矩形頂管技術(shù)在地面交通繁忙、地層條件復(fù)雜的城市地下空間開(kāi)發(fā)中應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)矩形頂管隧道項(xiàng)目斷面尺寸、用途、上覆土厚度和穿越地層類型等方面的統(tǒng)計(jì)分析，從矩形頂管的選型和背土效應(yīng)控制、不同地層的針對(duì)性措施、斷面和用途的發(fā)展以及新技術(shù)應(yīng)用等多方面總結(jié)分析矩形頂管現(xiàn)階段的應(yīng)用與發(fā)展特點(diǎn)。
一、矩形頂管技術(shù)的選型與背土效應(yīng)控制
1、開(kāi)挖面支護(hù)方式與渣土改良
開(kāi)挖面的穩(wěn)定性控制是非開(kāi)挖技術(shù)中的關(guān)鍵，對(duì)減小地層擾動(dòng)起著決定性作用，在盾構(gòu)選型中所形成的三角理論就是以開(kāi)挖面穩(wěn)定為中心設(shè)置的，并考慮了土體粒徑級(jí)配、滲透性、地下水等因素。與盾構(gòu)技術(shù)類似，矩形頂管技術(shù)開(kāi)挖面支護(hù)技術(shù)主要有土壓平衡支護(hù)式和泥水平衡支護(hù)式，即通過(guò)土壓力和泥水壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面壓力，但其選型并沒(méi)有定量化。如盾構(gòu)技術(shù)中認(rèn)為渣土含有 30%左右的細(xì)微顆�？梢源_保其塑性流動(dòng)性，以及根據(jù)地層粒徑級(jí)配和滲透性定量化選擇開(kāi)挖面支護(hù)方式，矩形頂管的選型在定量化方面還需進(jìn)一步發(fā)展。在統(tǒng)計(jì)的 57 個(gè)案例中，只有 2 例使用了泥水平衡頂管，其他均為土壓平衡頂管，現(xiàn)有工程應(yīng)用表明矩形頂管開(kāi)挖面支護(hù)方式多為土壓平衡式。
2、上覆土厚度與背土效應(yīng)
矩形頂管由設(shè)置于始發(fā)豎井中的液壓油缸頂推，頂管管節(jié)與頂管機(jī)同時(shí)向前移動(dòng)，這個(gè)頂推力需要同時(shí)克服開(kāi)挖面壓力和管節(jié)與巖土體摩擦力才能推動(dòng)頂管機(jī)前進(jìn)。
矩形頂管一般寬度大、埋深較淺，很難形成卸荷拱效應(yīng)，上覆土直接坍塌覆于頂管上表面，因管節(jié)與土體產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，在推進(jìn)過(guò)程中容易出現(xiàn)背土效應(yīng)。使用矩形頂管建設(shè)地下空間是為了減小環(huán)境影響，保持施工上方的正�；顒�(dòng)，因此上覆土層的穩(wěn)定性和背土效應(yīng)的控制一直是工程關(guān)注的重點(diǎn)，觸變泥漿減阻技術(shù)的使用在減小了頂推力的同時(shí)，也可減弱背土效應(yīng)。
統(tǒng)計(jì)案例中矩形土壓平衡式頂管覆土厚度區(qū)間為 3～8m，少數(shù)矩形頂管項(xiàng)目中局部覆土厚度超過(guò) 10m。淺覆土厚度小于 3m 的唯一案例為南昌大橋西雙孔矩形頂管，覆土厚度僅為 1. 5m。為了保持上覆地層穩(wěn)定和頂管的安全施工，在南昌大橋西超淺覆土雙孔矩形頂管的頂部及兩側(cè)采用了管幕施工加固，管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)形式呈倒“山”形，工程上為突破頂管上覆土的最小厚度，在其他措施方面增加了不少投入。
因此有必要基于上覆土厚度及力學(xué)性質(zhì)、機(jī)( 管) 土摩擦等因素研究頂進(jìn)時(shí)上覆土層的變形，并結(jié)合上覆土層變形控制措施，從變形控制的角度提出臨界背土效應(yīng)的判斷理論，為設(shè)計(jì)和施工階段提供頂管上覆土厚度的控制標(biāo)準(zhǔn)。
二、矩形頂管技術(shù)應(yīng)用分析
（1）矩形頂管竣工情況分析
從 1999 年上海地鐵 2 號(hào)線陸家嘴站 5 號(hào)出入口人行地道成功應(yīng)用矩形頂管，2012 年佛山市南海區(qū)桂城街道地下空間項(xiàng)目采用四孔小間距并行頂進(jìn)，到 2018 年川大停車場(chǎng)下穿人民南路人行通道項(xiàng)目國(guó)內(nèi)首次在砂卵石地層中采用矩形土壓平衡式頂管機(jī)，以及 2021 年上海軌道交通 14 號(hào)線地鐵車站靜安寺站首次采用矩形頂管建造，矩形頂管技術(shù)在城市密集建設(shè)區(qū)、地下空間開(kāi)發(fā)受限區(qū)以及城市繁忙區(qū)域得到了廣泛應(yīng)用�；谖墨I(xiàn)、新聞網(wǎng)站和工程施工案例調(diào)查，可以看出采用矩形頂管技術(shù)施工的完工項(xiàng)目逐年增加，且矩形頂管采用的斷面面積有不斷增大的趨勢(shì)，其斷面面積從最開(kāi)始的14. 44m2 增長(zhǎng)到140m2 (2020年貫通的嘉興市區(qū)快速路下穿南湖大道頂管隧道) 。
近年竣工的矩形頂管項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)
（2）矩形頂管使用場(chǎng)合
矩形頂管技術(shù)作為一種非開(kāi)挖手段，能最大程度降低對(duì)周圍環(huán)境的影響，復(fù)雜環(huán)境下越來(lái)越傾向于使用該技術(shù)。通過(guò)對(duì)近十年施工完成的 57 個(gè)案例研究表明，采用矩形頂管施工的工程主要用于下穿城市道路、下穿高速、下穿河道、上跨隧道、下穿隧道和下穿高架橋六方面，對(duì)施工區(qū)域上方的商業(yè)活動(dòng)或車輛通行基本可以做到無(wú)影響，避免了對(duì)道路的反復(fù)開(kāi)挖以及情況復(fù)雜的交叉作業(yè)。
（3）矩形頂管地層適用性及針對(duì)性措施
無(wú)水砂卵石地層
川大停車場(chǎng)下穿人民南路人行通道項(xiàng)目(2015年) 為國(guó)內(nèi)首次在砂卵石地層中采用矩形土壓平衡式頂管機(jī)，針對(duì)頂部細(xì)砂層的穩(wěn)定性控制，一方面采用了在設(shè)備頂部注入稠度較大的膨潤(rùn)土，使其滲透到拱頂和前方砂礫層中形成泥膜隔離層，泥漿的壓力作用在泥膜上，以支撐拱頂?shù)[層; 另一方面預(yù)留超前注漿孔，在設(shè)備掘進(jìn)前，提前進(jìn)行注漿加固。
矩形頂管使用場(chǎng)合
富水砂卵石地層
在蘇州城北路綜合管廊矩形頂管工程(2017年) 中針對(duì)穿越的富水砂層，為降低頂管機(jī)始發(fā)及接收時(shí)涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)始發(fā)及接收洞門(mén)進(jìn)行加固，以提高土體強(qiáng)度和自穩(wěn)性，同時(shí)設(shè)降水井降水減壓; 頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)注入濃泥漿液、泡沫劑、增稠劑等，改善土倉(cāng)內(nèi)土體和易性、塑性和止水性能，平衡土壓力，以保持流砂層開(kāi)挖面的穩(wěn)定。
軟土層
廣州地鐵北京路站出入口矩形頂管工程(2018年) 成功穿越淤泥質(zhì)土層，項(xiàng)目針對(duì)淤泥軟土層對(duì)頂管全程進(jìn)行全斷面注漿預(yù)加固，端頭進(jìn)行了土體加固，防止機(jī)頭始發(fā)時(shí)出現(xiàn)“磕頭”，在頂進(jìn)過(guò)程中適當(dāng)提高頂進(jìn)速度，使正面土壓力稍大于理論計(jì)算值，以減少對(duì)正面土體的擾動(dòng)并防止出現(xiàn)地面沉降。
臺(tái)州綜合管廊過(guò)永寧河矩形頂管工程(2019年) 通過(guò)注漿改良土體，改善不良土體的流塑性，嚴(yán)控出土量，保證了開(kāi)挖面的土體穩(wěn)定，成功穿越了永寧河河床底的淤泥層。針對(duì)過(guò)河段淺覆土頂管施工過(guò)程中可能發(fā)生管節(jié)上浮及頂管完成后管節(jié)不均勻沉降的現(xiàn)象，頂管完成后采用了注水泥漿置換觸變泥漿來(lái)固結(jié)通道，同時(shí)采用槽鋼對(duì)管廊管節(jié)進(jìn)行剛性連接。
上軟下硬地層
矩形頂管在穿越上軟下硬地層時(shí)，為保護(hù)刀盤(pán)降低掘進(jìn)速度，但由于上部土層易坍塌，掘進(jìn)速度過(guò)低對(duì)上部土層穩(wěn)定性不利，螺旋出土口可能出現(xiàn)涌水涌砂，同時(shí)黏土礦物的存在，導(dǎo)致易結(jié)泥餅，借鑒盾構(gòu)穿越上軟下硬復(fù)合地層的技術(shù)解決方法，矩形頂管為穿越上軟下硬地層可以從地層置換、刀盤(pán)改進(jìn)和渣土改良等方面出發(fā)提出技術(shù)解決方案。
如長(zhǎng)沙地鐵 6 號(hào)線韶光站 3 號(hào)出入口在矩形頂管頂進(jìn)前，對(duì)下部的中風(fēng)化泥砂層進(jìn)行了鉆孔預(yù)處理，并在鉆孔內(nèi)充填膨潤(rùn)土; 頂進(jìn)時(shí)壓注泥漿和增稠劑，使中風(fēng)化泥巖與泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆�，順利穿越該地層�?/span>
結(jié)合地層改良、渣土改良和刀盤(pán)改進(jìn)等針對(duì)性技術(shù)措施，矩形頂管成功穿越了包括砂卵石層、軟土地層和上軟下硬地層等在內(nèi)的復(fù)雜地層，展現(xiàn)了廣泛的地層適用性，為復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中的應(yīng)用提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
四、矩形頂管斷面和用途發(fā)展分析
（1）矩形頂管斷面形式
當(dāng)前矩形頂管斷面的設(shè)計(jì)有兩種思路: 矩形和類矩形斷面形式。矩形斷面四邊為平面，四角進(jìn)行倒角設(shè)計(jì); 而類矩形斷面則有利于結(jié)構(gòu)的整體受力，如采用矩形的上部起拱、四邊都起拱等模式。矩形斷面的上部或四邊起拱，是為了改善結(jié)構(gòu)受力，而起拱對(duì)于頂管推進(jìn)的環(huán)境影響，以及后注漿的模式會(huì)影響地層變形特性，需要進(jìn)一步研究。矩形頂管斷面不斷加大，與此同時(shí)斷面還是采用結(jié)構(gòu)-荷載法設(shè)計(jì)思路，但頂進(jìn)過(guò)程中管片的受力特征和永久工況下的結(jié)構(gòu)受力目前缺少系統(tǒng)研究，管片設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺少理論基礎(chǔ)。
（2）矩形頂管斷面跨高比
以矩形頂管斷面寬度為B，高度為H，定義跨高比為B/H。目前已施工完成的矩形頂管案例跨高比處在1～2.1，其中B /H=1的案例是上海地鐵2 號(hào)線陸家嘴站5號(hào)出入口人行地道頂管工程，為國(guó)內(nèi)第 1次矩形頂管技術(shù)的應(yīng)用(1999年)；B/H=2.1 的案例是深圳梅觀高速綜合管廊采用的矩形頂管斷面(2021年) ，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)最大的綜合管廊尺寸斷面。大量的施工案例表明矩形頂管斷面的跨高比集中在區(qū)間1.4～1.7，并以B/H=1.4使用頻次最高，可供設(shè)計(jì)施工參考。
矩形頂管斷面跨高比統(tǒng)計(jì)分析
（3）尺寸與使用用途的關(guān)系
矩形頂管施工完成后在地下形成條形空間，根據(jù)矩形頂管施工案例的統(tǒng)計(jì)分析，矩形頂管使用階段的用途集中于六大類，分別為: 地鐵站出入口，地下人行通道( 聯(lián)絡(luò)通道) ，地下車行通道，綜合管廊，地鐵區(qū)間隧道和地鐵車站，符合矩形頂管施工所形成的條形空間常見(jiàn)用途。
矩形頂管隧道發(fā)展到現(xiàn)階段其用途明確，同時(shí)地鐵站出入口、綜合管廊斷面尺寸和地下人行通道斷面尺寸出現(xiàn)了交叉使用，而作為地下車行道的斷面以兩車道為主，在一定情況下可以做到頂管機(jī)外殼通用。因?yàn)閿嗝娉叽绲闹貜?fù)，矩形頂管具備有發(fā)展出類似于地鐵區(qū)間隧道常見(jiàn)盾構(gòu)直徑的技術(shù)基礎(chǔ)，以常見(jiàn)的斷面尺寸開(kāi)發(fā)頂管機(jī)，可達(dá)到頂管機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的模塊化和重復(fù)利用。
矩形頂管建造出的矩形空間用途
（4）矩形頂管中新技術(shù)的應(yīng)用
變截面管片
矩形頂管跨度與斷面愈來(lái)愈大，管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化尤為重要，嵇中基于珠海市興業(yè)快線下穿梅華東路隧道工程研究了變截面頂管結(jié)構(gòu)，通過(guò)變截面設(shè)計(jì)增加內(nèi)部建筑空間，使原頂管機(jī)的建筑限界從僅滿足時(shí)速 60km 以下，提高至滿足時(shí)速≥60km 的城市地下道路限界需求，研究結(jié)果表明變截面結(jié)構(gòu)受力更為合理，且能減少配筋量和混凝土用量。
地層變形控制技術(shù)
矩形頂管中地層變形是一個(gè)很重要的控制因素，本來(lái)運(yùn)用矩形頂管的目的就是為了減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，維持周邊環(huán)境已有功能，為了增強(qiáng)對(duì)地層變形的控制效果，現(xiàn)有工程采用了管幕、斷面注漿等新技術(shù)。
廣州地鐵北京路站出入口矩形頂管工程，全斷面位于淤泥軟土不良地層，地下水豐富，針對(duì)頂進(jìn)施工時(shí)易發(fā)生坍塌影響路面交通，對(duì)頂管全程進(jìn)行了全斷面注漿預(yù)加固。借鑒于盾構(gòu)技術(shù)中的盾構(gòu)壁后注漿，頂管施工完成后注入水泥漿置換觸變泥漿來(lái)固結(jié)通道，用于減小工后沉降，同時(shí)兼具一定的防水效果。
五、結(jié)語(yǔ)
（1）現(xiàn)有工程矩形頂管的開(kāi)挖面支護(hù)方式以土壓平衡為主，偶有泥水平衡方式，建立考慮上覆土厚度、土體粒徑級(jí)配、滲透性、地下水等因素的頂管選型理論已勢(shì)在必行。通過(guò)研究上覆土厚度及力學(xué)性質(zhì)、機(jī)( 管) 土摩擦等因素對(duì)頂進(jìn)時(shí)上覆土層的變形影響，從變形控制的角度提出臨界背土效應(yīng)的判斷理論，可為1*31+19-10=29+73設(shè)計(jì)和施工階段提供頂管上覆土厚度的控制標(biāo)準(zhǔn)。
（2）矩形頂管斷面面積不斷增大，最大斷面面積目前已達(dá)到 140m2，已完工的斷面跨高比區(qū)間為1.0～2.1，常見(jiàn)跨高比集中于1.4～1.7，可用于設(shè)計(jì)施工參考。矩形頂管斷面不斷加大的同時(shí)，其計(jì)算理論還是采用荷載-結(jié)構(gòu)法，對(duì)超大斷面頂管頂進(jìn)過(guò)程的管片受力、永久工況下的結(jié)構(gòu)受力目前缺少相關(guān)研究，管片設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化缺少理論基礎(chǔ)。
（3）矩形頂管用于下穿城市道路、下穿高速、下穿河道、上跨隧道、下穿隧道和下穿高架橋的地下空間開(kāi)發(fā)受限區(qū)和復(fù)雜環(huán)境的項(xiàng)目不斷增多，結(jié)合針對(duì)性技術(shù)措施成功穿越的地層包括砂卵石地層、軟土地層和上軟下硬地層等，展現(xiàn)了良好的地層適用性。
（4）矩形頂管建造出的條形地下空間有地鐵站出入口、地下人行通道( 聯(lián)絡(luò)通道) 、地下車行通道、地下綜合管廊、地鐵區(qū)間隧道和地鐵車站六大使用用途。同時(shí)地鐵站出入口、綜合管廊和地下人行通道斷面尺寸交叉重復(fù)使用，斷面尺寸較為集中，矩形頂管機(jī)的設(shè)計(jì)制造有模塊化和可重復(fù)利用的基礎(chǔ)。
（5）從地層改善、渣土改良出發(fā)的新技術(shù)運(yùn)用為矩形頂管的順利推進(jìn)和控制地層變形或工后變形提供了技術(shù)手段，有效推動(dòng)了矩形頂管在更為復(fù)雜地層環(huán)境中的安全應(yīng)用。
網(wǎng)址：www.cscottphotography.com
掃碼微信直接咨詢
