大直径刚顶管国内外研究现状

大直径刚顶管国内外研究现状
1957年，德国首次采用混凝土管节进行施工。

1965年日本研制出首台全断面泥水顶管掘进机[2]，1972 年日本 Komastu 公司成功研制出带独立千斤顶可以控制顶进方向的顶管机，并在 1974 年首次投入使用。

1975年德国的汉堡下水道顶管工程创造了世界上混凝土顶管第一次超过千米的记录[3]，1995 年后日本着重于顶管的抗震性能、长距离顶进、曲线顶进等技术层面的发展[4]。

Peck [5]通过研究大量机械掘进施工的地面沉降数据，拟合后给出一个广泛应用的数学表达式，随后很多学者在研究穿越施工造成的沉降时，都在其基础上进行优化。

Peck 公式假设土体不排水，不可压缩，地面沉降完全由地层损失造成。

计算公式：
()⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=222x exp x i S S MAX （1-1） 式中：x—控制点和隧道中心线的水平距离；
S—沉降值；
i—沉降槽的曲线宽度系数，其计算公式：
⎪⎭⎫ ⎝
⎛-︒+=245tan 2ϕπR H i （1-2） 其中：H—覆土厚度；
R—隧道等效半径；
φ—隧道内摩擦角;
S MAX 是地表沉降最大值，位于隧道中心在地面的投影处。

π2i AV S i
MAX = （1-3）
0Kz i = （1-4）
式中：V i —地层损失率；
A—隧道开挖面积；
K—沉降槽宽度系数；
Z 0—隧道埋深。

Peck 公式较为简单，虽然所得曲线形状与实测沉降较为吻合，但由于其未考虑现场纠偏、注浆、动载等因素，且所用土体参数不够全面，多处变量根据施工经验确定，往往结果与实际施工出入较大。

O’Relliy 和 New [6]，Attewell 和
Farmer[7]，Clough 和Schmidt[8]，刘建航[9]，房营光[10]，姜忻良[11]等人都对参数i提出了不同的取值方法。

Verruijt[12]在对隧道研究中发现，假定土体为线弹性体时，隧道周围的土体变形由土层的径向移动和初始应力引起的土体运动两部分组成。

Imamura[13]通过离心模型试验，研究了地表沉降和隧道上方土压力的分布规律，提出了地表沉降和埋深比的关系。

Sagaseta[14]基于土体是弹性体，土体不压缩变形、不排水，不考虑各种掘进参数的影响等假设条件下提出地面变形二维解，Loganathan 和Poulos[15]对Sagaseta 提出的解析解针对不同施工因素进行修正，魏纲[16]根据Loganathan 和Poulos 提出的研究方法，通过对Verriujt 计算公式进行修正，并用英国、加拿大、泰国等地四处案例进行反算分析，得出Loganathan 公式只适用于流塑状态的黏土的结论，当土质较硬，计算所得沉降值比实际值要小。

Yashima[17]等通过离心机模型试验分析了隧道开挖对既有桩基的变形影响。

当桩基与隧道横向水平距离小于1/4 隧道直径时对桩基影响较大，桩基与隧道水平距离大于2 倍隧道直径时，对桩基影响较小。

Mroueh 和Shahrour[18]等采用数值分析软件研究隧道施工对桩基的影响。

用整体有限元分析的方法，考虑桩—土相互作用和被动群桩之间的影响。

Hideki Shimada[19]等运用非线性有限元法对化学灌浆的效果进行评价，通过二维欧拉—拉格朗日渗流分析，探讨了化学灌浆材料注入隧道周围土体时的性能表现。

K.Shou[20]等进行了弯曲顶管的数值分析和顶推力的估算。

对顶推力的分析表明，顶推力的减小与摩擦系数的减小密切相关，并且在曲线顶进中润滑效果好于直线顶进中的润滑效果。

Seyed Saleh Behbahani[21]等总结了曲线顶进顶力的四种主要计算方法，分析认为泊松模型是计算稳定开挖条件下摩阻力的较为准确地方法，而岛田模型能更安全更接近的预测摩阻力大小。

Kevin G.O’Dwyer[22]等对长550m、管径为DN1200mm 的顶管隧道进行研究，发现较长停工时间造成的摩擦力的增加是稳态值的倍数。

Rowe 和Kack[23]等人提出一种预测隧道沉降的方法，并通过四个案例进行结果检验，最终表明该方法可以为不同土层由于隧道开挖引起的沉降进行准确估算。

Bobet[24]提出了预测浅埋隧道土体变形的方法，通过该方法，可以求得与隧道轴线垂直的横截面内任一点的短期和长期的应力和变形。

Lee K.M[25]等人在研究隧道掘动引起地面沉降问题时，创建三维弹塑性有限
元理论，模拟黏土地层隧道开挖造成的土体移动，取得了重要进展。

我国顶管施工技术从出现到跃进世界先进水平只用了六十多年，经历了从人力到机械化，从土压平衡顶管机到泥水平衡顶管机，管材也从钢筋混凝土管和铸铁管到PVC 管等复合管材，从中管径到小管径、大管径，从短距离直线顶管施工到长距离曲线顶管施工。

沈培良[26]分析常用地面沉降槽计算经验公式与上海地区盾构隧道的适应性，提出了隧道上方沉降预测公式参数的确定方法，并推导出沉降分布的修正计算式，新公式能较好地预测盾构隧道引起的地面沉降分布。

银英姿[27]通过数值模拟不同覆土深度下顶管施工对地表变形的影响，根据数值模拟和实测值，对peck 公式参数进行合理确定，当地层损失率取0.4%，沉降槽宽度系数K 取0.4 时，实测值与peck 公式拟合较好。

刘宝琛和张家生[28]首次把随机介质理论引入地铁隧道对地面沉降的影响，并进一步完善随机介质理论，将实测结果和预测值进行比较，能较好地吻合。

赵权威[29]运用有限元软件和随机介质理论预测了盾构下穿郑州火车站的地表沉降值，并与监测数据进行对比，三者较好的吻合，有效保证了施工安全。

但随机介质理论研究计算非常复杂，一般工程实际中缺乏相应的应用程序来计算，因此工程实际中应用不多。

唐兴莉[30]通过对敏感性试验成果进行二次非线性回归分析，对土体的物理力学参数进行了关联研究，分析结果显示：凝聚力和内摩擦角之间存在高度非线性相关，波峰处凝聚力最高。

且随着土体压实度提高，天然密度和含水量相关性弱化，凝聚力和内摩擦角相关性增强。

孔德森[31]分析了三种经典Winkler 动力模型和六种改进的Winkler 动力模型。

动力Winkler 基础梁模型不能详细描述土中应力波的传播、土的屈服的发展和桩土界面上的破坏等复杂现象，需对其加以合理改进，使其更符合工程实际。

魏纲[32,33]等人通过对土层的受力模型进行简化，得到由顶管开挖引起变形的计算方法，并通过和其他理论计算结果进行比较，认为可较好预估地下管线的变形。

苏洁[34]研究了隧道—土体—桩基—上部结构的相互作用，并给出桩基承载力的计算方法，认为隧道桩基承载力的变化是研究隧道对桩基影响的关键问题。

王世高[35]根据北京的土质特点和施工环境，查阅大量文献，在理论上对土压平衡顶管施工掘进参数进行了归类，由于目前国内对土压平衡顶管没有统一规范，实际施工需要对照多数公式进行选取使用。

吴波[36]结合北京地铁施工对邻近桥基影响，运用ABAQUS 软件，对施工过程进行三维动态模拟，重点研究施工过程中这类桥基的变形和受力状态以及桩
土相互作用的机理，并将部分计算结果与测量结果进行比较。

李东风[37]应用MIDAS-GTS 软件分析模拟顶管下穿郑州中州大道工程，分析计算引起的道路沉降，通过实测数据和建模分析的对比，验证建模的正确性，认为选取合适的模型参数对顶管隧道引起的地表沉降具有实际指导意义。

陈世超[38]以武汉地铁7 号线某区间为背景，采用MIDAS 软件对隧道掘进进行模拟，分析不同盾构推力、出土量、土压力、注浆和掘进速度等不同掘进参数对地面隆沉的影响，对类似地质条件的工程具有借鉴意义。

赵崇[39]通过数值模拟分析，研究掘进参数对地表变形的影响规律，并通过逐步减小支护力来探究开挖面的变形过程，研究不同埋深、不同内摩擦角、不同土体粘聚力等对开挖面失稳的影响，结果为各种条件下开挖面失稳的变形规律相同，大小不一样。

梁子轩[40]等应用三维有限元分析排水隧道对近接桥梁桩基的影响，研究结果表明：桩基受穿越的部位产生的变形较为明显，基坑侧墙中部和底部会产生较大的变形，由此提出了一些施工建议，可供类似工程参考。

殷加顺[41]以广州地铁盾构施工为背景，利用ABAQUS 有限元软件建立三维模型，研究不同注浆压力、埋深、地质条件对地表沉降的影响，并分析了土体和浆液固结扩散对沉降的长期工后影响，对工程施工具有指导意义。

王月中[42]依托常州地铁下穿京沪高铁桥，通过盾构试验段的数值模拟分析，确定合适的本构模型和地层损失率，再在下穿段分析有无隔离桩对墩顶顺桥向、横桥向、竖向的位移变化，采用隔离桩，各项位移均小于1mm，证明开挖对桥墩安全可控，方案可行。

参考文献
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