馬 鵬，島田英樹，馬保松, *，黃 勝，周 浩

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

0 引言

隨著地下隧道、地下車站、地下綜合體等重點地下工程項目的建設，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)域構筑新基礎設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筑大型地下空間的暗挖施工技術，相對于明挖及盾構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、地上及地下構筑物密集區(qū)的市政工程領域發(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，且后期運營和維護相對容易，在地下通道、綜合管廊、雨水管渠、地下物流通道、地下設施聯(lián)絡通道、地下停車場、地鐵車站及應急通道等地下空間開發(fā)領域有著廣泛的應用潛力[1-3]。

需要說明的是，盾構法和頂管法都是地下隧道暗挖施工的關鍵方法，但兩者之間存在顯著差異。頂管法是在計劃管道路線的兩端設置始發(fā)井和接收井，在安裝有頂推設備的始發(fā)井內借助液壓千斤頂將掘進機頂入預定土體，并在始發(fā)井依次拼接預制管節(jié)至掘進機后，通過頂推預制管節(jié)使得掘進機到達接收井并形成以預制管節(jié)支撐周圍土體的隧道施工方法。與盾構法相比，最顯著的區(qū)別在于支撐土體的預制管節(jié)在始發(fā)井內拼接后，隨著隧道掘進而整體向前移動，而非在掘進機后以原位拼裝方式進行逐塊管片拼接。因此，頂管法與盾構法對地層的擾動機制有顯著差異。頂管法既要考慮掘進過程中開挖面的土體擾動，還需考慮后續(xù)管節(jié)移動中管-土-漿液相互作用及其對周圍土體產(chǎn)生的附加影響。掘進裝備方面，頂管法和盾構法主要以密閉式掘進機進行土體開挖，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，兩者之間沒有本質的區(qū)別；從隧道斷面形狀來看，頂管和盾構隧道的常規(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，與掘進機切削系統(tǒng)和輪廓設計有關；從工法適應性及綜合成本的角度看，盾構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展開綜述。

目前，學者們對矩形頂管技術的研究主要集中在以下5個方面：1)頂推力模型預測及修正，包括基于管-土接觸狀態(tài)的摩阻力計算及減阻技術的開發(fā)和應用；2)背土效應的發(fā)生機制及其控制方法；3)矩形頂管施工中地表響應機制及沉降控制對策，包括地表沉降預測、超挖及注漿壓力等施工參數(shù)對地表變形的影響等；4)工作面穩(wěn)定性分析，包括矩形開挖斷面的失穩(wěn)機制及評估方法；5)矩形斷面的開挖方法及配套裝備的設計和開發(fā)，包括矩形掘進機的刀盤布置形式以及基于復雜地層、大斷面、長距離等特殊施工場景下新型矩形掘進機及頂進工藝的研發(fā)等。彭立敏等[4]、賈連輝[5]于2015年前后分別對矩形頂管法的技術進展進行了較為全面的回顧和總結。近些年來，矩形頂管法在國內外取得了一系列重大技術進展，尤其在新型裝備研發(fā)、超大規(guī)模工程應用等領域有了新的突破。因此，有必要對當前矩形頂管法研究的最新進展進行再次總結，為推動國內矩形頂管技術的進一步升級和發(fā)展做好技術鋪墊。

基于上述矩形頂管法的熱點研究領域，本文從矩形頂管技術的歷史演進過程、頂推力評估、背土效應發(fā)生機制和控制對策、地層響應機制及沉降預測、工作面的穩(wěn)定性和裝備研發(fā)等層面，對國內外矩形頂管在理論、技術及裝備領域的最新進展進行總結和展望。

1 矩形頂管工法綜述

1.1 工法起源

現(xiàn)代矩形頂管技術首先在日本和歐洲得到了應用，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輸通道，該工程首次將現(xiàn)場澆筑的內幅為2.3 m×1.8 m箱涵通過后置液壓千斤頂推進了15 m，并在箱涵前端安裝了鋼制工作空間來保護手掘工人的安全，同時起到了控制土體變形的作用。在此基礎上，日本又開發(fā)了頂推和牽引相結合的矩形推進工法，并于1965年首次應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的箱體及附屬結構安裝到位。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敷設了一條外寬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了4.5 m寬的橋臺，隨后在倫敦近郊進行了大規(guī)模的應用，并開發(fā)了現(xiàn)澆矩形管涵的頂推工藝和配套裝備。同時期，德國在頂管裝備領域取得了明顯進展，并在科隆近郊的某建筑物下頂推了跨度達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用，發(fā)展相對滯后。矩形頂管技術于20世紀90年代引入中國，魏綱[6]等學者對其在國內的發(fā)展進行了細致的闡述，此處不再贅述。

1.2 關鍵技術演化

根據(jù)矩形頂管技術的發(fā)展歷程，可將其歸納為3個發(fā)展階段：技術起步階段(20世紀60—70年代)、以開放式工作面為主的技術發(fā)展期(20世紀70—90年代)、以密閉式矩形掘進機為主體的新技術開發(fā)期(20世紀90年代至今)。

1.2.1 技術起步階段(20世紀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上進行的技術探索，表現(xiàn)出以下特點：1)普遍采用敞開式工作面，對地層穩(wěn)定性要求高，以手掘或者局部機械方式開挖土體；2)頂進距離較短(最大為100 m)，斷面由小到大，通過現(xiàn)場澆筑和工廠預制2種方法加工箱涵；3)應用場景主要局限在鐵道和公路下穿領域。但該階段的案例表明，頂管暗挖施工顯著減少了對道路及鄰近構筑物的影響，降低了工程成本[7]，并實現(xiàn)了大跨度地下空間的靈活構筑[8]。彭立敏等[4]對該階段頂管工法的關鍵技術進展進行了總結。

1.2.2 技術發(fā)展期(20世紀70—90年代)

進入20世紀70年代，隧道掘進技術在裝備及工藝上的突破為矩形頂管技術的發(fā)展奠定了基礎[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演進的關鍵。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)出了泥水平衡掘進機來平衡開挖面的水土壓力，并實現(xiàn)了開挖面的密閉和機械挖掘，為突破長距離頂管打下了基礎，德國在1976年開發(fā)出了具有類似功能的泥水平衡掘進機；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)了土壓式掘進機；1981年，為應對復雜地層的暗挖工程，一種結合了泥水平衡及土壓平衡2種工法優(yōu)點的泥濃式掘進機被研發(fā)出來，并快速成為日本圓形頂管領域的主流掘進機(占比60%以上)。隨著上述土體開挖和穩(wěn)定技術的突破，此階段，圓形頂管的頂進長度增加和地層適應性顯著增強，也為矩形頂管裝備的研發(fā)提供了借鑒。具體的技術演化過程如圖1所示。

圖1 工作面開挖方式及穩(wěn)定性控制技術演化

矩形掘進機由于切割結構的復雜性，直到1989年才在日本被開發(fā)出來。當時矩形頂管以敞開式工作面為主要特征，通過頂進及牽引相配合的矩形推進工法得到了廣泛應用。其中，代表性工程包括英國在M1高速公路15A號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控制摩阻力。頂進距離方面，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雜條件下，首次采用了凍結法穩(wěn)定土體及工作面，并將其應用于2004年完工的波士頓地下快速道路工程中，該技術進一步拓寬了矩形頂管法的適用場景，使頂進的最大斷面達到了23.78 m×11.59 m，最大頂進長度為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3個及以上的箱涵，利用錯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現(xiàn)推進。這種類似于芥尺蟲前進的方法降低了對反力墻的依賴，并于1996年應用于21.6 m×7.8 m×279.5 m(外寬×外高×長)的寶來隧道等多個頂推工程。具體來看，該階段的工程實踐為頂推工法向密閉式掘進技術發(fā)展提供了理論依據(jù)。

1.2.3 新技術開發(fā)期(20世紀90年代至今)

進入20世紀90年代，矩形頂管迎來了密閉式機械掘進的快速發(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機的切削機制類型對矩形頂管掘進技術進行介紹。

1.3 潛在應用場景

隨著矩形密閉式掘進機的發(fā)展，矩形頂管法的應用場景逐步增加。國內學者對矩形頂管工法的適應性進行了評估[11]，但近年來，我國大城市逐步進入了大深度地下空間開發(fā)利用的新時期，提出了地下停車場、地下物流、地下公共設施互聯(lián)互通、地下倉儲等新型應用場景；同時，日本等發(fā)達國家也處于大深度地下空間開發(fā)的關鍵期。值得留意的是，日本圓形頂管在新型應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，本文結合我國地下設施開發(fā)現(xiàn)狀以及其他國家的應用情況，將目前及未來一段時間內矩形頂管法的在我國主要的應用場景羅列如下：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/地下設備及物流通道等矩形斷面空間的開發(fā)建設；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、學校門口等易發(fā)生事故地點的穿越通道；6)道路兩側大型建筑物的地下聯(lián)絡通道；7)地下工程中的輔助性工作通道; 8)鐵路及相關交叉點的下穿工程；9)要求結構剛度更高的矩形管幕工程；10)保護地下構筑物的矩形托底支護工程; 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)絡道工程；13)已有隧道的擴建工程；14)矩形頂管施作地下連續(xù)墻。

另外，隨著矩形頂管技術的發(fā)展，還可能有新的場景產(chǎn)生。

2 矩形頂管頂推力計算的研究進展

頂推力是頂管技術中的關鍵技術參數(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。頂推力計算對反力墻設計、管節(jié)壁厚及配筋等結構參數(shù)設計、中繼間的位置和數(shù)量配置等環(huán)節(jié)至關重要。目前，頂推力評估是將管周摩阻力和開挖面土壓力分別計算，其中，摩阻力計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，是準確計算頂推力的關鍵。因此，本文將對近些年來摩阻力的計算理論及相關標準進行闡述。從計算方法分類來看，摩阻力的計算主要包括：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)驗取值方法確定；2)以歷史數(shù)據(jù)為依據(jù)的反演計算方法并輔以實驗室測試；3)以位移法為主的數(shù)值模擬方法。其中，理論分析和反演計算方法的研究更受關注。

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；為掘進機側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算的前提，因此，國內外學者對頂管工程中的管-土接觸模型進行了廣泛研究。根據(jù)學者對圓形頂管的管-土接觸模型進行總結[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，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，對矩形管節(jié)適應性仍需要進一步討論。Wen等[12]學者借鑒了圓形頂管的經(jīng)驗，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)及其對應的計算方法，并結合了工程案例進行了驗證。從研究結果來看，盡管提供了6項計算公式來評估不同接觸模型下的摩阻力，但其準確性嚴重依賴于漿液分布、地層穩(wěn)定性等多種因素，依然難以應用于實際工程。

(a)管-土全接觸 (b)管-土三邊全接觸

此后，Ma等[13]學者提出了另一種管-土部分接觸模型，認為在矩形頂管施工過程中，由于土體拱效應的弱化，上覆土體會與矩形管節(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，基于此提出了管-土接觸系數(shù)的概念，用來評估側壁土體穩(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卵礫地層取得了較好的效果，但對于接觸系數(shù)的取值方法以及在其他區(qū)域的適用性還需進一步驗證。此外，焦程龍等[14]采用數(shù)值模擬方法來研究頂進過程中漿液作用下的管-土接觸狀態(tài)，通過對比各種接觸模型與實測數(shù)據(jù)，提出了矩形頂管工程管-土2/3接觸的初步結論。

圖4 矩形頂管側壁管-土接觸模型

在管-土接觸模型的基礎上，國內學者結合具體的工程案例對接觸壓力進行了實測研究。通過在頂進管節(jié)上安裝土壓力盒來實時監(jiān)測頂進過程中的管-土接觸壓力，并以此推測管-土接觸的實際狀態(tài)。鄭斌[15]基于上海淞滬路的頂管實測土壓力要明顯高于基于土柱理論等計算的結果，并通過反演計算提出了上海沙質粉土地層的壓力增大系數(shù)。袁心等[16]對蘇州城北路的矩形頂管隧道進行了土壓力監(jiān)測，該研究主要分析了注漿壓力與實測土壓力的影響關系，并得出管節(jié)頂板實測土壓力大于底板及側壁，認為管節(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果來看，管-土接觸狀態(tài)與工程地質條件密切相關，在黏土層及淤泥質地層中，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)定性變弱，管節(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]，因此還不足以準確推測整個管節(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)較為復雜，對工程地質條件、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，可能隨著頂進距離而動態(tài)變化。

2.2 摩阻力計算及其控制技術進展

2.2.1 摩阻力計算的研究進展

隨著矩形頂管頂進距離、開挖斷面的增加，對阻力評估的精度要求越來越高，基于圓形頂管的阻力計算會產(chǎn)生明顯誤差[18]，直接關系到管節(jié)結構、反力墻等輔助設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上，有必要建立用于矩形頂管摩阻力計算的新方法。學者們結合工程案例對矩形頂管的摩阻力計算進行了大量研究，首先是對太沙基理論、普氏拱及比爾鮑曼理論等土壓力計算理論在矩形頂管中的可靠性進行對比和驗證[19-20]，并考慮管節(jié)-泥漿接觸阻力推導了大斷面矩形頂管的頂推力預測公式。其次，考慮管-漿接觸阻力，基于黏性流體力學平板模型的N-S方程，通過計算管壁漿液流體的剪應力來預測管土接觸阻力；并針對仿矩形頂管的圓角，推導了仿矩形頂管的摩阻力計算公式[21]。但目前的預測模型普遍缺乏對頂進過程中地質條件變化的考慮，包括土體性質的改變，漿液波動等不確定因素對現(xiàn)有模型準確性產(chǎn)生的干擾。針對該問題，通過傳感器實時監(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，實時更新土體參數(shù)，并通過機器學習的方法建立基于歷史數(shù)據(jù)的人工智能預測模型可以進一步提高預測精度。Sheil等[22]基于2項英國的頂管工程案例，采用貝葉斯更新方法，動態(tài)更新頂進過程中土體參數(shù)來及時預測頂推力變化，初步驗證了動態(tài)預測的可行性。

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

表1 不同標準給出的摩擦因數(shù)推薦值

標準制定方面，目前多數(shù)標準對矩形頂管摩阻力的計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，如日本矩形推進工法技術協(xié)會以及國內部分地方給出的設計標準。此外，英國頂管協(xié)會(PJA 1995)、美國土木工程協(xié)會(ASCE 27)、法國非開挖技術協(xié)會(FSTT 2006)、德國非開挖協(xié)會(ATVA 161)等并未對矩形頂管的阻力計算單獨進行規(guī)定。國內部分地方性規(guī)范對頂管工程中頂推力及摩阻力計算進行了說明，包括CECS 246—2008《給水排水工程頂管技術規(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標準》、廣東省DBJ/T 15-229—2021《矩形頂管工程技術規(guī)程》、遼寧省DB21/T 3360—2021《頂管工程技術規(guī)程》、中國非開挖技術協(xié)會行業(yè)標準2012《頂管施工技術及驗收規(guī)范》等。各個規(guī)范中對頂推力及摩阻力的計算方法規(guī)定如表2所示。

表2 規(guī)范中頂推力計算方法對比

其中，《給水排水工程頂管技術規(guī)范》、《綜合管廊矩形頂管工程技術標準》及《矩形頂管工程技術規(guī)程》對矩形頂管頂推力的計算進行了說明。從已經(jīng)給出的計算公式來看，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標準》和《矩形頂管工程技術規(guī)程》通過管節(jié)外表面積及單位面積上管-土體接觸阻力來計算整體摩阻力。單位摩阻力基于土體類型及工程經(jīng)驗選取，給出的土體分類及取值見表3；矩形頂管協(xié)會給出的土體分類及其單位摩阻力取值見表4。

表3 采用觸變泥漿時推薦單位面積平均摩阻力

表4 矩形頂管協(xié)會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規(guī)范》對矩形頂管摩阻力給出了較為詳細的計算方法，考慮了矩形管節(jié)頂板及側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，有利于提高計算精度，適用于長距離、大斷面等復雜條件下對頂推力精準預測的情況。

考慮當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測方法及其參數(shù)取值規(guī)范，對技術發(fā)展較為有利。

2.2.2 摩阻力控制對策研究

摩阻力控制方面，學者們基于工程實例[23]，對減摩泥漿、背土效應、頂進姿態(tài)等因素對頂推力的影響機制進行了研究，提出了矩形頂管工程中的減阻措施和技術對策，具體包括設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行潤滑、設置管節(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。在法國開展的一項試驗表明，當超挖間隙從32 mm降到12 mm時，管節(jié)表面摩阻力增加了2倍以上。在超挖間隙內注入潤滑劑是控制摩阻力的關鍵環(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。有學者開展了各種潤滑劑作用下的界面摩擦試驗，測試結果如表5所示。

表5 不同潤滑劑作用下摩擦因數(shù)測試結果[24]

盡管潤滑劑的性能與地質條件有關，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際性能[25]?，F(xiàn)場方面，國內學者對泥漿套的形成機制進行了大量的研究[26-27]，并結合工程案例對泥漿注入工藝以及泥漿配比進行了研究，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，漿液會與土體發(fā)生反應，注入潤滑劑時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，但當摩擦因數(shù)降低到0.1以后，通過調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)實際上是一套在頂進過程中逐漸鋪設在底板、頂板或者側壁的鋼繩網(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)，通過工具管內的柔性隔離層敷設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，隔膜會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條件，有利于提高超挖間隙的穩(wěn)定性，降低漿液滲透等。當前密閉式矩形掘進機的長距離頂進，需要新的摩阻力控制措施，該領域仍有待于進一步研究。

3 背土效應的發(fā)生機制及其控制技術

背土效應是矩形頂管工法中需要應對的關鍵問題。目前對背土效應的研究可分為背土發(fā)生機制和控制背土的技術對策2個方面。由于學者們對背土效應發(fā)生機制的認知差異，背土效應的定義仍存在分歧。目前對背土發(fā)生機制有2種觀點：1)熊翦[19]將背土效應歸結于淺埋情況下，位于卸載拱內的土體在自重作用下坍塌覆于頂管機上表面，使得頂管機向前頂進過程中馱帶這部分土體移動；2)高毅等[28]提出了“整體背土”概念，認為管節(jié)正上方土體與管節(jié)接觸面積隨著頂程增加，導致管節(jié)總摩阻力越來越大，當摩阻力超出了周邊土體的整體約束能力后，導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的內涵。首先，將背土效應局限在頂管機機頭，忽略了后續(xù)管節(jié)上方也會發(fā)生背土的實際情況，也沒有考慮注漿以及掌子面開挖卸載等與背土發(fā)生機制的內在關聯(lián)。而“整體背土”理論的爭議點是忽視了土體自身黏附性，即隨著頂管管節(jié)推進在其外表附著并逐漸累積，進而導致背土發(fā)生和摩阻力增加的情況?；诖?，本文認為背土效應是由于管周土體經(jīng)歷掌子面重復性開挖卸載及加載、后續(xù)管節(jié)連續(xù)擾動、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)上方或側壁并隨之移動，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)生變形或破壞的結果，掌子面的開挖和壓力平衡使得周圍土體的應力分布發(fā)生改變，而后續(xù)管節(jié)移動和漿液注入使得土體被進一步擾動。當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，背土效應勢必發(fā)生。因此，廣義上的背土效應不僅會發(fā)生在矩形管節(jié)頂板，也應包括側壁上發(fā)生的土體破壞及土體隨管節(jié)移動的情況。

從施工現(xiàn)場角度來看，影響背土效應的因素是多方面的，包括工程地質條件、管節(jié)幾何參數(shù)、施工參數(shù)控制等。研究控制背土效應發(fā)生的技術對策對淺覆土、大斷面及長距離矩形頂管具有重要意義。目前，控制背土的技術措施是從抑制和平衡外力以及增強土體自身穩(wěn)定性的角度出發(fā)，包括：1)控制工作面壓力和開挖速度，減少對土體的擾動；2)超挖間隙設置，抑制管土接觸對周圍土體產(chǎn)生的剪切力；3)注漿充填，減少摩阻力的同時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，設置水平隔離以及管幕等輔助措施也可以抑制背土效應的發(fā)展。

4 矩形頂管地層響應及其控制對策

4.1 矩形頂管沉降機制

沉降控制是矩形頂管的另一個研究熱點。目前對于矩形頂管施工引起的地表沉降研究包括以下3個方面：1)頂進過程中地層響應機制及其影響因素；2)地層沉降預測模型的發(fā)展和對比；3)基于工程案例的沉降控制對策。通常情況下，國外學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對前方土體的加載、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)偏轉等造成的土體擾動和應力釋放，引起土體彈塑性變形及其地層損失而產(chǎn)生的沉降。從地表變形與頂進距離的關系來看，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個階段[29]，沉降機制如圖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間推移逐漸累積的結果，與其他密閉機械暗挖工法的差異在于管節(jié)移動所產(chǎn)生的附加擾動效應。因此，考慮矩形管節(jié)斷面形狀特征，可將管節(jié)移動誘發(fā)的地表沉降概括為3個方面：1)管節(jié)接頭處的起伏及轉角等不規(guī)則區(qū)域攜帶松散土體隨著管節(jié)移動導致地層損失所誘發(fā)的沉降；2)管-土摩擦、偏轉導致土壤顆粒位移并誘發(fā)沉降；3)背土效應引起的沉降。

從大量實測研究來看，目前對矩形頂管地表沉降得出的經(jīng)驗包括：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，背土效應會增加局部區(qū)域土體損失，對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，而單側沉降槽影響范圍也接近于管節(jié)寬度。

對矩形頂管土體擾動機制的研究也取得了一些進展。房營光等[30]考慮盾構法與頂管法施工的相似性，對頂管法土體擾動區(qū)分布模型進行了研究，給出了施工擾動區(qū)和應力狀態(tài)穩(wěn)定區(qū)及其分界方法；隨后，魏綱[6]對頂管法土體擾動區(qū)進行了細化和延伸，提出了圓形頂管施工對周圍土體的7個擾動區(qū)模型，包括擠壓擾動區(qū)、剪切擾動區(qū)、卸荷擾動區(qū)、注漿擾動區(qū)和固結區(qū)5個擾動類型?；谝陨涎芯?，針對矩形頂管土體擾動特征，提出了矩形頂管土體擾動分區(qū)模型，如圖6所示，包括開挖剪切擾動區(qū)、機頭卸荷擾動區(qū)、機頭(頂部、側壁及底部)剪切擾動區(qū)、管節(jié)(頂部、側壁及底部)卸荷擾動區(qū)、管節(jié)(頂部、側壁及底部)注漿剪切擾動區(qū)、底部卸荷擾動區(qū)、弱擾動區(qū)和固結區(qū)8個擾動區(qū)分類，各個分區(qū)的邊界通過具體地質條件及施工參數(shù)綜合確定。

圖6 矩形頂管施工土體擾動分區(qū)示意圖

4.2 矩形頂管的地表沉降預測

矩形頂管施工誘發(fā)地表沉降預測方面，采用的計算方法主要包括：1)經(jīng)驗-數(shù)學分析法，包括Peck公式、隨機介質理論以及神經(jīng)網(wǎng)絡智能預測等；2)理論分析法，包括Mindlin公式、數(shù)值分析法、模型試驗法。具體應用方面，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)驗方程；并在案例數(shù)據(jù)基礎上，利用PLAXIS 2D建立300多個有限元模型模擬施工過程中的地表響應，結果表明，矩形頂管管節(jié)高度和寬度相等時，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個因素與地表沉降之間的關系，提出土體黏聚力是地表沉降的關鍵因素，而內摩擦角與最大地表沉降量關聯(lián)不大。Mamaqani等[7]還對矩形頂管后期沉降進行了研究，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)與數(shù)值模擬相結合的方式，建立了地表沉降預測模型，得出隨著管節(jié)埋深和土體黏聚力的增加，地表發(fā)生沉降的風險降低。

國內學者對矩形頂管誘發(fā)的沉降進行了研究。徐新等[31]采用隨機介質理論對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行計算，且討論了Peck公式在矩形頂管工程中的適用性，從其研究結論來看，Peck公式及隨機介質法在沉降預測方面與實測值較為接近，這與魏綱等[32]的結論一致。另一方面，部分學者[33-34]通過Mindlin彈性解來分別計算地層損失、掌子面附加壓力、摩阻力以及注漿壓力等對地表沉降的影響，并與實測結果進行對比，取得了較好的結果，但Mindlin彈性解形式較為復雜，難以驗證其假設與土體實際條件的一致性。

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

4.3 沉降控制對策

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)和推進速率等多因素綜合影響，其中地層損失率對地表沉降起主要作用?？刂频貙映两捣矫?，基于大量的工程實踐，榮亮等[35]提出了控制超挖、土體改良、降低水位、注漿潤滑、工作面密閉及錯序開挖、安裝超前鋼托梁等措施來抑制對地表以及鄰近構筑物的影響，其中降低地層損失和施工過程中的土體擾動至關重要。另外，從裝備革新的角度，提升掘進機對周圍土體的穩(wěn)定能力并從源頭上抑制超挖，是減少地表沉降的技術突破方向。

5 工作面穩(wěn)定性分析

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

對于開挖面穩(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的土體，進一步提出了經(jīng)典的楔形體-棱柱模型，用來計算均質地層中的極限平衡壓力；隨后，Broere[38]又將楔形體-棱柱模型擴展到了非均質地層，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]對楔形體上方棱柱體的拱效應進行了研究，提出了棱柱高度的計算方法，并結合離心機模擬試驗提出了無黏性地層開挖面的極限支護壓力推薦值。另外，學者們[6, 40-41]對楔形體-棱柱模型進行了改進，考慮開挖面上刀盤阻力和松動土壓力的分布形式，給出了拋物線分布的極限平衡壓力計算方法，并將開挖面前方的正楔形體滑塊改為梯形楔形體形狀。也有學者采用數(shù)值模擬方法對開挖面前方土體的失穩(wěn)機制進行了探討[39]，初步驗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則，并構建了失穩(wěn)錐體機動場模型，給出了開挖面平衡壓力的上下限解。有學者結合截椎體與對數(shù)螺旋線模型研究了超前支護作用下的開挖面主動破壞模式，基于上限分析法推導出開挖面的安全系數(shù)表達式。Mollon等[43]使用空間離散化方法開發(fā)了2種用于被動失效的旋轉機制。此外，Liu等[44]對開挖面的被動失穩(wěn)機制進行了研究，采用運動學理論推導了控制被動失穩(wěn)的支護壓力上限解及維持開挖面穩(wěn)定的最小極限支護壓力計算公式，并基于塊體剪流組合機構研究了非均質黏土地層中隧道三維開挖面穩(wěn)定性。雷華陽等[45]對隧道開挖面失穩(wěn)機制以及上覆土體拱效應研究進行了系統(tǒng)性的闡述，提出了土體三向壓力時空變化為特征的開挖面失穩(wěn)機制。

綜合而言，目前關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，理論研究有待于進一步更新?？紤]矩形頂管與盾構隧道均采用密閉式機械開挖方法，并通過泥水、土壓及氣壓等支護介質實現(xiàn)開挖面的穩(wěn)定性控制，因此，盾構開挖面穩(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壓力，對抑制沉降以及提高頂管機的靈活性都有實際助益。

6 矩形頂管裝備進展

6.1 國外矩形頂管掘進機的結構形式

從20世紀90年代開始，矩形頂管進入了以密閉式矩形掘進機為主體的新技術開發(fā)期。隨著鐵路隧道及公路下穿隧道的建設，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)了對非圓以及偏平斷面空間的建設需求?；诖?，1988年日本建設部聯(lián)合民企開展“開發(fā)地下空間建設技術”研究，在異形斷面隧道裝備領域取得了進展，開發(fā)了雙圓(double-o-tube)、多圓(multi-circular face shield)、H & V(horizontal & vertical)盾構技術等非圓掘進裝備。1990年，日本西松建設研發(fā)了首個用于矩形斷面的擺動式掘進機，此后，多種類型的密閉式矩形掘進機被逐步開發(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種矩形掘進機?？紤]當前國外矩形掘進機的分類方式繁雜，本文選擇了8種代表性的矩形頂管掘進裝備進行簡要介紹。

6.1.1 筒式矩形掘進機

筒式矩形掘進機是1989年被開發(fā)出來的全斷面矩形空間掘進裝備，通過驅動布置有V型刀的滾筒切割機構實現(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機如圖7(a)所示。該類掘進機容易發(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)合布置雙滾筒旋轉和擺動來實現(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排出，土壓平衡筒式矩形掘進機如圖7(b)所示。

(a)泥水平衡掘進機 (b)土壓平衡掘進機

6.1.2 槳式矩形掘進機

槳式(paddle)類型的矩形切削是由清水建設在2010年開發(fā)的土壓平衡頂管機。該掘進機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軸，并通過水平軸旋轉以及獨立驅動滾筒等方式實現(xiàn)全斷面開挖，各個滾筒可以自由控制旋轉方向和速度。槳式螺旋兼具切割和攪拌功能，槳葉通過旋轉將切割的土沙與添加劑攪拌混合，既能實現(xiàn)掌子面穩(wěn)定，也有利于渣土從各個獨立艙室的排土口排出，如圖8所示。該頂管機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雜場景。水平軸切削簡化了挖掘機構，可以采用通用部件，因此其制造成本與傳統(tǒng)矩形掘進機相比降低了30%左右。

(a)頂管機全貌 (b)刀盤布局

6.1.3 APORO-cutter掘進機

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構(見圖9)。其原理是通過公轉圓的旋轉角度和擺臂的擺動角度變化來實現(xiàn)任意形狀斷面的挖掘。在密閉型掘進機前端的主旋轉筒(公轉圓)上，通過擺臂連接具有自轉功能的切割頭，使得該切割頭根據(jù)預先設計的軌跡高速旋轉切割出所需斷面。

(a)常規(guī)布置 (b)雙聯(lián)布置

該工法由鹿島建設在2008年開發(fā)，由于刀具高速旋轉，對硬質地層具有高適用性，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，可實現(xiàn)大斷面的切削。另外，由于軸承等部件小于常規(guī)掘進機，制造工期相對較短。

6.1.4 刀具可調式矩形掘進機

基于圓形斷面的切削方法，通過在調整旋轉運動中刀具位置實現(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。通過在輻條內安裝電控伸縮刀具，在矩形開挖面的轉角部分控制刀具進行伸縮切削，進而形成矩形斷面。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。另一種是擺動式(WAC, wagging cutter shield)工法，如圖10(b)所示，其矩形斷面切削機制與上述工法類似，自1998年開發(fā)以來，已被廣泛應用。

(a)EX-MAC雙聯(lián)布置 (b)WAC雙聯(lián)布置

6.1.5 R-swing矩形掘進機

R-swing矩形斷面切削機構可拓展性好，所有單元可以被簡便地分割成便于運輸?shù)某叽纾覇卧g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地表沉降的擾動。該技術在輔助工具管的支持下，可以實現(xiàn)水平及垂直方向的曲線切割，因此具有較好的應用前景。

(a)R-swing頂部張開 (b)R-swing多聯(lián)布置

6.1.6 OHM矩形掘進機

OHM工法是任意斷面隧道切削工法(omni-sectional hedge tunnelling method)的簡稱，通過偏心公轉配合刀具輻條繞軸自轉的方式，以不同的轉速比實現(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，需要考慮偏心預定量以及刀具的旋轉方向和轉速差異來實現(xiàn)所需斷面的開挖。

(a)OHM單聯(lián)式 (b)OHM雙聯(lián)布置

6.1.7 行星輪自轉公轉式矩形掘進機

行星輪自轉公轉式矩形掘進機通過調整偏心多軸行星輪的自轉及公轉速度，實現(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計了用于矩形頂管的密閉性掘進機，如圖13所示。

(a)常規(guī)自轉公轉式 (b)拓展的自轉公轉式

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

6.1.8 其他類型

實際上，市場上還存在其他類型的矩形掘進機，包括早在1995年開發(fā)的偏心多軸(Dplex)矩形掘進機，以及搖動輻條式配合其他刀具進行矩形斷面切削的掘進機等，如圖14所示。目前來看，偏心多軸式矩形掘進機在我國應用案例較多，其他類型的矩形掘進裝備沒有得到運用。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合懸臂掘進機開挖在卵石或其他障礙物分布地層條件中有獨特的優(yōu)勢，如圖15所示。

(a)偏心多軸式 (b)搖動刀具配合輔助刀具

(a)敞開式矩形掘進機 (b)懸臂式掘進機

6.2 國內矩形頂管掘進機的結構形式

我國于20世紀90年代開始矩形掘進裝備的研發(fā)，先是1995年開發(fā)出了網(wǎng)格式矩形隧道掘進機[2]，并于1999年制造了斷面規(guī)格為3.8 m×3.8 m的矩形頂管掘進機。此后，矩形及異形隧道掘進技術不斷進步，并從2015年后進入了裝備和工程應用的高峰期，并開發(fā)出了多個世界最大的矩形及類矩形掘進機[46-49]。國內學者[2, 5, 50]對我國矩形掘進機的技術進展和裝備特征進行了介紹?？傮w而言，我國的矩形斷面掘進機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具有斷面尺寸易拓展、驅動方式簡單、開挖盲區(qū)相對較小、地層適應性強、制造技術成熟等優(yōu)勢，結合我國當前對大斷面及超大斷面矩形地下空間的開發(fā)需求，其應用范圍最為廣泛，代表性的案例包括應用在嘉興市區(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，如圖16所示。

圖16 平行中心軸式類矩形頂管機(14.82 m×9.446 m)

偏心多軸式刀盤矩形頂管機具有全斷面切削，軸承等部件相對較小，便于大斷面設計。但相對于中心軸式掘進機，其掌子面渣土的攪拌性能受限，姿態(tài)控制相對較難，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)同工作可以實現(xiàn)任意斷面的切削，相對于偏心多軸式，其應用范圍得以拓寬。代表性案例包括鄭州中州大道下車行隧道的頂進工程[51-52]，以及上海軌道交通14號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

此外，范磊等[54]對裝配式矩形頂管掘進機的開發(fā)和應用進行了研究，包括分體組合、合體限位、自由組裝、管線互通等設計理念的應用，以及對小斷面無人矩形頂管機具的開發(fā)。

7 矩形頂管技術發(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的發(fā)展對地下空間的精細化利用有重要意義。隨著新型應用場景的不斷涌現(xiàn)，對矩形掘進機的功能升級和新技術創(chuàng)新提出了新的要求?；诠こ探ㄔO的具體需求和技術潛在的發(fā)展趨勢，本文對矩形頂管技術面臨的挑戰(zhàn)和技術創(chuàng)新的方向進行了探討。

7.1 矩形頂管存在的技術挑戰(zhàn)

國內學者對矩形頂管技術在理論、設計和施工3個方面存在的問題進行了闡述[4]，但沒有對技術領域面臨的挑戰(zhàn)進行說明?；诖耍疚膹募夹g和裝備的角度將當前矩形頂管存在的挑戰(zhàn)歸納為以下4點：

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

2)矩形頂管掘進智能化水平不夠。矩形頂管已經(jīng)實現(xiàn)了遠程操作，但目前掘進機對地層條件變化及掌子面壓力波動等關鍵信息的捕捉和主動分析的能力不足，缺乏數(shù)據(jù)智能化處理環(huán)節(jié)，導致掘進機缺乏及時反饋的能力。例如，掌子面穩(wěn)定所需的動態(tài)感知、反饋能力與當前掘進機的單一、固定功能不兼容。

3)矩形掘進機缺乏抑制背土、摩阻力的精準預測和降低摩阻力等技術對策，對大斷面、長距離等新型應用場景的適應性有待提高。

4)始發(fā)井、接收井和中繼間等工藝環(huán)節(jié)成本高，技術經(jīng)濟指標存在風險。尤其是大斷面矩形頂管工程，其在掘進裝備、預制管節(jié)、低碳節(jié)能和可重復利用等方面面臨實際挑戰(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)中的獨特優(yōu)勢，結合上述分析，對矩形頂管的發(fā)展趨勢進行了以下初步的預測和討論，主要包括6個方面。

7.2.1 掘進裝備的智能化

矩形頂管技術的核心在于矩形掘進裝備。掘進裝備的升級依賴于工程現(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。要從矩形頂管掘進裝備自身來尋找解決對策。從國內外工程應用和研究進展的角度來看，矩形頂管掘進機的智能化對工程現(xiàn)場有意義。目前已經(jīng)實現(xiàn)了遠程操控，智能注漿，但裝備整體的智能化協(xié)同水平還需要進一步提高。

對于掘進裝備的智能化，本文提出需要重點關注的因素包括以下3個方面：1)頂推力的實時評估和控制，實現(xiàn)掌子面的動態(tài)平衡，以減少過高的掌子面壓力對土體及地面的擾動；2)地表響應的自主感知和主動響應，包括開發(fā)基于主動探測和自主響應的輔助控制系統(tǒng)，包括土體改良、掌子面壓力的實時調整等；3)地層物理參數(shù)進行識別和預測，通過機器學習等方法以提前應對背土效應和開發(fā)新的減阻技術。

7.2.2 長距離、大斷面矩形頂管裝備的發(fā)展

當前，長距離、大斷面的工程需求逐漸增多。自2015年以來，國內外的矩形頂管工程案例如表6所示。由表可知，大多數(shù)的矩形頂管的推進長度在200 m以內，然而，頂推距離和頂進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)具有長距離頂進能力的矩形掘進機將受到關注，這有助于拓展矩形頂管應用范圍和優(yōu)化技術經(jīng)濟指標。

表6 國內代表性矩形頂管工程案例

7.2.3 曲線矩形頂管的發(fā)展和應用

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

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，頂進距離為220 m。2021年，英國在威靈頓A15公路下頂進了其首個矩形曲線頂管工程，頂進長度155 m，管節(jié)尺寸為9.5 m×5.1 m，曲線半徑為750 m。結合上述案例，頂管掘進機的曲線開挖和導向能力、姿態(tài)控制和糾偏能力以及頂進過程中管節(jié)接頭的跟隨控制是矩形曲線頂管技術的關鍵。

7.2.4 矩形管節(jié)拼裝預制的推廣和應用

如前所述，隨著開挖斷面的增加，管節(jié)分段預制可以避免運輸環(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。預制拼裝在國內已有案例，其難點在于管節(jié)預制的精度和接縫處的密封。目前，通常采用預應力鋼棒進行管節(jié)的組裝連接。管節(jié)材質方面，考慮大斷面、長距離情況下對管節(jié)強度的要求，通過纖維增強以及高性能混凝土改善管節(jié)力學性能，抑制管節(jié)質量和壁厚的增長等。

(a)分段與現(xiàn)場拼接 (b)拼接后的矩形管節(jié)

7.2.5 適用于復合地層的矩形頂管技術

當前，矩形頂管穿越復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合地層帶來的技術挑戰(zhàn)。通常情況下，根據(jù)穿越地層自身物理力學性質的差異，采用土體改良和注漿等手段實現(xiàn)復合地層土體的均質化，配合刀盤優(yōu)化等措施以減少頂管機偏轉、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”等雙艙雙模設計及泥濃法來平衡開挖面上的壓力差異，減少掘進擾動范圍。在遭遇硬巖及大型孤石等難以開挖的障礙物時，需要采用導洞預處理、施工專門立井等方法來清理。

但從技術發(fā)展的趨勢來看，需要進一步從裝備開發(fā)的角度來提升矩形頂管對復合地層的適應性。設計針對復合地層的組合式、先導式矩形頂管機將為復雜地層條件下大斷面矩形頂管提供新的技術支撐。筆者正在開展大斷面先導開挖矩形頂管裝備的研發(fā)，通過裝備對切割面分區(qū)、分段和錯位開挖，可解決大斷面、淺覆土及復合地層等復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用到了托底加固、矩形管幕等土體加固領域。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機具備極強的復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，密閉式臺階斷面矩形頂管掘進機將會得到快速發(fā)展，其技術性能在日本初步得到了驗證，并在淺覆土以及復合地層情境下有較好的適應性，是應對大斷面矩形頂管的關鍵技術措施。

8 結論與展望

矩形頂管法在城市地下空間開發(fā)及基礎設施建設中發(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雜工況下的理論和技術挑戰(zhàn)，通過新技術的應用和創(chuàng)新，未來幾年有望在上述領域實現(xiàn)技術突破。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準及行業(yè)標準，促進了矩形頂管的技術發(fā)展和工程應用。但目前多數(shù)標準主要是對具體施工工藝的指導，相關參數(shù)的取值依然基于圓形頂管的規(guī)范，對于長距離、大斷面等新場景的應用產(chǎn)生了制約。另外，多數(shù)標準缺乏對新技術的采納，例如：尚未對曲線矩形頂管、矩形巖石頂管等新領域進行理論探討，不利于技術的進一步發(fā)展和推廣。

盡管國內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矩形頂管法升級的關鍵技術，且裝備創(chuàng)新和智能化理論研究嚴重落后于工程實踐。另外，國內尚未建立矩形頂管工程數(shù)據(jù)共享的機制和平臺，缺乏對頂管具體使用場景下的詳細規(guī)范，導致矩形頂管機的重復利用率低，技術經(jīng)濟指標還有待于進一步優(yōu)化。