【摘 要】：文章着重介绍矩形顶管施工的研究与应用现状，简要说明了大截面矩形顶管在施工过程中的应用情况，并对矩形顶管的未来进行展望。
【关键词】：矩形顶管；施工技术
1. 概述
近几年来，随着市政建设的高速发展特别是双层隧道、过街人行地道、地铁车站的进出口的联通道、城市地下管线共同沟、引水和排水管道工程等这类地下隧道工程的发展，加上隧道掘进技术的日益提高，许多地下结构的断面尺寸越做越大，同时为了提高地下空间的利用率和节约成本，往往把断面形式做成矩形，这些都为矩形顶管的应用创造了时机和条件。矩形顶管的研究对于进一步的城市建设具有重要意义，并有十分广阔的应用前景。
2. 矩形顶管施工的发展与应用
世界上最早的顶管法隧道是1826年开始建筑的英国伦敦穿越泰晤士河底的公路隧道，隧道断面为11．4m×6．8m 的矩形，由于采用人工挖掘方法，隧道掘进了18年才完工。由于圆形隧道衬砌结构具有受力均匀、内力较小的优点，而且施工性能又较好，故在此后的100余年内，几乎所有的隧道断面全都是圆形的。
20世纪60年代末，日本和欧洲一些国家开始研究矩形顶管技术，尤其以日本发展的比较快。20世纪70年代初，矩形顶管技术首次成功运用于日本东京的地下联络通道中。
我国在这个领域研究和应用起步较晚，90年代初上海隧道股份研究所开始对矩形顶管的切削工具、正面的土压力平衡方式、出土方式、顶进系统及其配套系统进行研究，并于1998 年在上海地铁2 号线东昌路至陆家嘴越江隧道的旁通道施工中进行了工业性试验。
1999年4月，上海地铁2号线陆家嘴站5号出入口矩形通道施工采用上海隧道施工技术研究所自行研制的3．8 m×3．8 m 矩形刀盘式土压平衡顶管机，在两个月时间内完成了两条隧道的推进，工程质量优良，并确保了在施工期间路面交通的正常使用和地下管线的安全。
2006年4月，上海地铁6号线浦电路站3号出入口矩形通道施工采用目前截面最大的矩形顶管机，顶管机截面尺寸为4360mm×6240mm,长度为5200mm。该顶管机由上海市机械施工有限公司与日本小松公司合作研发，双方具有共同知识产权。这表明我国在这一领域取得了长足的进步。
3. 矩形顶管的特点与施工难点
3.1 特点
圆形断面的优点在于圆形结构受力合理、施工推进过程中受到的摩阻力小，缺点是空间利用率低。矩形断面相比于同类圆形断面，其优势主要表现在以下几方面：
(1) 与圆形断面相比，矩形断面的有效使用面积显著增大，增幅在20％以上。
(2) 用于人行、车辆等的地下通道不需要再进行地面铺平工序，不仅省时而且可降低20％左右的工程造价。
3.2 施工难点及其解决方法
(1) 机头背土
矩形顶管工具管与周围的土体之间直接接触，因为土体重力的作用，工具管上方将不可避免的一直有一层不规则的土粘在上面，这相当于变相造成工具管断面积比管道断面积大，这个缝隙往往由上层土体下沉填充，从而引起地面沉降。因此要在机头壳体顶部注浆，形成泥浆膜，减少土体与壳体的摩擦，防止背土发生。
(2) 顶进轴线的控制
轴线控制是矩形顶管顶进的一大难题。顶管在正常顶进施工过程中，必须密切注意顶进轴线的控制在每节管节顶进结束后，必须进行机头的姿态测量，并做到随偏随纠，且纠偏量不宜过大， 以避免土体出现较大的扰动及管节间出现张角。
(3) 机头旋转
矩形顶管掘进机在推进过程中不可避免地产生机头旋转，施工中经常利用纠偏装置、压浆、变角切口来解决机头旋转。
(4) 顶力大
矩形顶管机头与施工土层的接触面积要大于同等截面的圆形机头，故要求的顶力也大于后者。应通过理论计算和设置泥浆套等技术措施来设计合理的顶力。
(5) 机头进出洞技术
矩形顶管掘进机在进出工作井洞口时，因洞口空隙封堵不及时产生水土流失和正面土体倒塌，会产生较大的地层损失和地面沉降，宜对洞口止水框和橡胶止水板有较高要求，保证有很好的止水效果。
4. 矩形顶管施工技术的应用
上海市轨道交通六号线浦电路车站3号出入口，位于浦东新区东方路与浦电路交界南侧的绿化带中。该出入口地下通道位于浦电路车站工程的⑥-⑧轴之间，穿过东方路直至潍坊八村居民区内，通道采用矩形顶管法施工，推进方向为自东向西。顶管长42m，共28个管节，每个管节长1.5m，内部尺寸为长3.36m，高5.24m，厚度为0.5m。
顶管机截面尺寸为4390mm×6270mm,长度为5200mm，是目前国内最大的矩形截面顶管机。始发工作井截面尺寸为12460mm×13000mm， 底板埋深约13～14 m；接收工作井截面尺寸为12300mm×12800mm，底板埋深约13 m，出入口结构围护为地下连续墙。顶管机穿越的土层依次为：③淤泥质粘质粉土、③(夹)粘质粉土、④淤泥质粘土。工程施工总工期约为1个月左右。
4.1 施工概况
(1) 正面土压力的设定
本工程采用的是土压平衡式矩形顶管机，利用压力仓内的土压力来平衡开挖面土体，而达到对项管正前方开挖面土体支护的目的，并控制好地面沉降，因此平衡土压力的设定是顶进施工的关键。采用Rankine土压力理论进行计算，将土压力的最初设定值调整到0.13～0.14MPa左右时，此时的出土量、地面沉降情况较为理想。减小正面土压力可适当减小刀盘扭矩，但同时会导致地面沉降加大。
(2) 出土量控制
单个管节的理论出土量为4.3×6.2×1.5=40m?。在顶进过程中，应尽量使单个管节的出土量与理论出土量保持一致，以保证正面土体的相对稳定，减小地面沉降量。
(3) 顶进速度
顶管的顶进速度是控制切口土压力稳定、正面出土量均匀的主要手段。在顶进时，不断调整顶进速度，找出顶进速度、正面土压力与出土量三者的最佳匹配值，以保证顶管的顶进质量，确保顶进设备以最佳状态工作。增加润滑泥浆压注量，可减小顶进阻力，同时适当提高顶进速度。
(4) 顶进轴线的控制
顶进轴线控制不好，引起纠偏量过大，会使土体出现较大的扰动及管节间出现张角。在施工过程中必需在以下几个方面的做到对顶进轴线的控制：
① 高程控制
该矩形顶管上部管线众多，在顶进时，要将高程始终控制在负值，这样即使当顶管机下沉过量时，所采取的纠偏措施也和地面沉降控制要求相统一。
② 平面控制
由于受顶管前一管节顶进时挤压、压浆等作用的影响，已成管道周边土体强度较原状土大，以至在后一管节顶进时，平面将偏离已成管道。顶进时将平面始终控制在靠近已成管道方向，以利于顶管轴线控制。
③ 转角控制
由于该矩形隧道今后是作为人行通道使用，因此对管道的横向水平要求较高。在顶进过程中需密切注意顶管机的转角，一旦出现微小转角，应立即采取刀盘反转、加压铁等措施往回纠。
④ 形成良好导向
在顶进中每隔一段时间对顶管机姿态进行复核，随偏随纠。在出洞段就形成一个与设计轴线相吻合的顶进轨道，使顶管始终沿此导向向前进行，从而减小顶管轴线控制的难度。
(5) 管节减摩
为减小土体与管壁间的摩阻力，控制好地面沉降，提高工程质量和施工进度，在顶管顶进的同时，向管道外壁压注一定量的润滑泥浆，减小总顶力。每个管节上有十个孔，单节管节注浆量一般在0.5到1方左右。
4.2 环境保护和沉降控制
4.2.1 监测项目布置
由于该工程沿线将穿越东方路地下众多煤气管线、雨水管线、污水管线、电力线等管线，故在顶进过程中的地面沉降控制和环境极为重要。该工程施工监测设置监测项目如下：
(1) 顶管轴线地表沉降监测
在顶管施工期间，以顶管轴线为中心间隔5m布设轴线点，并布设4组剖面点。
(2) 地下管线沉降监测
4.2.2 控制沉降与保护环境措施
在施工过程中,沿纵向轴线所产生的地表变形分为三个阶段,即前期变形、施工沉降和土体固结沉降。
(1) 前期变形：顶管前方的土体受到压力仓的支护作用,土体受到挤压,有向上向前移动的趋势,导致地表有微量隆起；如果超挖而导致支护力不足,前方土体会向后向下移动,则地表表现为沉降。
(2) 施工沉降：掘进机在顶进时其外壳与周围土体之间会产生摩擦力,引起前方地面隆起,后方地面沉降。掘进机尾部通过后产生施工空隙,这一方面是由于后续管道直径比掘进机直径小引起的,另一方面掘进机施工中偏移管道轴线以及纠偏也会产生空隙。施工空隙的产生会导致土体损失的产生,进而引起地面沉降。
(3) 土体固结沉降：顶管管道周围的土体受到施工扰动后，形成超静孔隙水压力区。在掘进机离开该区后，超孔隙水压力下降，孔隙水消散，地面产生固结沉降，随时间的延长地面还会产生次固结沉降。
在施工期间采取了必要的技术措施来控制地面沉降：
(1) 采用地面沉降监控和预留注浆管进行跟踪注浆来控制地面沉降与保护管线安全。
(2) 防止超挖，严格控制顶进轴线，做到均衡施工；顶进施工中，保证持续、均匀地压浆，使出现的建筑空隙能迅速得到填充，确保顶管管道上部土体的稳定，避免机头发生"背土"现象。对出洞段管节上部进行注浆，随时填堵由于管节"背土"而出现的建筑空隙；当项管机机头后部已建成管道出现较严重下沉时，应对下沉部位进行底部注浆，防止地面沉降。
(3) 严格控制顶管的施工参数,必要时根据地面沉降监测数据进行调整。
(4) 合理控制顶进速度,保证连续均衡施工,避免出现长时间搁置情况。
5. 结语与展望
(1) 矩形顶管隧道由于其断面利用率大、施工成本低等优点，可用于人行地道、车行道、地下管线共同沟，有十分广阔的应用前景。
(2) 矩形管节钢模设计合理，尺寸精度高，装拆方便，管节制作精度高。但由于矩形断面相对圆形断面的特殊性，要注意管节分块位置的选择，并处理好防水措施。
(3) 一般条件下要求覆土层厚度不宜小于矩形断面的长边尺寸，覆土过小对矩形顶管施工带来不利的影响，有可能会造成地面变形严重，故浅覆土条件下矩形顶管的施工有着特别重要的意义，克服浅覆土施工对环境造成的不利影响也是未来研究的方向。
参考文献
[1] 余彬泉, 陈传灿. 顶管施工技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 1998.
[2] 詹红梅. 顶管施工应力引起地面变形分析，广州建筑，2006.
[3] 吕建中, 楼如岳. 城市交通矩形地下通道掘进机的研究与应用, 非开挖技术,2002.
[4] 吕建中. 矩形顶管机及矩形隧道的研究与应用，2002.
[5] 周民强. 顶管施工技术，甘肃水利水电技术，2005.
[6] 邓前锋. 地下顶管施工引起沉降的分析与控制, 建筑施工, 2005.
