基于文獻(xiàn)計(jì)量的頂管技術(shù)研究進(jìn)展分析

關(guān)鍵詞：頂管技術(shù)；文獻(xiàn)計(jì)量；知識(shí)圖譜

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）12-0063-07

DOI： 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.12.012

ResearchonPipeJacking TechnologyBased on Bibliometrics

ZHAO Mengyuan1YANG Yaohong1 CHEN Jianguo2LI Qunsheng2 LI Bo2 （1.School of Water Conservancy，North China Universityof Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China; 2.Henan Water Conservancy Engineering First Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450o0o， China）

Abstract： [Purposes] Pipe jacking is an important technology in modern pipeline engineering construction.This study analyzes the research status in the field of pipe jacking and providea reference for the innovation and development of pipe jacking in China.[Methods] Utilizing the CiteSpace software，this paper conducts a bibliometric analysis to systematically review research achievements related to pipe jacking technology from 1994 to 2O23.The study provides acomprehensive analysis of the current state and trends in pipe jacking technology research.[Findings] The results indicate that research on pipe jacking has generally exhibites a fluctuating upward trend，with China holding significant influence in this field. Current research hotspots in the pipe jacking domain include rectangular pipe jacking，numerical simulations，problematic geological conditions，and complex geological environment management.[Conclusions]Future research directions are anticipated to focus on high-precision geological exploration，risk control，and the development of pipe jacking technology for long-distance projects，large-diameter applications，and complex geological conditions.

Keywords： pipe jacking method; bibliometrics; knowledge map

0 引言

頂管技術(shù)由于成本低、對(duì)環(huán)境干擾小、占地少等特點(diǎn)，在地鐵、隧道、水利工程、城市供排水系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)及市政道路等工程中應(yīng)用廣泛，因此系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外頂管技術(shù)的研究?jī)?nèi)容和研究熱點(diǎn)，探索頂管技術(shù)的發(fā)展方向及研究趨勢(shì)，對(duì)頂管技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

隨著頂管技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)學(xué)者從不同角度進(jìn)行了階段性總結(jié)分析。林森基于西南成品油管道工程闡述了包含頂管技術(shù)在內(nèi)的3種非開(kāi)挖管道施工技術(shù)及其特點(diǎn)。葉萬(wàn)軍等3基于VOS-viewer對(duì)隧道工程領(lǐng)域近20a的研究成果進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)頂管法是隧道施工技術(shù)的研究熱點(diǎn)。屈勇等[4基于8種障礙物處理方法，系統(tǒng)闡述了頂管施工障礙物處理技術(shù)。彭立敏等5從頂推力的研究進(jìn)展、背土效應(yīng)機(jī)制及控制措施、工作面穩(wěn)定性評(píng)估等3方面，分析了矩形頂管的研究現(xiàn)狀，確定了目前矩形頂管急需解決的難題。Ma等°根據(jù)日本非開(kāi)挖技術(shù)學(xué)會(huì)的調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了頂管技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。Sterling則根據(jù)相關(guān)學(xué)術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜述了頂管頂力估計(jì)和潤(rùn)滑措施效果的研究成果。Peerun等[8分析了影響頂管頂力的主要因素。Bergeson從設(shè)備、專業(yè)技術(shù)、抗穿透性、管道和接頭特性等方面，對(duì)長(zhǎng)距離微型隧道進(jìn)行了綜述性研究，歸納了微型隧道頂管長(zhǎng)度影響因子。

上述成果僅從某個(gè)角度對(duì)頂管技術(shù)進(jìn)行研究或者重點(diǎn)關(guān)注某個(gè)具體問(wèn)題，隨著頂管技術(shù)的迅速發(fā)展，迫切需要全面系統(tǒng)梳理近年來(lái)頂管技術(shù)的研究成果和發(fā)展現(xiàn)狀，分析頂管技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本研究基于文獻(xiàn)計(jì)量方法，分析近年來(lái)頂管技術(shù)的研究成果、研究熱點(diǎn)和研究趨勢(shì)，為頂管技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒。

1數(shù)據(jù)來(lái)源與處理方法

為了保證數(shù)據(jù)的全面性、代表性和準(zhǔn)確性，以及研究成果的權(quán)威性和影響力，本研究所用數(shù)據(jù)取自于WebofScience（WOS）核心數(shù)據(jù)庫(kù)與CNKI（中國(guó)知網(wǎng)）全文數(shù)據(jù)庫(kù)中屬于“SCI\"\"EI\"“核心期刊”“CSSCI\"的文章，數(shù)據(jù)時(shí)間段為1994年1月1日至2023年12月31日，時(shí)間跨度為 30a 。

本研究以主題檢索的方式進(jìn)行檢索，在CNKI與WOS數(shù)據(jù)庫(kù)中分別以“頂管\"\"Pipejacking\"作為檢索詞，在剔除創(chuàng)刊紀(jì)念稿、征稿信息、新聞報(bào)道及設(shè)備信息等非研究性內(nèi)容后，最終分別得到798篇和244篇文獻(xiàn)，并將其作為深入研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2計(jì)量分析

2.1 時(shí)間分布

文獻(xiàn)的時(shí)間分布如圖1所示。WOS文獻(xiàn)顯示，最早的文獻(xiàn)發(fā)表于2010年。根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，國(guó)外頂管技術(shù)于20世紀(jì)中葉就得到了廣泛應(yīng)用。CNKI文獻(xiàn)顯示，國(guó)內(nèi)期刊頂管技術(shù)領(lǐng)域發(fā)文量大致可分為3個(gè)階段：第一階段為1994—2002年，文獻(xiàn)數(shù)量較為少，此時(shí)中國(guó)的頂管技術(shù)發(fā)展處于起步階段；第二階段為2003一2015年，中國(guó)非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì)批準(zhǔn)成立北京、上海、廣州和武漢等4個(gè)非開(kāi)挖技術(shù)研究中心，發(fā)文數(shù)量呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)的趨勢(shì)；第三階段為2016年以后，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部于2016年發(fā)布了《城市地下空間開(kāi)發(fā)利用“十三五\"規(guī)劃》，對(duì)地下空間建設(shè)加大資金支持，建立激勵(lì)機(jī)制，同時(shí)加強(qiáng)相關(guān)隊(duì)伍建設(shè)，為相關(guān)研究注入了動(dòng)力。總體上看，1994—2023年CNKI文獻(xiàn)樣本和WOS文獻(xiàn)樣本發(fā)文數(shù)量呈曲折上升的趨勢(shì)。

為了反映頂管研究文獻(xiàn)的主要作者及其合作關(guān)系，繪制合作網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜，如圖2所示。從作者發(fā)文數(shù)量分布看，已出現(xiàn)部分較大節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明頂管技術(shù)研究領(lǐng)域已存在一些核心研究團(tuán)隊(duì)。從作者的合作關(guān)系看，CNKI文獻(xiàn)樣本作者合作網(wǎng)絡(luò)密度為0.0059，不同團(tuán)隊(duì)節(jié)點(diǎn)之間連線數(shù)量較少、密度較低，說(shuō)明研究團(tuán)隊(duì)之間合作和交流較少；WOS文獻(xiàn)樣本作者合作網(wǎng)絡(luò)密度為0.0127，說(shuō)明該領(lǐng)域的作者聯(lián)系較為緊密。

本研究利用Excel表格工具對(duì)文獻(xiàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將發(fā)文機(jī)構(gòu)名稱為曾用名或二級(jí)單位的修正為現(xiàn)一級(jí)單位名稱，最終生成文獻(xiàn)作者所屬機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)知識(shí)圖譜，如圖3所示。CNKI文獻(xiàn)樣本機(jī)構(gòu)可視化圖譜共231個(gè)節(jié)點(diǎn)，機(jī)構(gòu)之間的連線有

133條，網(wǎng)絡(luò)密度為0.0050。W0S文獻(xiàn)樣本機(jī)構(gòu)可視化圖譜共108個(gè)機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，機(jī)構(gòu)之間的連線有86條，網(wǎng)絡(luò)密度為 0.0149 。CNKI與WOS文獻(xiàn)樣本作者所屬機(jī)構(gòu)數(shù)量分布前5名見(jiàn)表1。由表1可知，CNKI文獻(xiàn)樣本中的主要機(jī)構(gòu)有同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）、浙江大學(xué)、中南大學(xué)和上海交通大學(xué)等，其是我國(guó)頂管研究領(lǐng)域的重要組成機(jī)構(gòu)。WOS文獻(xiàn)樣本中共有3個(gè)機(jī)構(gòu)的發(fā)文量大于15篇，發(fā)文量最高的機(jī)構(gòu)為TongjiUniversity（同濟(jì)大學(xué)），發(fā)文19篇。W0S文獻(xiàn)樣本的主要發(fā)文機(jī)構(gòu)中，我國(guó)的同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）、青島理工大學(xué)和中山大學(xué)等占比較重。與WOS文獻(xiàn)相比，CNKI文獻(xiàn)樣本的發(fā)文機(jī)構(gòu)之間的合作較少，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)內(nèi)不同機(jī)構(gòu)之間的研究合作，以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流和成果產(chǎn)出。

2.3 關(guān)鍵詞共線分析

關(guān)鍵詞是論文核心內(nèi)容的高度概括，高頻關(guān)鍵詞反映了一段時(shí)間內(nèi)的研究特點(diǎn)。運(yùn)用CiteSpace軟件對(duì)CNKI與WOS文獻(xiàn)樣本進(jìn)行關(guān)鍵詞共線分析，生成關(guān)鍵詞共線圖譜，如圖4所示。由圖4可知，CNKI與WOS文獻(xiàn)樣本關(guān)鍵詞共線圖譜的網(wǎng)絡(luò)密度分別為0.0078和0.0183，表明二者關(guān)鍵詞間均具有較高的共現(xiàn)程度。CNKI和WOS文獻(xiàn)樣本關(guān)鍵詞頻數(shù)與中心性排序（前15）見(jiàn)表2和表3。由表2可知，在CNKI中，共現(xiàn)頻次排序前3的關(guān)鍵詞依次為\"頂管\"\"數(shù)值模擬\"和\"矩形頂管”，中介中心性大于0.20的關(guān)鍵詞由高到低依次是“土力學(xué)”“地面沉降”“地層損失\"“頂管”“頂管施工\"“隧道工程”“數(shù)值模擬\"和“變形”。此外，“曲線頂管\"\"地表沉降”“頂管法\"的頻次和中介中心性也較高。由表3可知，在WOS中，共現(xiàn)頻次排序前3的關(guān)鍵詞依次為“pipe jacking”\"behavior”\"jacking force”，關(guān)鍵詞中介中心性大于0.20的有\(zhòng)"behavior”\"jacking force\"“baseresistance”。此外，“model”“tunnel”“soil”“construction”“deformation”“performance”“forces”的頻次和中介中心性也較高。這些關(guān)鍵詞反映了頂管技術(shù)的相關(guān)研究熱點(diǎn)。綜合分析CNKI和WOS文獻(xiàn)樣本，頻次和中介中心性均排序在前的關(guān)鍵詞有“頂力\"“土體變形\"和“數(shù)值模擬”等。

2.4關(guān)鍵詞研究趨勢(shì)分析

關(guān)鍵詞突顯強(qiáng)度與存續(xù)時(shí)間能良好地反映研究熱點(diǎn)的演變[10]。本研究選取樣本突現(xiàn)強(qiáng)度前20位的關(guān)鍵詞，如圖5所示。CNKI文獻(xiàn)樣本中排除“頂管”等概念性、非該領(lǐng)域具體研究方向的關(guān)鍵詞，突現(xiàn)強(qiáng)度較高的關(guān)鍵詞有“矩形頂管”“模型試驗(yàn)”“數(shù)值分析”“鋼頂管\"等。截至2023年，突現(xiàn)強(qiáng)度仍具有較高水平的關(guān)鍵詞有“矩形頂管\"“模型試驗(yàn)\"“地表沉降”。WOS文獻(xiàn)樣本中排除“trenchlesstechnology\"等概念性、非該領(lǐng)域具體研究方向的關(guān)鍵詞，突現(xiàn)強(qiáng)度較高的關(guān)鍵詞有“finiteelementanalysis\"\"numerical simulation\"\"soil\"\"forces\"等。

截至2023年，突現(xiàn)強(qiáng)度仍具有較高水平的關(guān)鍵詞有\(zhòng)"design”\"numerical simulation”。

3研究熱點(diǎn)和前沿分析

3.1 研究熱點(diǎn)

3.1.1矩形頂管。矩形頂管是在圓形頂管的基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的[1]。相較于圓形頂管，其空間利用率更高，且無(wú)須進(jìn)行隧道底地面鋪平，在工程造價(jià)方面，能減少 20% 左右。目前，矩形頂管的相關(guān)理論研究較少，主要集中在頂推力、背土效應(yīng)機(jī)制及控制措施、工作面穩(wěn)定性評(píng)估等方面5。在未來(lái)的研究中，矩形頂管技術(shù)將不斷向長(zhǎng)距離、大斷面、復(fù)雜環(huán)境等方向發(fā)展[12]。隨著相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善和現(xiàn)代化掘進(jìn)設(shè)備研制水平的不斷提高，矩形頂管技術(shù)的適用范圍將進(jìn)一步拓展。同時(shí)，新型矩形頂管結(jié)構(gòu)形式的探索和防水試驗(yàn)研究也是未來(lái)發(fā)展的重要方向之一[13]。

3.1.2數(shù)值模擬。數(shù)值模擬方法是對(duì)頂管施工進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并通過(guò)數(shù)值方法求解這些模型，以預(yù)測(cè)或重現(xiàn)頂管施工行為或結(jié)果，進(jìn)而分析和解決頂管技術(shù)問(wèn)題。目前，大量的數(shù)值模擬方法被應(yīng)用于頂管技術(shù)研究，如有限元、物理信息模型等，用于預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)方案下地層的變化和可能的施工影響及評(píng)估工程風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3特殊巖土及不良地質(zhì)應(yīng)對(duì)。頂管施工作為一種地下工程施工方法，其主要制約因素在于特殊巖土和不良地質(zhì)。目前，頂管施工所面臨的特殊巖土和不良地質(zhì)主要有以下3種。

① 上土下巖復(fù)合地層。上土下巖復(fù)合地層是地質(zhì)工程中一種常見(jiàn)的地層類型，特別是在城市地鐵、隧道等地下工程的施工中。這種地層的特點(diǎn)是上部為軟弱土層，下部為堅(jiān)硬巖層，頂管施工面臨的主要問(wèn)題是拱頂軟弱土層的穩(wěn)定性。針對(duì)這種地形，需要研究如何確保施工安全順利進(jìn)行，如采取多種支護(hù)技術(shù)以確保施工安全和防止拱頂土體坍塌[14]，以及采取地表注漿和增加千斤頂數(shù)量和“泥水艙 + 氣墊艙\"的雙艙設(shè)計(jì)來(lái)解決線路偏移問(wèn)題[15-16]等。

② 硬巖地層。城市地下工程建設(shè)的興起需要進(jìn)行大量小斷面堅(jiān)硬巖層掘進(jìn)。由于人口、建構(gòu)筑物密集，必須采用非爆破掘進(jìn)施工技術(shù)[17]。由于隧洞較短、施工斷面小、設(shè)備投入大等原因，TBM和盾構(gòu)法也受到限制[18-20]。而頂管法針對(duì)短距離、小直徑管道施工具有良好的適用性和較好的減振（噪）效果，應(yīng)用前景較好，所以吸引相關(guān)學(xué)者深入開(kāi)展研究[17]。

③ 黃土地層。黃土在我國(guó)西部分布較廣，孔隙較大、結(jié)構(gòu)疏散、節(jié)理裂隙發(fā)育，受水浸后結(jié)構(gòu)迅速破壞[3.21]。因此，在黃土地層進(jìn)行頂管施工，會(huì)面臨沉降、穩(wěn)定性等諸多問(wèn)題，目前只能采用灰土墊層、素土墊層、砂石墊層或強(qiáng)夯法等對(duì)管道基礎(chǔ)做預(yù)處理[22-23]

3.2未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1地層高精度預(yù)報(bào)。施工前的地質(zhì)勘探是施工方案確定的基礎(chǔ)。但在施工過(guò)程中，及時(shí)精準(zhǔn)探測(cè)地質(zhì)情況以應(yīng)對(duì)地層變化，同樣具有至關(guān)重要的意義，尤其是在復(fù)雜地質(zhì)條件下，單一的探測(cè)方法已經(jīng)無(wú)法滿足復(fù)雜地層條件下的頂管施工需求，如何應(yīng)用多種探測(cè)方法，融合多種信息做出地質(zhì)條件的高精度預(yù)報(bào)，合理應(yīng)對(duì)漏水、涌土等災(zāi)害，是頂管高效、順利、安全施工必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.2.2 提高穩(wěn)定性分析的科學(xué)合理性。頂管施工穩(wěn)定性分析通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)頂管施工過(guò)程中管道及其周圍土體的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估和分析，以確保施工過(guò)程的安全性和工程的可靠性。采用更加科學(xué)合理的分析方法，對(duì)頂管施工進(jìn)行穩(wěn)定性分析，尤其是遇到特殊復(fù)雜地層或下穿油庫(kù)、大廈建筑群、城市主干道等敏感性建筑時(shí)，優(yōu)化施工方案和施工參數(shù)，預(yù)測(cè)和控制施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的地面沉降及破壞等各種風(fēng)險(xiǎn)，確保施工過(guò)程安全順利，仍然是頂管施工的核心問(wèn)題。

3.2.3復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)小、短大頂管技術(shù)。隨著國(guó)家水網(wǎng)建設(shè)和城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入，長(zhǎng)距離小斷面、短距離大斷面管道建設(shè)工程必然大量采用頂管技術(shù)，加上地質(zhì)條件的復(fù)雜性，頂管施工技術(shù)將面臨諸多需要解決的問(wèn)題，如長(zhǎng)距離直線頂管的管道失穩(wěn)，復(fù)雜地質(zhì)條件下頂管施工作業(yè)困難，高效測(cè)量控制，組合減阻措施及控制等[24-26]如何解決這些復(fù)雜場(chǎng)景下的頂管施工問(wèn)題，是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。

3.2.4智能化與無(wú)人值守。隨著裝備研制水平、機(jī)器人技術(shù)的提高，以及信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，頂管施工全過(guò)程的智能化和無(wú)人值守將成為未來(lái)的一個(gè)重要研究方向，是新形勢(shì)下智慧建造發(fā)展的必然趨勢(shì)。頂管施工全過(guò)程智能化和無(wú)人值守的實(shí)現(xiàn)，必然大幅度提高頂管施工的效率和安全性。

4結(jié)論與建議

本研究基于文獻(xiàn)計(jì)量方法對(duì)近30a來(lái)的頂管技術(shù)研究成果進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，全面梳理研究成果，明晰研究熱點(diǎn)和研究前沿問(wèn)題，結(jié)合推進(jìn)頂管技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展的新要求，分析研究方向和趨勢(shì)，主要結(jié)論和建議如下。

① 由研究文獻(xiàn)的時(shí)間分布特征可知，頂管技術(shù)研究文獻(xiàn)數(shù)量總體呈曲折上升的趨勢(shì)，2015年后增長(zhǎng)趨勢(shì)更加顯著。從文獻(xiàn)作者的發(fā)文數(shù)量與所屬機(jī)構(gòu)特征來(lái)看，我國(guó)在相關(guān)研究領(lǐng)域具有較高的影響力，一些研究團(tuán)隊(duì)已初具規(guī)模，但不同團(tuán)隊(duì)之間的合作明顯不足，所以需要加強(qiáng)合作機(jī)制、交流平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)更加頻繁、密切的交流合作，促進(jìn)研究水平的進(jìn)一步提高。

② 從關(guān)鍵詞共現(xiàn)與突顯情況分析來(lái)看，目前的研究熱點(diǎn)主要包括矩形頂管、數(shù)值模擬、特殊巖土及不良地質(zhì)條件的應(yīng)對(duì)措施等，這也反映了目前相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。

③ 國(guó)家水網(wǎng)、城市地下空間的建設(shè)與發(fā)展，對(duì)頂管技術(shù)適應(yīng)更復(fù)雜工程情況提出了更高要求。裝備研制水平的提高和人工智能的發(fā)展，也為頂管技術(shù)智能化和無(wú)人值守提供了可能，必將進(jìn)一步提高頂管施工的效率和安全水平。

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