矩形顶管技术发展与研究现状

高志祥

中铁市政环境建设有限公司 上海市 200331

摘要：现如今，城市地下空间得到了广泛的开发和利用，对于人行地道、综合管廊以及电缆沟等市政隧道，其最经济的方式就是矩形。在地下工程施工中，应采用矩形顶管机施工技术，这样可以尽量减少对城市的影响，与圆形断面相比，矩形断面有更大的有效应用面积。为此，文章详尽阐述了矩形顶管技术发展和研究现状，旨在可以为业界人士提供有价值的参考和借鉴，切实实现矩形顶管技术的高效、持续发展，进而更好的为社会与城市提供服务。

关键词：矩形顶管技术；发展；现状

前言：随着现代化城市建设需求的不断提升，传统的施工技术无法满足当前的多样化施工需求，因此，在尽量减少对地表开挖程度的基础上，矩形顶管施工法已经成为当前基础设施建设过程中应用较为普遍的高效率施工方式之一，该种方式能够有效提升地下空间施工以及管道施工效率，同时降低对地表形态的破坏，因此充分研究矩形顶管技术的发展基础，探究当前的发展现状，并且理清发展难题，对于矩形顶管技术的优化和创新有着积极的促进作用。

1矩形顶管施工技术的发展现状

1.1机具设备

21世纪初期，矩形顶管技术在我国的基础设施建设领域中已经得到了深入研发和应用，当前国内已经具备了能够独立生产矩形顶管施工设备的厂家。整体的矩形顶管施工机具从最原始的由上海对自行研发的土压平衡矩形顶管机进行性能和外观结构上的升级，发展到形成了2.2m×2.2m的矩形顶管机，同时随着基础设施建设需求的不断增长，至2004年矩形顶管机具具有了长距离推进的新性能，同时能够实现全断面切削功能，机具的外径已经达到了10.4m×7.5m，它已成为能实现世界上最大断面施工的一类矩形顶管机。

1.2理论研究

1.2.1顶推力

2004年雅典某个排水工程对矩形顶管应用过程中的顶推力进行了研究，有关人员在立足弹性解法同时，对顶管操作中挖掘面的稳定性和太沙基土压力理论进行了详细的分析和探讨。并且在分析的过程中，研究了顶管运作期间的稳定性，表明了前段挖掘面的稳定性较强，因此可以初步定位顶管以及土体之间的接触面位于管道的底部。但是伴随着设备顶进距离的不断增加，受到周边土体荷载力的非线性增加影响，管体和土体之间的接触面积逐渐增大，导致摩擦阻力的提升，由此增加了顶推力。2013年，国内的研发人员在卸载拱理论的基础上，研究了矩形顶管在运作过程中的关节以及周边土体之间的相互作用力。并且定位了顶力计算的运行公式，借助公式中的变量因素研究了当前能够影响矩形顶管施工技术应用的多项因素。这为顶推力的管控奠定了数据基础。

1.2.2背土效应

背土效应主要产生于埋深较浅的工程中，由于矩形顶管施工的位置较浅，机具上方的土体自身的卸载作用不够明显，导致在下方管道行进过程中，土体下落从而堆积在机具上方表面，当堆积量达到一定数值之后，便会影响顶管机的顶进作业，因此产生较大的摩擦阻力，同时当这些摩擦阻力积累到一定程度后，会随着顶管的作业方向进行反向推移，从而导致顶管的表面或者上方土体出现持续性的变形和坍塌情况。因此为了有效解决背土效应对矩形管产生的影响，当前通常利用注浆的方式来降低设备和周围岩土结构之间产生的摩擦力，当前使用的注浆材料主要为膨润土，同时随着科学技术的不断提升，由人工合成的高分子材料也可以有效降低背土效应对施工的影响。

1.3工作面稳定性

当前我国部分学者在分析极限上限理论的基础上，考量了矩形顶管运行工作面受破坏的基础模式，结合岩体速度场、支护压力等参数构建了失稳破坏模型，模型中涉及到了隧道埋深、直径、周围土体的黏聚力、摩擦角等因素，从而为提升工作面稳定性提供了研究依据。

2矩形顶管机技术研究

2.1矩形顶管机类型

1）可变网格式。该型顶管机切口处安装16个网格，其作用是对正面土体进行支护与切割。其中中间的四个网格是可变的，四格根据机头姿态控制与出土量，有效对开口率进行调节，土被网挤后进入机头，人工开挖。

2）小刀盘式。顶管机有4个小型切割工具切割土壤，切割区域可达到整个表面40%产品，4个小刀盘可独立操作，机头的姿态可以很容易地通过编组操作来控制，采用螺旋输送机开挖，基本能保持土压力平衡，保持开挖面稳定。

3）组合刀盘式。这个型的顶管机切屑刀组分别由三个独立的小、大刀盘构成，能实现全断面切割，刀盘可正反转，双螺旋输送机开挖能保持土仓内土压力的平衡，保持有稳定的开挖面，可对地表沉降实施有效控制。如下图所示。

2
.2组合刀盘式土压平衡矩形顶管机组成

1）矩形顶管机主机。通常，主机有前后两段，铰接油缸连接中间部分，前后部分之间应用了两个铰接密封圈，正面用三把独立的大刀和三把小刀头切屑土体，最高转速达2.24r/min，双螺旋输送机开挖时，调整螺旋输送机转速，可保证土仓内土压力平衡，保持开挖面稳定。

2）主顶系统。U形顶铁、后靠板、油缸架、油缸等一起构成了主顶系统，油缸叠加对称分布，可单独控制每台油缸，按需要能开展编组工作。

2.3组合刀盘式土压平衡矩形顶管机重要技术

1）全断面切削问题。矩形顶管机成功研制的重要的就是全断面切屑问题，如果矩形顶管机只有一个大刀盘回转切割，则只能达到约90%的截面切削率，矩形顶管机断面内的四角不能切削，所以，想要实现土体的全断面切屑，且无死角，则应该使用组合式刀盘。

2）机头顶部背土问题。为使土体和壳体上平面间有泥浆膜形成，则需要把浆管安装在机头壳体顶部，然后设置压浆槽，这样可使壳体和土体间摩擦力降低，避免出现背土情况，

3）机头旋转问题。除注浆纠偏的技术举措外，还可采用刀盘正反转的方法进行纠偏，或两者结合纠偏。

4）机头轴线偏差控制法。按轴线偏差方向和偏差，编组铰接油缸，控制油缸的伸缩，以此让前后壳间有个夹角形成，最终将机头方向改变，实现有效纠偏，同时，可应用压浆纠偏法更好实现纠偏，亦能把二者有效结合纠偏。

5）顶进轴线控制问题。矩形顶管施工中一个巨大难题就是轴线控制，每段管节顶进完成后，需要测量顶管机姿态，进而可及时发现与纠正偏转，且不可有太过纠偏量，其目的是防止土体发生较大扰动和管节张角，避免管节结构防水效果受影响。

3顶管机技术研发方向

3.1液压系统集成化设计

现如今，顶管技术日新月异发展，其有了更高的标准要求，要求将人本思想贯穿始终，想要方便工地现场安装及维护，可实现液压系统阀件与阀组等的集成化发展，进而更好的节约设备空间，可充分满足顶管掘进机需要。

3.2信息集成化控制系统

顶管设备使用了工业控制计算机，其输出输入单元使用PLC模块，系统运行时可利用组态软件将其在显示器上进行显示，这样整个流程与各项参数可以一清二楚。顶管设备在机器的主要缺失部位设有传感器检测装置，通过PLC将温度、流量、压力、速度、阀门开度等各个部位的信号传送给计算机主机。然后在显示器上通过图像或数字方式进行显示，这样，各参量实际数值与开关情况便可直观清晰的了解。

结束语：

总而言之，由于矩形顶管技术具备极强的施工应用优势，因此能够充分融合在当前的地下空间建设以及隧道建设中，能够进一步提升工程的施工进度，同时随着矩形顶管施工技术研发现状的不断推进，在解决当前既有问题的同时，也需要结合可能出现的影响因素落实预见性研究，以进一步提升矩形顶管施工技术的应用价值和设备性能，落实技术和结构的优化创新，以此满足当前的基础设施建设需求，从而为矩形顶管的未来发展奠定良好的理论和技术基础，最终可以更好的为人们提供服务。

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