上述矩形頂管法的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，本文從矩形頂管技術(shù)的歷史演進(jìn)過程、頂推力評(píng)估、背土效應(yīng)發(fā)生機(jī)制和控制對(duì)策、地層響應(yīng)機(jī)制及沉降預(yù)測、工作面的穩(wěn)定性和裝備研發(fā)等層面，對(duì)國內(nèi)外矩形頂管在理論、技術(shù)及裝備領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 矩形頂管工法綜述

1.1 工法起源

現(xiàn)代矩形頂管技術(shù)首先在日本和歐洲得到了應(yīng)用，早期的案例可追溯到1960年日本神戶市下穿急行電鐵神戶線的一條砂土運(yùn)輸通道，該工程首次將現(xiàn)場澆筑的內(nèi)幅為2.3 m×1.8 m箱涵通過后置液壓千斤頂推進(jìn)了15 m，并在箱涵前端安裝了鋼制工作空間來保護(hù)手掘工人的安全，同時(shí)起到了控制土體變形的作用。在此基礎(chǔ)上，日本又開發(fā)了頂推和牽引相結(jié)合的矩形推進(jìn)工法，并于1965年首次應(yīng)用在東京中央線荒井宿道橋下，將外寬4.2 m、外高4.8 m、長8 m的箱體及附屬結(jié)構(gòu)安裝到位。此外，1967年，采用類似的頂推牽引工法在信越線鐵道下方路堤填土內(nèi)敷設(shè)了一條外寬3.5 m、外高4.0 m、長15 m的矩形通道。歐洲方面，英國于1967年在?？巳厥幸粭l主干線的小橋下采用頂推方式成功鋪設(shè)了4.5 m寬的橋臺(tái)，隨后在倫敦近郊進(jìn)行了大規(guī)模的應(yīng)用，并開發(fā)了現(xiàn)澆矩形管涵的頂推工藝和配套裝備。同時(shí)期，德國在頂管裝備領(lǐng)域取得了明顯進(jìn)展，并在科隆近郊的某建筑物下頂推了跨度達(dá)36 m的箱涵通道。美國早在1896年就在北太平洋鐵路下通過頂推方式安裝了混凝土涵洞，但該方法直到20世紀(jì)80年代才在美國加利福尼亞州的鐵路及公路下穿工程中再次得到了應(yīng)用，發(fā)展相對(duì)滯后。矩形頂管技術(shù)于20世紀(jì)90年代引入中國，魏綱[6]等學(xué)者對(duì)其在國內(nèi)的發(fā)展進(jìn)行了細(xì)致的闡述，此處不再贅述。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)演化

根據(jù)矩形頂管技術(shù)的發(fā)展歷程，可將其歸納為3個(gè)發(fā)展階段：技術(shù)起步階段(20世紀(jì)60—70年代)、以開放式工作面為主的技術(shù)發(fā)展期(20世紀(jì)70—90年代)、以密閉式矩形掘進(jìn)機(jī)為主體的新技術(shù)開發(fā)期(20世紀(jì)90年代至今)。

1.2.1 技術(shù)起步階段(20世紀(jì)60—70年代)

起步階段的矩形頂管法是在圓形頂管的工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)探索，表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：1)普遍采用敞開式工作面，對(duì)地層穩(wěn)定性要求高，以手掘或者局部機(jī)械方式開挖土體；2)頂進(jìn)距離較短(最大為100 m)，斷面由小到大，通過現(xiàn)場澆筑和工廠預(yù)制2種方法加工箱涵；3)應(yīng)用場景主要局限在鐵道和公路下穿領(lǐng)域。但該階段的案例表明，頂管暗挖施工顯著減少了對(duì)道路及鄰近構(gòu)筑物的影響，降低了工程成本[7]，并實(shí)現(xiàn)了大跨度地下空間的靈活構(gòu)筑[8]。彭立敏等[4]對(duì)該階段頂管工法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

1.2.2 技術(shù)發(fā)展期(20世紀(jì)70—90年代)

進(jìn)入20世紀(jì)70年代，隧道掘進(jìn)技術(shù)在裝備及工藝上的突破為矩形頂管技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[9]。作為非開挖施工方法，工作面的開挖形式及其穩(wěn)定性控制方法是技術(shù)演進(jìn)的關(guān)鍵。具體來看，紐約和漢堡于1910年首先在地下水位線以下松散地層的隧道工程中，采用了壓縮空氣方法來維持手掘工作面的穩(wěn)定[10]；1964年，日本最先開發(fā)出了泥水平衡掘進(jìn)機(jī)來平衡開挖面的水土壓力，并實(shí)現(xiàn)了開挖面的密閉和機(jī)械挖掘，為突破長距離頂管打下了基礎(chǔ)，德國在1976年開發(fā)出了具有類似功能的泥水平衡掘進(jìn)機(jī)；此后，為解決泥水平衡頂管中的泥漿滲漏和地表變形等問題，日本于1976年率先開發(fā)了土壓式掘進(jìn)機(jī)；1981年，為應(yīng)對(duì)復(fù)雜地層的暗挖工程，一種結(jié)合了泥水平衡及土壓平衡2種工法優(yōu)點(diǎn)的泥濃式掘進(jìn)機(jī)被研發(fā)出來，并快速成為日本圓形頂管領(lǐng)域的主流掘進(jìn)機(jī)(占比60%以上)。隨著上述土體開挖和穩(wěn)定技術(shù)的突破，此階段，圓形頂管的頂進(jìn)長度增加和地層適應(yīng)性顯著增強(qiáng)，也為矩形頂管裝備的研發(fā)提供了借鑒。具體的技術(shù)演化過程如圖1所示。

圖1 工作面開挖方式及穩(wěn)定性控制技術(shù)演化

矩形掘進(jìn)機(jī)由于切割結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，直到1989年才在日本被開發(fā)出來。當(dāng)時(shí)矩形頂管以敞開式工作面為主要特征，通過頂進(jìn)及牽引相配合的矩形推進(jìn)工法得到了廣泛應(yīng)用。其中，代表性工程包括英國在M1高速公路15A號(hào)交界處安裝的尺寸為14 m×8.2 m×45 m(寬×外高×長)的下穿通道(D.Allenby)，該工程采用了新型的防拖拽技術(shù)控制摩阻力。頂進(jìn)距離方面，南非德班的一條鐵路線下施工了斷面為7.9 m×4.4 m×158.5 m(寬×外高×長)的頂進(jìn)隧道，為早期長距離箱涵頂推的代表。美國在大斷面淺覆土等復(fù)雜條件下，首次采用了凍結(jié)法穩(wěn)定土體及工作面，并將其應(yīng)用于2004年完工的波士頓地下快速道路工程中，該技術(shù)進(jìn)一步拓寬了矩形頂管法的適用場景，使頂進(jìn)的最大斷面達(dá)到了23.78 m×11.59 m，最大頂進(jìn)長度為109.45 m。日本在工法多樣性方面有多處創(chuàng)新，例如：在1980年開發(fā)的ESA(endless self advancing method)工法，通過并排推進(jìn)3個(gè)及以上的箱涵，利用錯(cuò)序頂推的方法使得相鄰管節(jié)相互依托并以反作用力方式實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。這種類似于芥尺蟲前進(jìn)的方法降低了對(duì)反力墻的依賴，并于1996年應(yīng)用于21.6 m×7.8 m×279.5 m(外寬×外高×長)的寶來隧道等多個(gè)頂推工程。具體來看，該階段的工程實(shí)踐為頂推工法向密閉式掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1.2.3 新技術(shù)開發(fā)期(20世紀(jì)90年代至今)

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，矩形頂管迎來了密閉式機(jī)械掘進(jìn)的快速發(fā)展期。目前，主要的矩形斷面及類矩形斷面的切削方法及其裝備主要來自日本和中國，本文將基于矩形掘進(jìn)機(jī)的切削機(jī)制類型對(duì)矩形頂管掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行介紹。

1.3 潛在應(yīng)用場景

隨著矩形密閉式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展，矩形頂管法的應(yīng)用場景逐步增加。國內(nèi)學(xué)者對(duì)矩形頂管工法的適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)估[11]，但近年來，我國大城市逐步進(jìn)入了大深度地下空間開發(fā)利用的新時(shí)期，提出了地下停車場、地下物流、地下公共設(shè)施互聯(lián)互通、地下倉儲(chǔ)等新型應(yīng)用場景；同時(shí)，日本等發(fā)達(dá)國家也處于大深度地下空間開發(fā)的關(guān)鍵期。值得留意的是，日本圓形頂管在新型應(yīng)用場景中的市場開始收縮，而矩形頂管的需求正在逐步提高。

基于此，本文結(jié)合我國地下設(shè)施開發(fā)現(xiàn)狀以及其他國家的應(yīng)用情況，將目前及未來一段時(shí)間內(nèi)矩形頂管法的在我國主要的應(yīng)用場景羅列如下：1)鐵路、公路下穿通道施工；2)雨水涵/污水涵、綜合管廊、電力/通訊/地下設(shè)備及物流通道等矩形斷面空間的開發(fā)建設(shè)；3)地下人行通道，如連接地下車站的旅客引道和電梯通道；4)與地鐵站相連出入口及疏散通道；5)交通繁忙的路口、學(xué)校門口等易發(fā)生事故地點(diǎn)的穿越通道；6)道路兩側(cè)大型建筑物的地下聯(lián)絡(luò)通道；7)地下工程中的輔助性工作通道; 8)鐵路及相關(guān)交叉點(diǎn)的下穿工程；9)要求結(jié)構(gòu)剛度更高的矩形管幕工程；10)保護(hù)地下構(gòu)筑物的矩形托底支護(hù)工程; 11)以已有隧道作為始發(fā)的矩形空間開發(fā)工程; 12)隧道之間的矩形聯(lián)絡(luò)道工程；13)已有隧道的擴(kuò)建工程；14)矩形頂管施作地下連續(xù)墻。

另外，隨著矩形頂管技術(shù)的發(fā)展，還可能有新的場景產(chǎn)生。

2 矩形頂管頂推力計(jì)算的研究進(jìn)展

頂推力是頂管技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，主要由管節(jié)頂推過程中管-土接觸阻力和開挖面的迎面土壓力2部分組成，如圖2所示。頂推力計(jì)算對(duì)反力墻設(shè)計(jì)、管節(jié)壁厚及配筋等結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)、中繼間的位置和數(shù)量配置等環(huán)節(jié)至關(guān)重要。目前，頂推力評(píng)估是將管周摩阻力和開挖面土壓力分別計(jì)算，其中，摩阻力計(jì)算部分由于管土接觸狀態(tài)的不確定性，依然存在諸多分歧，是準(zhǔn)確計(jì)算頂推力的關(guān)鍵。因此，本文將對(duì)近些年來摩阻力的計(jì)算理論及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行闡述。從計(jì)算方法分類來看，摩阻力的計(jì)算主要包括：1)基于管土接觸狀態(tài)及土壓力分布模型的理論分析法，其中部分參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)取值方法確定；2)以歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)的反演計(jì)算方法并輔以實(shí)驗(yàn)室測試；3)以位移法為主的數(shù)值模擬方法。其中，理論分析和反演計(jì)算方法的研究更受關(guān)注。

FA為頂推力；F0為開挖面土壓力；Froof-fric為矩形管線頂部摩阻力；Ffloor-fric為矩形管線底部摩阻力；為掘進(jìn)機(jī)側(cè)施加的開挖面土壓力。

2.1 管-土接觸模型

建立管-土接觸模型是摩阻力計(jì)算的前提，因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)頂管工程中的管-土接觸模型進(jìn)行了廣泛研究。根據(jù)學(xué)者對(duì)圓形頂管的管-土接觸模型進(jìn)行總結(jié)[4]，大致上可將其歸納為3種類型：1)管-土全接觸模型；2)管-土部分接觸模型，包括管底接觸及管頂接觸；3)管道懸浮假設(shè)，即管道不與土體接觸。上述接觸模型的研究為矩形頂管中管-土接觸模型的建立提供了依據(jù)，但基于圓形頂管得出的管-土接觸模型，對(duì)矩形管節(jié)適應(yīng)性仍需要進(jìn)一步討論。Wen等[12]學(xué)者借鑒了圓形頂管的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)矩形管節(jié)-泥漿-土體相互作用，提出了矩形頂管5種典型的管-土接觸模型(見圖3)及其對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法，并結(jié)合了工程案例進(jìn)行了驗(yàn)證。從研究結(jié)果來看，盡管提供了6項(xiàng)計(jì)算公式來評(píng)估不同接觸模型下的摩阻力，但其準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴于漿液分布、地層穩(wěn)定性等多種因素，依然難以應(yīng)用于實(shí)際工程。

(a)管-土全接觸 (b)管-土三邊全接觸

此后，Ma等[13]學(xué)者提出了另一種管-土部分接觸模型，認(rèn)為在矩形頂管施工過程中，由于土體拱效應(yīng)的弱化，上覆土體會(huì)與矩形管節(jié)的頂板發(fā)生接觸，并通過管節(jié)將覆土荷載及管節(jié)自重傳遞到管底土體中；而管節(jié)側(cè)壁上的管-土接觸狀態(tài)是不確定的，與超挖間隙的寬度、注漿率及土體穩(wěn)定性等因素有關(guān)，基于此提出了管-土接觸系數(shù)的概念，用來評(píng)估側(cè)壁土體穩(wěn)定性及漿液注入效果，如圖4所示。該模型在東京圈的砂質(zhì)卵礫地層取得了較好的效果，但對(duì)于接觸系數(shù)的取值方法以及在其他區(qū)域的適用性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，焦程龍等[14]采用數(shù)值模擬方法來研究頂進(jìn)過程中漿液作用下的管-土接觸狀態(tài)，通過對(duì)比各種接觸模型與實(shí)測數(shù)據(jù)，提出了矩形頂管工程管-土2/3接觸的初步結(jié)論。

圖4 矩形頂管側(cè)壁管-土接觸模型

在管-土接觸模型的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合具體的工程案例對(duì)接觸壓力進(jìn)行了實(shí)測研究。通過在頂進(jìn)管節(jié)上安裝土壓力盒來實(shí)時(shí)監(jiān)測頂進(jìn)過程中的管-土接觸壓力，并以此推測管-土接觸的實(shí)際狀態(tài)。鄭斌[15]基于上海淞滬路的頂管實(shí)測土壓力要明顯高于基于土柱理論等計(jì)算的結(jié)果，并通過反演計(jì)算提出了上海沙質(zhì)粉土地層的壓力增大系數(shù)。袁心等[16]對(duì)蘇州城北路的矩形頂管隧道進(jìn)行了土壓力監(jiān)測，該研究主要分析了注漿壓力與實(shí)測土壓力的影響關(guān)系，并得出管節(jié)頂板實(shí)測土壓力大于底板及側(cè)壁，認(rèn)為管節(jié)在漿液及地下水壓力作用下處于半懸浮狀態(tài)。通過以上案例研究的結(jié)果來看，管-土接觸狀態(tài)與工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，在黏土層及淤泥質(zhì)地層中，受地下水及注漿等因素影響，管節(jié)承受小于理論土壓力的可能性高，而在砂土地層中，地層穩(wěn)定性變?nèi)?，管?jié)承受高于理論土壓力的可能性高。但以上案例采用的土壓力傳感器只提供局部點(diǎn)位的接觸數(shù)據(jù)，容易受到注漿及渣土堆積等因素的干擾[17]，因此還不足以準(zhǔn)確推測整個(gè)管節(jié)的管-土接觸狀態(tài)，建議采用分布式光纖等新型監(jiān)測手段及更密集的傳感器布置來獲取更精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？傮w而言，在漿液作用下，矩形管節(jié)管-土接觸狀態(tài)較為復(fù)雜，對(duì)工程地質(zhì)條件、注漿類型及注漿參數(shù)、超挖間隙等施工參數(shù)的變化較為敏感，可能隨著頂進(jìn)距離而動(dòng)態(tài)變化。

2.2 摩阻力計(jì)算及其控制技術(shù)進(jìn)展

2.2.1 摩阻力計(jì)算的研究進(jìn)展

隨著矩形頂管頂進(jìn)距離、開挖斷面的增加，對(duì)阻力評(píng)估的精度要求越來越高，基于圓形頂管的阻力計(jì)算會(huì)產(chǎn)生明顯誤差[18]，直接關(guān)系到管節(jié)結(jié)構(gòu)、反力墻等輔助設(shè)施的成本和施工難度。因此，在現(xiàn)有矩形管-土接觸模型研究的基礎(chǔ)上，有必要建立用于矩形頂管摩阻力計(jì)算的新方法。學(xué)者們結(jié)合工程案例對(duì)矩形頂管的摩阻力計(jì)算進(jìn)行了大量研究，首先是對(duì)太沙基理論、普氏拱及比爾鮑曼理論等土壓力計(jì)算理論在矩形頂管中的可靠性進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證[19-20]，并考慮管節(jié)-泥漿接觸阻力推導(dǎo)了大斷面矩形頂管的頂推力預(yù)測公式。其次，考慮管-漿接觸阻力，基于黏性流體力學(xué)平板模型的N-S方程，通過計(jì)算管壁漿液流體的剪應(yīng)力來預(yù)測管土接觸阻力；并針對(duì)仿矩形頂管的圓角，推導(dǎo)了仿矩形頂管的摩阻力計(jì)算公式[21]。但目前的預(yù)測模型普遍缺乏對(duì)頂進(jìn)過程中地質(zhì)條件變化的考慮，包括土體性質(zhì)的改變，漿液波動(dòng)等不確定因素對(duì)現(xiàn)有模型準(zhǔn)確性產(chǎn)生的干擾。針對(duì)該問題，通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測掌子面開挖過程中掌子面壓力和頂推力等施工參數(shù)的變化，實(shí)時(shí)更新土體參數(shù)，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法建立基于歷史數(shù)據(jù)的人工智能預(yù)測模型可以進(jìn)一步提高預(yù)測精度。Sheil等[22]基于2項(xiàng)英國的頂管工程案例，采用貝葉斯更新方法，動(dòng)態(tài)更新頂進(jìn)過程中土體參數(shù)來及時(shí)預(yù)測頂推力變化，初步驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)預(yù)測的可行性。

摩擦因數(shù)是影響摩阻力評(píng)估的另一個(gè)獨(dú)立參數(shù)，與管節(jié)斷面形狀沒有關(guān)聯(lián)。常用的摩擦因數(shù)確定方法包括剪切試驗(yàn)、數(shù)據(jù)反演分析以及根據(jù)土體內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減估算。國內(nèi)外部分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)摩擦因數(shù)的推薦值見表1。綜合來看，反演計(jì)算的精度與采用管-土接觸模型以及土壓力計(jì)算方法密切相關(guān)，目前仍未建立起矩形頂管摩擦因數(shù)反演計(jì)算的可靠方法。此外，根據(jù)土體內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，不能反映注漿潤滑之后的接觸界面摩擦因數(shù)。因此，采用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管-土-漿液的接觸試驗(yàn)，是確定摩擦因數(shù)的較為可行的方法。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)給出的摩擦因數(shù)推薦值

標(biāo)準(zhǔn)制定方面，目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)矩形頂管摩阻力的計(jì)算依然采用與圓形頂管類似的方法，即管節(jié)單位表面的平均摩阻力與管節(jié)外表面積的乘積，如日本矩形推進(jìn)工法技術(shù)協(xié)會(huì)以及國內(nèi)部分地方給出的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此外，英國頂管協(xié)會(huì)(PJA 1995)、美國土木工程協(xié)會(huì)(ASCE 27)、法國非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)(FSTT 2006)、德國非開挖協(xié)會(huì)(ATVA 161)等并未對(duì)矩形頂管的阻力計(jì)算單獨(dú)進(jìn)行規(guī)定。國內(nèi)部分地方性規(guī)范對(duì)頂管工程中頂推力及摩阻力計(jì)算進(jìn)行了說明，包括CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)范》、上海市規(guī)范DG/TJ 08-2049—2008《頂管工程施工規(guī)程》、江蘇省DB32/T 2020《綜合管廊矩形頂管工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、廣東省DBJ/T 15-229—2021《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》、遼寧省DB21/T 3360—2021《頂管工程技術(shù)規(guī)程》、中國非開挖技術(shù)協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2012《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》等。各個(gè)規(guī)范中對(duì)頂推力及摩阻力的計(jì)算方法規(guī)定如表2所示。

表2 規(guī)范中頂推力計(jì)算方法對(duì)比

其中，《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)范》、《綜合管廊矩形頂管工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》對(duì)矩形頂管頂推力的計(jì)算進(jìn)行了說明。從已經(jīng)給出的計(jì)算公式來看，共同采用了迎面阻力和管周摩阻力分別求和的形式，《綜合管廊矩形頂管工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《矩形頂管工程技術(shù)規(guī)程》通過管節(jié)外表面積及單位面積上管-土體接觸阻力來計(jì)算整體摩阻力。單位摩阻力基于土體類型及工程經(jīng)驗(yàn)選取，給出的土體分類及取值見表3；矩形頂管協(xié)會(huì)給出的土體分類及其單位摩阻力取值見表4。

表3 采用觸變泥漿時(shí)推薦單位面積平均摩阻力

表4 矩形頂管協(xié)會(huì)給出的單位面積平均摩阻力

相較而言，《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)范》對(duì)矩形頂管摩阻力給出了較為詳細(xì)的計(jì)算方法，考慮了矩形管節(jié)頂板及側(cè)壁接觸土壓力的差異及不同的摩擦因數(shù)。相比其他規(guī)范，有利于提高計(jì)算精度，適用于長距離、大斷面等復(fù)雜條件下對(duì)頂推力精準(zhǔn)預(yù)測的情況。

考慮當(dāng)前矩形頂管向大斷面、長距離方向發(fā)展，建立基于矩形頂管管-土接觸特性的頂推力預(yù)測方法及其參數(shù)取值規(guī)范，對(duì)技術(shù)發(fā)展較為有利。

2.2.2 摩阻力控制對(duì)策研究

摩阻力控制方面，學(xué)者們基于工程實(shí)例[23]，對(duì)減摩泥漿、背土效應(yīng)、頂進(jìn)姿態(tài)等因素對(duì)頂推力的影響機(jī)制進(jìn)行了研究，提出了矩形頂管工程中的減阻措施和技術(shù)對(duì)策，具體包括設(shè)置超挖間隙及維持其穩(wěn)定性、注入漿液及微型滑珠等材料進(jìn)行潤滑、設(shè)置管節(jié)表面涂層、減少工程停頓以及靈活使用中繼間等。但綜合而言，維持超挖間隙穩(wěn)定是抑制摩阻力的有效措施。在法國開展的一項(xiàng)試驗(yàn)表明，當(dāng)超挖間隙從32 mm降到12 mm時(shí)，管節(jié)表面摩阻力增加了2倍以上。在超挖間隙內(nèi)注入潤滑劑是控制摩阻力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，常用的典型注射潤滑劑包括膨潤土基潤滑劑、聚合物基潤滑劑和增塑劑基潤滑劑。有學(xué)者開展了各種潤滑劑作用下的界面摩擦試驗(yàn)，測試結(jié)果如表5所示。

表5 不同潤滑劑作用下摩擦因數(shù)測試結(jié)果[24]

盡管潤滑劑的性能與地質(zhì)條件有關(guān)，但采用塑化劑和聚合物制作漿液，可以取得更好的減摩效果[24]。另外，學(xué)者們基于具體工程在不斷開發(fā)新的潤滑劑，如使用粉煤灰和礦渣來提高在酸性土壤條件下的實(shí)際性能[25]?，F(xiàn)場方面，國內(nèi)學(xué)者對(duì)泥漿套的形成機(jī)制進(jìn)行了大量的研究[26-27]，并結(jié)合工程案例對(duì)泥漿注入工藝以及泥漿配比進(jìn)行了研究，建立起了適用于各種地層的泥漿減摩方法。需要說明的是，在膨脹性黏土和滲透性地層，漿液會(huì)與土體發(fā)生反應(yīng)，注入潤滑劑時(shí)需要考慮漿液失水以及抑制黏土分子溶脹活性等因素。根據(jù)現(xiàn)場研究，通過潤滑劑改變界面摩擦因數(shù)能抑制摩阻力，但當(dāng)摩擦因數(shù)降低到0.1以后，通過調(diào)整漿液組分來降低摩擦因數(shù)的效果逐漸變差。因此，嘗試從矩形頂管管-土接觸特性入手，通過新的裝備來控制管土接觸壓力并抑制土體變形速率成為控制摩阻力的新手段。

在減阻裝備方面，英國學(xué)者John.W.T.Ropkins提出了適用于長距離及大斷面箱涵頂推的防拖拽系統(tǒng)(anti-drag system, 也被稱為drag sheets)來抑制管土接觸，該系統(tǒng)實(shí)際上是一套在頂進(jìn)過程中逐漸鋪設(shè)在底板、頂板或者側(cè)壁的鋼繩網(wǎng)，有抑制土體和管節(jié)接觸的功能，是早期控制摩阻力的方法。此后，日本開發(fā)了一套漿液和孔壁隔離系統(tǒng)，通過工具管內(nèi)的柔性隔離層敷設(shè)裝置將隔膜貼合在孔壁上，使其完全包裹住后續(xù)管節(jié)，注入潤滑劑時(shí)，隔膜會(huì)緊密貼合孔壁并在土體和潤滑劑之間形成不滲透的屏障。該系統(tǒng)通常適用于高滲透性和膨脹性黏土等困難地質(zhì)條件，有利于提高超挖間隙的穩(wěn)定性，降低漿液滲透等。當(dāng)前密閉式矩形掘進(jìn)機(jī)的長距離頂進(jìn)，需要新的摩阻力控制措施，該領(lǐng)域仍有待于進(jìn)一步研究。

3 背土效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制及其控制技術(shù)

背土效應(yīng)是矩形頂管工法中需要應(yīng)對(duì)的關(guān)鍵問題。目前對(duì)背土效應(yīng)的研究可分為背土發(fā)生機(jī)制和控制背土的技術(shù)對(duì)策2個(gè)方面。由于學(xué)者們對(duì)背土效應(yīng)發(fā)生機(jī)制的認(rèn)知差異，背土效應(yīng)的定義仍存在分歧。目前對(duì)背土發(fā)生機(jī)制有2種觀點(diǎn)：1)熊翦[19]將背土效應(yīng)歸結(jié)于淺埋情況下，位于卸載拱內(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)過程中馱帶這部分土體移動(dòng)；2)高毅等[28]提出了“整體背土”概念，認(rèn)為管節(jié)正上方土體與管節(jié)接觸面積隨著頂程增加，導(dǎo)致管節(jié)總摩阻力越來越大，當(dāng)摩阻力超出了周邊土體的整體約束能力后，導(dǎo)致正上方土體伴隨管節(jié)整體位移的突發(fā)破壞現(xiàn)象。

以上理論闡明了背土發(fā)生的2種場景，但不能全面揭示背土效應(yīng)的內(nèi)涵。首先，將背土效應(yīng)局限在頂管機(jī)機(jī)頭，忽略了后續(xù)管節(jié)上方也會(huì)發(fā)生背土的實(shí)際情況，也沒有考慮注漿以及掌子面開挖卸載等與背土發(fā)生機(jī)制的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。而“整體背土”理論的爭議點(diǎn)是忽視了土體自身黏附性，即隨著頂管管節(jié)推進(jìn)在其外表附著并逐漸累積，進(jìn)而導(dǎo)致背土發(fā)生和摩阻力增加的情況?；诖?，本文認(rèn)為背土效應(yīng)是由于管周土體經(jīng)歷掌子面重復(fù)性開挖卸載及加載、后續(xù)管節(jié)連續(xù)擾動(dòng)、土體附著和累積以及注漿滲透等多因素共同作用下，使得周圍土體局部附著或大范圍垮落在管節(jié)上方或側(cè)壁并隨之移動(dòng)，造成頂力突增及覆土異常沉隆的現(xiàn)象。具體而言，背土是土體自身在外力作用下發(fā)生變形或破壞的結(jié)果，掌子面的開挖和壓力平衡使得周圍土體的應(yīng)力分布發(fā)生改變，而后續(xù)管節(jié)移動(dòng)和漿液注入使得土體被進(jìn)一步擾動(dòng)。當(dāng)土體承受的自重以及從管節(jié)表面?zhèn)鬟f到上方土柱或卸載拱內(nèi)土體的外力超過土體黏聚力及其抵抗變形的剪切力所提供的約束時(shí)，背土效應(yīng)勢必發(fā)生。因此，廣義上的背土效應(yīng)不僅會(huì)發(fā)生在矩形管節(jié)頂板，也應(yīng)包括側(cè)壁上發(fā)生的土體破壞及土體隨管節(jié)移動(dòng)的情況。

從施工現(xiàn)場角度來看，影響背土效應(yīng)的因素是多方面的，包括工程地質(zhì)條件、管節(jié)幾何參數(shù)、施工參數(shù)控制等。研究控制背土效應(yīng)發(fā)生的技術(shù)對(duì)策對(duì)淺覆土、大斷面及長距離矩形頂管具有重要意義。目前，控制背土的技術(shù)措施是從抑制和平衡外力以及增強(qiáng)土體自身穩(wěn)定性的角度出發(fā)，包括：1)控制工作面壓力和開挖速度，減少對(duì)土體的擾動(dòng)；2)超挖間隙設(shè)置，抑制管土接觸對(duì)周圍土體產(chǎn)生的剪切力；3)注漿充填，減少摩阻力的同時(shí)支撐土體以平衡自重；4)限制管節(jié)尺寸并選取合理的斷面形狀；5)土體改良等增加土體抵抗變形破壞能力等。除此之外，設(shè)置水平隔離以及管幕等輔助措施也可以抑制背土效應(yīng)的發(fā)展。

4 矩形頂管地層響應(yīng)及其控制對(duì)策

4.1 矩形頂管沉降機(jī)制

沉降控制是矩形頂管的另一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前對(duì)于矩形頂管施工引起的地表沉降研究包括以下3個(gè)方面：1)頂進(jìn)過程中地層響應(yīng)機(jī)制及其影響因素；2)地層沉降預(yù)測模型的發(fā)展和對(duì)比；3)基于工程案例的沉降控制對(duì)策。通常情況下，國外學(xué)者們將頂管施工誘發(fā)的地表沉降分為2類：首先是超前沉降，由于開挖過程中頂管機(jī)對(duì)前方土體的加載、卸載，注漿作用下土體滲透及孔隙水壓力的變化，使得土體變形模量和有效應(yīng)力減小，加之地下水位下降等使得開挖面前方發(fā)生沉降；其次是后期沉降，由于超挖、管土界面摩擦、管節(jié)偏轉(zhuǎn)等造成的土體擾動(dòng)和應(yīng)力釋放，引起土體彈塑性變形及其地層損失而產(chǎn)生的沉降。從地表變形與頂進(jìn)距離的關(guān)系來看，矩形頂管施工中地表的變形可分為前方微小隆起、微小沉降、迅速沉降和緩慢沉降4個(gè)階段[29]，沉降機(jī)制如圖5所示。

圖5 矩形頂管地表沉降過程示意圖

由圖可知，矩形頂管施工引起的地面沉降是隨時(shí)間推移逐漸累積的結(jié)果，與其他密閉機(jī)械暗挖工法的差異在于管節(jié)移動(dòng)所產(chǎn)生的附加擾動(dòng)效應(yīng)。因此，考慮矩形管節(jié)斷面形狀特征，可將管節(jié)移動(dòng)誘發(fā)的地表沉降概括為3個(gè)方面：1)管節(jié)接頭處的起伏及轉(zhuǎn)角等不規(guī)則區(qū)域攜帶松散土體隨著管節(jié)移動(dòng)導(dǎo)致地層損失所誘發(fā)的沉降；2)管-土摩擦、偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致土壤顆粒位移并誘發(fā)沉降；3)背土效應(yīng)引起的沉降。

從大量實(shí)測研究來看，目前對(duì)矩形頂管地表沉降得出的經(jīng)驗(yàn)包括：1)始發(fā)井附近的沉降量大于其他區(qū)域；2)地表沉降最大值一般發(fā)生在距離始發(fā)井5～15 m；3)淺埋情況下，背土效應(yīng)會(huì)增加局部區(qū)域土體損失，對(duì)地表沉降有顯著的影響；4)矩形頂管管周土體最大水平位移發(fā)生在頂管上表面一定距離處，前方土體擾動(dòng)范圍大約是管節(jié)高度的2倍；5)從地表沉降槽的形態(tài)來看，矩形頂管產(chǎn)生的地表沉降槽底部平緩區(qū)的范圍與管節(jié)寬度接近，而單側(cè)沉降槽影響范圍也接近于管節(jié)寬度。

對(duì)矩形頂管土體擾動(dòng)機(jī)制的研究也取得了一些進(jìn)展。房營光等[30]考慮盾構(gòu)法與頂管法施工的相似性，對(duì)頂管法土體擾動(dòng)區(qū)分布模型進(jìn)行了研究，給出了施工擾動(dòng)區(qū)和應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定區(qū)及其分界方法；隨后，魏綱[6]對(duì)頂管法土體擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行了細(xì)化和延伸，提出了圓形頂管施工對(duì)周圍土體的7個(gè)擾動(dòng)區(qū)模型，包括擠壓擾動(dòng)區(qū)、剪切擾動(dòng)區(qū)、卸荷擾動(dòng)區(qū)、注漿擾動(dòng)區(qū)和固結(jié)區(qū)5個(gè)擾動(dòng)類型?；谝陨涎芯浚槍?duì)矩形頂管土體擾動(dòng)特征，提出了矩形頂管土體擾動(dòng)分區(qū)模型，如圖6所示，包括開挖剪切擾動(dòng)區(qū)、機(jī)頭卸荷擾動(dòng)區(qū)、機(jī)頭(頂部、側(cè)壁及底部)剪切擾動(dòng)區(qū)、管節(jié)(頂部、側(cè)壁及底部)卸荷擾動(dòng)區(qū)、管節(jié)(頂部、側(cè)壁及底部)注漿剪切擾動(dòng)區(qū)、底部卸荷擾動(dòng)區(qū)、弱擾動(dòng)區(qū)和固結(jié)區(qū)8個(gè)擾動(dòng)區(qū)分類，各個(gè)分區(qū)的邊界通過具體地質(zhì)條件及施工參數(shù)綜合確定。

圖6 矩形頂管施工土體擾動(dòng)分區(qū)示意圖

4.2 矩形頂管的地表沉降預(yù)測

矩形頂管施工誘發(fā)地表沉降預(yù)測方面，采用的計(jì)算方法主要包括：1)經(jīng)驗(yàn)-數(shù)學(xué)分析法，包括Peck公式、隨機(jī)介質(zhì)理論以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能預(yù)測等；2)理論分析法，包括Mindlin公式、數(shù)值分析法、模型試驗(yàn)法。具體應(yīng)用方面，Mamaqani等[7]從某矩形頂管案例中收集并分析了位移數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)回歸分析方法建立了砂土地層中矩形頂管誘發(fā)地表沉降的經(jīng)驗(yàn)方程；并在案例數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用PLAXIS 2D建立300多個(gè)有限元模型模擬施工過程中的地表響應(yīng)，結(jié)果表明，矩形頂管管節(jié)高度和寬度相等時(shí)，箱涵頂部土體位移顯著減小，并給出了基于數(shù)值法的矩形頂管地表沉降預(yù)測模型。另外，通過多元線性回歸分析方法，Mamaqani等[7]研究了土體彈性模量、內(nèi)摩擦角、容重、土體黏聚力、管節(jié)高度、寬度、超挖尺寸和管節(jié)埋深等8個(gè)因素與地表沉降之間的關(guān)系，提出土體黏聚力是地表沉降的關(guān)鍵因素，而內(nèi)摩擦角與最大地表沉降量關(guān)聯(lián)不大。Mamaqani等[7]還對(duì)矩形頂管后期沉降進(jìn)行了研究，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，建立了地表沉降預(yù)測模型，得出隨著管節(jié)埋深和土體黏聚力的增加，地表發(fā)生沉降的風(fēng)險(xiǎn)降低。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)矩形頂管誘發(fā)的沉降進(jìn)行了研究。徐新等[31]采用隨機(jī)介質(zhì)理論對(duì)均勻和不均勻收斂模式下矩形頂管施工引起的地表沉降分別進(jìn)行計(jì)算，且討論了Peck公式在矩形頂管工程中的適用性，從其研究結(jié)論來看，Peck公式及隨機(jī)介質(zhì)法在沉降預(yù)測方面與實(shí)測值較為接近，這與魏綱等[32]的結(jié)論一致。另一方面，部分學(xué)者[33-34]通過Mindlin彈性解來分別計(jì)算地層損失、掌子面附加壓力、摩阻力以及注漿壓力等對(duì)地表沉降的影響，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，取得了較好的結(jié)果，但Mindlin彈性解形式較為復(fù)雜，難以驗(yàn)證其假設(shè)與土體實(shí)際條件的一致性。

總體來看，經(jīng)驗(yàn)-數(shù)學(xué)分析法形式簡潔，使用方便，基于實(shí)測數(shù)據(jù)的回歸和擬合對(duì)類似工程具有較高的可靠性，但該方法忽略了土體內(nèi)部變形機(jī)制。理論分析法計(jì)算繁瑣, 基于大量假設(shè)，難以客觀反映頂進(jìn)過程的實(shí)際情況，其推導(dǎo)結(jié)果在推廣應(yīng)用中存在較大困難。目前對(duì)工作面卸載、注漿壓力和超挖間隙高度等施工參數(shù)對(duì)超前沉降及后期沉降的影響機(jī)制依然不明確。

4.3 沉降控制對(duì)策

綜合而言，矩形頂管引起的地表變形受開挖面附加推力、地層損失率、注漿參數(shù)和推進(jìn)速率等多因素綜合影響，其中地層損失率對(duì)地表沉降起主要作用?？刂频貙映两捣矫?，基于大量的工程實(shí)踐，榮亮等[35]提出了控制超挖、土體改良、降低水位、注漿潤滑、工作面密閉及錯(cuò)序開挖、安裝超前鋼托梁等措施來抑制對(duì)地表以及鄰近構(gòu)筑物的影響，其中降低地層損失和施工過程中的土體擾動(dòng)至關(guān)重要。另外，從裝備革新的角度，提升掘進(jìn)機(jī)對(duì)周圍土體的穩(wěn)定能力并從源頭上抑制超挖，是減少地表沉降的技術(shù)突破方向。

5 工作面穩(wěn)定性分析

當(dāng)前，矩形頂管頂進(jìn)斷面越來越大，工作面失穩(wěn)是面臨的主要工程風(fēng)險(xiǎn)之一。頂進(jìn)過程中維持合適的掌子面壓力既有利于維持地表穩(wěn)定，也能降低安全風(fēng)險(xiǎn)。尤其在淺覆土頂管工程案例中，工作面發(fā)生被動(dòng)失穩(wěn)的可能性顯著增加。彭立敏等[4]對(duì)矩形頂管掌子面穩(wěn)定性的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡要總結(jié)，此后，關(guān)于矩形頂管工作面穩(wěn)定性的研究鮮有提及。

對(duì)于開挖面穩(wěn)定性的理論研究，目前主要采用極限平衡理論和極限分析法。極限平衡理論方面，Horn[36]最早建立了開挖面的楔形體極限平衡模型，此后通過不斷修正，目前已成為隧道開挖面穩(wěn)定性分析的主要模型之一。起初，Anagnostou等[37]假設(shè)開挖面破壞區(qū)是前方楔形體和楔形體上方垂直棱柱范圍內(nèi)的土體，進(jìn)一步提出了經(jīng)典的楔形體-棱柱模型，用來計(jì)算均質(zhì)地層中的極限平衡壓力；隨后，Broere[38]又將楔形體-棱柱模型擴(kuò)展到了非均質(zhì)地層，并考慮了開挖過程中滲流和孔隙水壓力的影響；此后，Chen等[39]對(duì)楔形體上方棱柱體的拱效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了棱柱高度的計(jì)算方法，并結(jié)合離心機(jī)模擬試驗(yàn)提出了無黏性地層開挖面的極限支護(hù)壓力推薦值。另外，學(xué)者們[6, 40-41]對(duì)楔形體-棱柱模型進(jìn)行了改進(jìn)，考慮開挖面上刀盤阻力和松動(dòng)土壓力的分布形式，給出了拋物線分布的極限平衡壓力計(jì)算方法，并將開挖面前方的正楔形體滑塊改為梯形楔形體形狀。也有學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)開挖面前方土體的失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了探討[39]，初步驗(yàn)證了修正楔形體模型的合理性。

極限分析法方面，Leca等[42]提出了黏性土及砂土隧道開挖面的破壞準(zhǔn)則，并構(gòu)建了失穩(wěn)錐體機(jī)動(dòng)場模型，給出了開挖面平衡壓力的上下限解。有學(xué)者結(jié)合截椎體與對(duì)數(shù)螺旋線模型研究了超前支護(hù)作用下的開挖面主動(dòng)破壞模式，基于上限分析法推導(dǎo)出開挖面的安全系數(shù)表達(dá)式。Mollon等[43]使用空間離散化方法開發(fā)了2種用于被動(dòng)失效的旋轉(zhuǎn)機(jī)制。此外，Liu等[44]對(duì)開挖面的被動(dòng)失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行了研究，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)理論推導(dǎo)了控制被動(dòng)失穩(wěn)的支護(hù)壓力上限解及維持開挖面穩(wěn)定的最小極限支護(hù)壓力計(jì)算公式，并基于塊體剪流組合機(jī)構(gòu)研究了非均質(zhì)黏土地層中隧道三維開挖面穩(wěn)定性。雷華陽等[45]對(duì)隧道開挖面失穩(wěn)機(jī)制以及上覆土體拱效應(yīng)研究進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，提出了土體三向壓力時(shí)空變化為特征的開挖面失穩(wěn)機(jī)制。

綜合而言，目前關(guān)于矩形頂管開挖面穩(wěn)定性研究主要以傳統(tǒng)的極限平衡法和極限分析法為主，理論研究有待于進(jìn)一步更新?？紤]矩形頂管與盾構(gòu)隧道均采用密閉式機(jī)械開挖方法，并通過泥水、土壓及氣壓等支護(hù)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)開挖面的穩(wěn)定性控制，因此，盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性分析的研究成果適用于矩形頂管。隨著我國大斷面、淺覆土的頂管工程案例增多，提出適用于矩形頂管的工作面穩(wěn)定性模型對(duì)工程安全有重要意義。另外，合理控制施加在掌子面上的支護(hù)壓力，對(duì)抑制沉降以及提高頂管機(jī)的靈活性都有實(shí)際助益。

6 矩形頂管裝備進(jìn)展

6.1 國外矩形頂管掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式

從20世紀(jì)90年代開始，矩形頂管進(jìn)入了以密閉式矩形掘進(jìn)機(jī)為主體的新技術(shù)開發(fā)期。隨著鐵路隧道及公路下穿隧道的建設(shè)，需要考慮控制隧道開挖帶來的大量渣土和碎石等副產(chǎn)物，并需要盡量減少土方開挖量來降低工程成本，因此，出現(xiàn)了對(duì)非圓以及偏平斷面空間的建設(shè)需求。基于此，1988年日本建設(shè)部聯(lián)合民企開展“開發(fā)地下空間建設(shè)技術(shù)”研究，在異形斷面隧道裝備領(lǐng)域取得了進(jìn)展，開發(fā)了雙圓(double-o-tube)、多圓(multi-circular face shield)、H & V(horizontal & vertical)盾構(gòu)技術(shù)等非圓掘進(jìn)裝備。1990年，日本西松建設(shè)研發(fā)了首個(gè)用于矩形斷面的擺動(dòng)式掘進(jìn)機(jī)，此后，多種類型的密閉式矩形掘進(jìn)機(jī)被逐步開發(fā)出來，包括偏心多軸(DPLEX)法、WAC(wagging cutter shield)工法、APORO-cutter工法、URUP(ultra rapid under pass)法，EX-MAC(excavation method of adjustable cutter)法等近12種矩形掘進(jìn)機(jī)?？紤]當(dāng)前國外矩形掘進(jìn)機(jī)的分類方式繁雜，本文選擇了8種代表性的矩形頂管掘進(jìn)裝備進(jìn)行簡要介紹。

6.1.1 筒式矩形掘進(jìn)機(jī)

筒式矩形掘進(jìn)機(jī)是1989年被開發(fā)出來的全斷面矩形空間掘進(jìn)裝備，通過驅(qū)動(dòng)布置有V型刀的滾筒切割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全斷面開挖，并利用泥水來維持掌子面穩(wěn)定，泥水平衡筒式矩形掘進(jìn)機(jī)如圖7(a)所示。該類掘進(jìn)機(jī)容易發(fā)生排渣不暢及砂土附著、頂推力過高等情況，因此不適用于沙卵石等復(fù)雜地層。另外，基于土壓平衡的原理，通過聯(lián)合布置雙滾筒旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)矩形斷面開挖。切削的土體通過滾筒及其附屬刀具攪拌后土充填在隔板艙室中，之后通過底部的螺旋輸送機(jī)排出，土壓平衡筒式矩形掘進(jìn)機(jī)如圖7(b)所示。

(a)泥水平衡掘進(jìn)機(jī) (b)土壓平衡掘進(jìn)機(jī)

6.1.2 槳式矩形掘進(jìn)機(jī)

槳式(paddle)類型的矩形切削是由清水建設(shè)在2010年開發(fā)的土壓平衡頂管機(jī)。該掘進(jìn)機(jī)在切削斷面上配置了多組裝備了刀具和切割滾筒的水平轉(zhuǎn)軸，并通過水平軸旋轉(zhuǎn)以及獨(dú)立驅(qū)動(dòng)滾筒等方式實(shí)現(xiàn)全斷面開挖，各個(gè)滾筒可以自由控制旋轉(zhuǎn)方向和速度。槳式螺旋兼具切割和攪拌功能，槳葉通過旋轉(zhuǎn)將切割的土沙與添加劑攪拌混合，既能實(shí)現(xiàn)掌子面穩(wěn)定，也有利于渣土從各個(gè)獨(dú)立艙室的排土口排出，如圖8所示。該頂管機(jī)具有明顯可拓展的特征，并且掌子面具備分段開挖的能力，因此適用于大斷面以及淺覆土等復(fù)雜場景。水平軸切削簡化了挖掘機(jī)構(gòu)，可以采用通用部件，因此其制造成本與傳統(tǒng)矩形掘進(jìn)機(jī)相比降低了30%左右。

(a)頂管機(jī)全貌 (b)刀盤布局

6.1.3 APORO-cutter掘進(jìn)機(jī)

APORO-cutter工法是all potential rotary cutter的簡稱，指的是可以切削任意形狀的切削機(jī)構(gòu)(見圖9)。其原理是通過公轉(zhuǎn)圓的旋轉(zhuǎn)角度和擺臂的擺動(dòng)角度變化來實(shí)現(xiàn)任意形狀斷面的挖掘。在密閉型掘進(jìn)機(jī)前端的主旋轉(zhuǎn)筒(公轉(zhuǎn)圓)上，通過擺臂連接具有自轉(zhuǎn)功能的切割頭，使得該切割頭根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡高速旋轉(zhuǎn)切割出所需斷面。

(a)常規(guī)布置 (b)雙聯(lián)布置

該工法由鹿島建設(shè)在2008年開發(fā)，由于刀具高速旋轉(zhuǎn)，對(duì)硬質(zhì)地層具有高適用性，也適用于木樁等障礙物的切削。該工法也具有可拓展的功能，通過水平或垂直布置，可實(shí)現(xiàn)大斷面的切削。另外，由于軸承等部件小于常規(guī)掘進(jìn)機(jī)，制造工期相對(duì)較短。

6.1.4 刀具可調(diào)式矩形掘進(jìn)機(jī)

基于圓形斷面的切削方法，通過在調(diào)整旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中刀具位置實(shí)現(xiàn)矩形斷面切割的方法，目前主要有2種，一種是EX-MAC(excavation method of adjustable cutter)，如圖10(a)所示。通過在輻條內(nèi)安裝電控伸縮刀具，在矩形開挖面的轉(zhuǎn)角部分控制刀具進(jìn)行伸縮切削，進(jìn)而形成矩形斷面。該矩形切削工法自2005年開發(fā)之后，已經(jīng)在日本被多次使用，并拓展到了雙聯(lián)矩形斷面隧道中。另一種是擺動(dòng)式(WAC, wagging cutter shield)工法，如圖10(b)所示，其矩形斷面切削機(jī)制與上述工法類似，自1998年開發(fā)以來，已被廣泛應(yīng)用。

(a)EX-MAC雙聯(lián)布置 (b)WAC雙聯(lián)布置

6.1.5 R-swing矩形掘進(jìn)機(jī)

R-swing矩形斷面切削機(jī)構(gòu)可拓展性好，所有單元可以被簡便地分割成便于運(yùn)輸?shù)某叽?，且單元之間的連接全部采用螺栓緊固，組裝和拆解過程簡單，可大幅縮短約50%的工序，且可重復(fù)使用，如圖11所示。另外，該工法考慮了地表控制，采用頂部先行切割，抑制下方土體開挖對(duì)地表沉降的擾動(dòng)。該技術(shù)在輔助工具管的支持下，可以實(shí)現(xiàn)水平及垂直方向的曲線切割，因此具有較好的應(yīng)用前景。

(a)R-swing頂部張開 (b)R-swing多聯(lián)布置

6.1.6 OHM矩形掘進(jìn)機(jī)

OHM工法是任意斷面隧道切削工法(omni-sectional hedge tunnelling method)的簡稱，通過偏心公轉(zhuǎn)配合刀具輻條繞軸自轉(zhuǎn)的方式，以不同的轉(zhuǎn)速比實(shí)現(xiàn)任意斷面切割，如圖12所示。該工法中，刀具軌跡遵循了洛倫三角形理論，需要考慮偏心預(yù)定量以及刀具的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速差異來實(shí)現(xiàn)所需斷面的開挖。

(a)OHM單聯(lián)式 (b)OHM雙聯(lián)布置

6.1.7 行星輪自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式矩形掘進(jìn)機(jī)

行星輪自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式矩形掘進(jìn)機(jī)通過調(diào)整偏心多軸行星輪的自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)任意斷面的切削。日本阿爾法土木工程公司采用三軸偏心行星輪方案設(shè)計(jì)了用于矩形頂管的密閉性掘進(jìn)機(jī)，如圖13所示。

(a)常規(guī)自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式 (b)拓展的自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)式

該工法設(shè)計(jì)了功能強(qiáng)大的行星刀盤，使其適用于多種地層，并通過刀盤后背輔助肋板加強(qiáng)其攪拌和掌子面穩(wěn)定功能。在刀具旋轉(zhuǎn)切削的過程中，其外緣主動(dòng)擠壓周圍土體抑制了轉(zhuǎn)角處的土體脫落，因此，在矩形隅角處的阻力優(yōu)于其他掘進(jìn)機(jī)。該工法通過配合輔助切削刀具，可實(shí)現(xiàn)非正方形斷面的開挖，是日本目前主流的矩形頂管掘進(jìn)機(jī)型。

6.1.8 其他類型

實(shí)際上，市場上還存在其他類型的矩形掘進(jìn)機(jī)，包括早在1995年開發(fā)的偏心多軸(Dplex)矩形掘進(jìn)機(jī)，以及搖動(dòng)輻條式配合其他刀具進(jìn)行矩形斷面切削的掘進(jìn)機(jī)等，如圖14所示。目前來看，偏心多軸式矩形掘進(jìn)機(jī)在我國應(yīng)用案例較多，其他類型的矩形掘進(jìn)裝備沒有得到運(yùn)用。另外，在地層穩(wěn)定性好的情況下，以開放掌子面或半開放掌子面結(jié)合懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖在卵石或其他障礙物分布地層條件中有獨(dú)特的優(yōu)勢，如圖15所示。

(a)偏心多軸式 (b)搖動(dòng)刀具配合輔助刀具

(a)敞開式矩形掘進(jìn)機(jī) (b)懸臂式掘進(jìn)機(jī)

6.2 國內(nèi)矩形頂管掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式

我國于20世紀(jì)90年代開始矩形掘進(jìn)裝備的研發(fā)，先是1995年開發(fā)出了網(wǎng)格式矩形隧道掘進(jìn)機(jī)[2]，并于1999年制造了斷面規(guī)格為3.8 m×3.8 m的矩形頂管掘進(jìn)機(jī)。此后，矩形及異形隧道掘進(jìn)技術(shù)不斷進(jìn)步，并從2015年后進(jìn)入了裝備和工程應(yīng)用的高峰期，并開發(fā)出了多個(gè)世界最大的矩形及類矩形掘進(jìn)機(jī)[46-49]。國內(nèi)學(xué)者[2, 5, 50]對(duì)我國矩形掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)進(jìn)展和裝備特征進(jìn)行了介紹?？傮w而言，我國的矩形斷面掘進(jìn)機(jī)主要包括平行中心軸式、偏心多軸式和中心軸偏心軸組合式3種類型。其中，平行中心軸式頂管機(jī)具有斷面尺寸易拓展、驅(qū)動(dòng)方式簡單、開挖盲區(qū)相對(duì)較小、地層適應(yīng)性強(qiáng)、制造技術(shù)成熟等優(yōu)勢，結(jié)合我國當(dāng)前對(duì)大斷面及超大斷面矩形地下空間的開發(fā)需求，其應(yīng)用范圍最為廣泛，代表性的案例包括應(yīng)用在嘉興市區(qū)快速路環(huán)線下穿南湖大道隧道工程的世界最大類矩形頂管機(jī)，如圖16所示。

圖16 平行中心軸式類矩形頂管機(jī)(14.82 m×9.446 m)

偏心多軸式刀盤矩形頂管機(jī)具有全斷面切削，軸承等部件相對(duì)較小，便于大斷面設(shè)計(jì)。但相對(duì)于中心軸式掘進(jìn)機(jī)，其掌子面渣土的攪拌性能受限，姿態(tài)控制相對(duì)較難，因此適用于軟土地層，在我國的使用案例不多。通過將中心軸式及偏心多軸式2種方式組合，二者協(xié)同工作可以實(shí)現(xiàn)任意斷面的切削，相對(duì)于偏心多軸式，其應(yīng)用范圍得以拓寬。代表性案例包括鄭州中州大道下車行隧道的頂進(jìn)工程[51-52]，以及上海軌道交通14號(hào)線靜安寺站的矩形頂管工程[53]，如圖17所示。

圖17 中心軸偏心軸組合式類矩形頂管機(jī)

此外，范磊等[54]對(duì)裝配式矩形頂管掘進(jìn)機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了研究，包括分體組合、合體限位、自由組裝、管線互通等設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用，以及對(duì)小斷面無人矩形頂管機(jī)具的開發(fā)。

7 矩形頂管技術(shù)發(fā)展趨勢

城市地下空間具有資源屬性，矩形及類矩形頂管技術(shù)的發(fā)展對(duì)地下空間的精細(xì)化利用有重要意義。隨著新型應(yīng)用場景的不斷涌現(xiàn)，對(duì)矩形掘進(jìn)機(jī)的功能升級(jí)和新技術(shù)創(chuàng)新提出了新的要求?；诠こ探ㄔO(shè)的具體需求和技術(shù)潛在的發(fā)展趨勢，本文對(duì)矩形頂管技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)創(chuàng)新的方向進(jìn)行了探討。

7.1 矩形頂管存在的技術(shù)挑戰(zhàn)

國內(nèi)學(xué)者對(duì)矩形頂管技術(shù)在理論、設(shè)計(jì)和施工3個(gè)方面存在的問題進(jìn)行了闡述[4]，但沒有對(duì)技術(shù)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行說明?；诖耍疚膹募夹g(shù)和裝備的角度將當(dāng)前矩形頂管存在的挑戰(zhàn)歸納為以下4點(diǎn)：

1)矩形頂管對(duì)地層條件較為敏感。受掌子面切削機(jī)制及破巖技術(shù)的制約，目前矩形頂管機(jī)依然主要應(yīng)用在軟土及砂土地層。國內(nèi)在矩形巖石頂管領(lǐng)域進(jìn)行了探索，開發(fā)了世界第一臺(tái)大斷面巖石矩形頂管機(jī)“天妃一號(hào)”，但對(duì)于低分化、全硬巖及卵石障礙物分布地層，仍有較高的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2)矩形頂管掘進(jìn)智能化水平不夠。矩形頂管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作，但目前掘進(jìn)機(jī)對(duì)地層條件變化及掌子面壓力波動(dòng)等關(guān)鍵信息的捕捉和主動(dòng)分析的能力不足，缺乏數(shù)據(jù)智能化處理環(huán)節(jié)，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)缺乏及時(shí)反饋的能力。例如，掌子面穩(wěn)定所需的動(dòng)態(tài)感知、反饋能力與當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)的單一、固定功能不兼容。

3)矩形掘進(jìn)機(jī)缺乏抑制背土、摩阻力的精準(zhǔn)預(yù)測和降低摩阻力等技術(shù)對(duì)策，對(duì)大斷面、長距離等新型應(yīng)用場景的適應(yīng)性有待提高。

4)始發(fā)井、接收井和中繼間等工藝環(huán)節(jié)成本高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)存在風(fēng)險(xiǎn)。尤其是大斷面矩形頂管工程，其在掘進(jìn)裝備、預(yù)制管節(jié)、低碳節(jié)能和可重復(fù)利用等方面面臨實(shí)際挑戰(zhàn)。

7.2 發(fā)展趨勢探討

考慮矩形頂管法在地下空間開發(fā)中的獨(dú)特優(yōu)勢，結(jié)合上述分析，對(duì)矩形頂管的發(fā)展趨勢進(jìn)行了以下初步的預(yù)測和討論，主要包括6個(gè)方面。

7.2.1 掘進(jìn)裝備的智能化

矩形頂管技術(shù)的核心在于矩形掘進(jìn)裝備。掘進(jìn)裝備的升級(jí)依賴于工程現(xiàn)場的需求，主要是維持掌子面穩(wěn)定、控制地層沉降和抑制摩阻力。要從矩形頂管掘進(jìn)裝備自身來尋找解決對(duì)策。從國內(nèi)外工程應(yīng)用和研究進(jìn)展的角度來看，矩形頂管掘進(jìn)機(jī)的智能化對(duì)工程現(xiàn)場有意義。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控，智能注漿，但裝備整體的智能化協(xié)同水平還需要進(jìn)一步提高。

對(duì)于掘進(jìn)裝備的智能化，本文提出需要重點(diǎn)關(guān)注的因素包括以下3個(gè)方面：1)頂推力的實(shí)時(shí)評(píng)估和控制，實(shí)現(xiàn)掌子面的動(dòng)態(tài)平衡，以減少過高的掌子面壓力對(duì)土體及地面的擾動(dòng)；2)地表響應(yīng)的自主感知和主動(dòng)響應(yīng)，包括開發(fā)基于主動(dòng)探測和自主響應(yīng)的輔助控制系統(tǒng)，包括土體改良、掌子面壓力的實(shí)時(shí)調(diào)整等；3)地層物理參數(shù)進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測，通過機(jī)器學(xué)習(xí)等方法以提前應(yīng)對(duì)背土效應(yīng)和開發(fā)新的減阻技術(shù)。

7.2.2 長距離、大斷面矩形頂管裝備的發(fā)展

當(dāng)前，長距離、大斷面的工程需求逐漸增多。自2015年以來，國內(nèi)外的矩形頂管工程案例如表6所示。由表可知，大多數(shù)的矩形頂管的推進(jìn)長度在200 m以內(nèi)，然而，頂推距離和頂進(jìn)斷面有逐步增大的趨勢。2020年，我國完成了最長頂程為445 m的矩形頂管隧道，是頂進(jìn)距離超越300 m的單一案例。隨著工程需求的出現(xiàn)，開發(fā)具有長距離頂進(jìn)能力的矩形掘進(jìn)機(jī)將受到關(guān)注，這有助于拓展矩形頂管應(yīng)用范圍和優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表6 國內(nèi)代表性矩形頂管工程案例

7.2.3 曲線矩形頂管的發(fā)展和應(yīng)用

曲線頂管技術(shù)在圓形頂管中得到了廣泛應(yīng)用，顯著提高了圓形頂管的適用性。通過曲線頂管，可以繞開關(guān)鍵構(gòu)筑物，減少中間接收或始發(fā)井的數(shù)量，縮短施工時(shí)間和降低成本。但曲線矩形頂管的工程案例很少。從技術(shù)角度看，曲線矩形頂管的側(cè)壁管土相互作用更加復(fù)雜，摩阻力預(yù)測困難。另外，曲線頂進(jìn)過程中，前后管節(jié)的跟隨性及相互作用機(jī)制仍不清楚。

從案例來看，2010年日本埼玉縣的一條排水管渠的頂進(jìn)中首次采用了曲線矩形頂管的方法。管節(jié)外形尺寸為3.3 m×2.8 m，曲線半徑為100 m，頂進(jìn)距離為220 m。2021年，英國在威靈頓A15公路下頂進(jìn)了其首個(gè)矩形曲線頂管工程，頂進(jìn)長度155 m，管節(jié)尺寸為9.5 m×5.1 m，曲線半徑為750 m。結(jié)合上述案例，頂管掘進(jìn)機(jī)的曲線開挖和導(dǎo)向能力、姿態(tài)控制和糾偏能力以及頂進(jìn)過程中管節(jié)接頭的跟隨控制是矩形曲線頂管技術(shù)的關(guān)鍵。

7.2.4 矩形管節(jié)拼裝預(yù)制的推廣和應(yīng)用

如前所述，隨著開挖斷面的增加，管節(jié)分段預(yù)制可以避免運(yùn)輸環(huán)節(jié)的限制。但需要考慮大型管節(jié)的現(xiàn)場吊裝、拼接問題，如圖18所示。預(yù)制拼裝在國內(nèi)已有案例，其難點(diǎn)在于管節(jié)預(yù)制的精度和接縫處的密封。目前，通常采用預(yù)應(yīng)力鋼棒進(jìn)行管節(jié)的組裝連接。管節(jié)材質(zhì)方面，考慮大斷面、長距離情況下對(duì)管節(jié)強(qiáng)度的要求，通過纖維增強(qiáng)以及高性能混凝土改善管節(jié)力學(xué)性能，抑制管節(jié)質(zhì)量和壁厚的增長等。

(a)分段與現(xiàn)場拼接 (b)拼接后的矩形管節(jié)

7.2.5 適用于復(fù)合地層的矩形頂管技術(shù)

當(dāng)前，矩形頂管穿越復(fù)合地層的案例明顯增多，面臨基巖突起、軟硬不均、孤石及夾層分布等多種類型復(fù)合地層帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。通常情況下，根據(jù)穿越地層自身物理力學(xué)性質(zhì)的差異，采用土體改良和注漿等手段實(shí)現(xiàn)復(fù)合地層土體的均質(zhì)化，配合刀盤優(yōu)化等措施以減少頂管機(jī)偏轉(zhuǎn)、失衡。開挖面穩(wěn)定方面，目前采用“泥水艙+氣壓艙”“土壓艙+氣壓艙”等雙艙雙模設(shè)計(jì)及泥濃法來平衡開挖面上的壓力差異，減少掘進(jìn)擾動(dòng)范圍。在遭遇硬巖及大型孤石等難以開挖的障礙物時(shí)，需要采用導(dǎo)洞預(yù)處理、施工專門立井等方法來清理。

但從技術(shù)發(fā)展的趨勢來看，需要進(jìn)一步從裝備開發(fā)的角度來提升矩形頂管對(duì)復(fù)合地層的適應(yīng)性。設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)合地層的組合式、先導(dǎo)式矩形頂管機(jī)將為復(fù)雜地層條件下大斷面矩形頂管提供新的技術(shù)支撐。筆者正在開展大斷面先導(dǎo)開挖矩形頂管裝備的研發(fā)，通過裝備對(duì)切割面分區(qū)、分段和錯(cuò)位開挖，可解決大斷面、淺覆土及復(fù)合地層等復(fù)雜情況下的矩形頂管難題。

7.2.6 其他方面

矩形頂管法目前逐步應(yīng)用到了托底加固、矩形管幕等土體加固領(lǐng)域。國外還開發(fā)了直接從地面始發(fā)和地面接受的矩形頂管工法，以減少立井開挖，這要求矩形頂管掘進(jìn)機(jī)具備極強(qiáng)的復(fù)合曲線開挖能力以及優(yōu)秀的糾偏和姿態(tài)控制水平。在掌子面開挖方面，密閉式臺(tái)階斷面矩形頂管掘進(jìn)機(jī)將會(huì)得到快速發(fā)展，其技術(shù)性能在日本初步得到了驗(yàn)證，并在淺覆土以及復(fù)合地層情境下有較好的適應(yīng)性，是應(yīng)對(duì)大斷面矩形頂管的關(guān)鍵技術(shù)措施。

8 結(jié)論與展望

矩形頂管法在城市地下空間開發(fā)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。但總體來看，矩形頂管仍面臨在長距離、大斷面、淺覆土、大深度及矩形曲線頂管等復(fù)雜工況下的理論和技術(shù)挑戰(zhàn)，通過新技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，未來幾年有望在上述領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破。需要提出的是，近些年來，我國出現(xiàn)了一系列矩形頂管工法的地方標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)了矩形頂管的技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用。但目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是對(duì)具體施工工藝的指導(dǎo)，相關(guān)參數(shù)的取值依然基于圓形頂管的規(guī)范，對(duì)于長距離、大斷面等新場景的應(yīng)用產(chǎn)生了制約。另外，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏對(duì)新技術(shù)的采納，例如：尚未對(duì)曲線矩形頂管、矩形巖石頂管等新領(lǐng)域進(jìn)行理論探討，不利于技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣。

盡管國內(nèi)開展了大量的矩形頂管工程，工程數(shù)量和工程規(guī)模都居于世界前列，但目前依然缺少推動(dòng)矩形頂管法升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)，且裝備創(chuàng)新和智能化理論研究嚴(yán)重落后于工程實(shí)踐。另外，國內(nèi)尚未建立矩形頂管工程數(shù)據(jù)共享的機(jī)制和平臺(tái)，缺乏對(duì)頂管具體使用場景下的詳細(xì)規(guī)范，導(dǎo)致矩形頂管機(jī)的重復(fù)利用率低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。