矩形頂管在城市地下空間開發中的應用及前景

賈連輝

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

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矩形頂管在城市地下空間開發中的應用及前景

賈連輝

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

論述了矩形頂管機的一般結構形式，重點對平行中心軸式刀盤矩形頂管機、偏心多軸式刀盤矩形頂管機、行星齒輪式切削矩形頂管機、多聯分體組合式矩形頂管機的結構特點和地層適應性進行了論述。詳細介紹了矩形頂管在城市過街通道、地下商業空間、地下停車場等領域地下空間開發中的應用成果；同時對矩形頂管在地下綜合管廊、地下物流通道、海綿城市建設等其他地下空間中的應用前景進行了探索；最后，對矩形頂管設備進行了展望并對其發展方向提出了一些建議。

矩形頂管機；地下空間開發；過街通道；地下綜合管廊

0 引言

隨著社會經濟的發展和城市化進程的加快，我國大城市土地資源變得緊缺，地上空間容量供需矛盾日益突出，使得對地下通道、綜合管廊、地下停車場和地下商場等地下空間開發的需求日趨加大。國家大力發展交通和市政公用設施地下化和集約化，并將一部分公共建筑布置在地下空間，這對有效擴大空間供給、提高城市效率、減少地面占用、保護地面景觀和環境具有重要意義[1-2]。

以往地下構筑物的建造大多采用明挖施工的方式。這種方式存在諸多弊病：施工不僅會中斷交通、影響環境，還有可能對臨近建筑物造成破壞；對于埋深較大的地下空間開發項目，不僅施工成本會急劇增加，而且施工作業的風險也會增大。而如果采用矩形頂管施工就不存在上述問題,除了以局部開挖方式構筑工作井和接收井以外，可在不封閉交通、不搬遷管線、小噪聲和少塵土等條件下施工，相比圓形盾構其空間利用率可提高20%，從而大大降低施工成本[3]，為城市地下空間開發帶來了新機遇。本文簡述了矩形頂管的發展現狀，介紹了矩形頂管在我國已完工和即將推進的地下空間開發工程中的應用案例，并據此展望了矩形頂管在我國城市地下空間開發中的前景。

1 國內外矩形頂管的結構形式及應用分析

1.1 矩形頂管一般結構形式

20世紀70年代以來，隨著盾構掘進機施工技術的飛速發展，矩形頂管技術得以研制成功并首次應用于日本東京的地下聯絡通道中。在國內，上海隧道股份所研制的3.8 m×3.8 m矩形頂管機于1999年4月應用于上海地鐵三號線五號出入口矩形通道[4]，開創了國內矩形隧道研究和設備推廣應用的先河。而后又有中鐵工程裝備集團、揚州廣鑫重型設備有限公司等幾家企業進行矩形頂管機的研發設計。

經過多年的科研開發，國內寬度大于6 m、高度大于3 m的大斷面矩形頂管施工已普及，矩形頂管機已發展成集光、機、電、液、傳感和信息技術于一體，涵蓋切削土體、輸送渣土、測量導向和糾偏等多功能的專用工程機械。目前，國內矩形頂管主要適用于軟土—軟巖地層(UCS：0～10 MPa)，其結構形式也多為土壓平衡式。

土壓平衡矩形頂管一般包括了刀盤裝置、驅動系統、盾體結構、螺旋輸送機、后配套系統和頂推裝置(如圖1所示)，通過刀盤的結構和布置形式設置及矩形盾體結構設置來實現矩形斷面開挖。其盾體結構包括前盾、糾偏油缸、尾盾、可調節式鉸接密封和出洞油缸；驅動系統通過前盾來支撐并驅動刀盤；螺旋輸送機固定于前盾上并深入土壓艙，向外排渣的同時保障土艙壓力來平衡掌子面；前盾和尾盾之間通過鉸接油缸連接，實現盾體的糾偏和轉向；尾盾后端一般還布置有出洞油缸，用于盾體接收井出洞；后配套系統一般包括渣土改良系統、通風系統、高壓水系統和出渣皮帶機等；頂推裝置包括頂鐵、主頂油缸支架和后靠墻等。

圖1 矩形頂管示意圖

其工作一般是利用電機或液壓馬達驅動刀盤系統旋轉挖掘土體，切削后的土體在刀盤攪拌棒的作用下與膨潤土、泡沫等土體改良劑充分混合，并在螺旋輸送機螺旋葉片的旋轉作用下排出土壓艙。刀盤開挖的同時，頂推系統在始發井處推動管節與主機一起向前移動，從而實現掘進、排渣、管節支護一次機械化施工成型。

國內各大斷面矩形頂管廠家的結構形式大多類似，區別較大處在于刀盤結構形式。總體來說，國內大斷面矩形頂管均為多刀盤結構，通常包括平行中心軸式、偏心多軸式和中心軸偏心軸組合式3種。

1)平行中心軸式刀盤矩形頂管機。在適應施工地質條件下，以最大切削率和最大攪拌率為原則來考慮頂管機的斷面尺寸。平行中心軸式刀盤矩形頂管機的刀盤分為多刀盤前后錯開布置和多刀盤在同一切削平面內布置2種形式。前后排布式刀盤如圖2所示，其中圖2(a)為三前三后“品”字形布置等徑刀盤結構[5]，圖2(b)為前一大后四小刀盤結構，這2種刀盤裝置均只布置魚尾刀和刮刀，適用于軟土地層；同平面組合式刀盤如圖3所示，該刀盤裝置除魚尾刀和刮刀外還布置有滾刀，適用于砂卵石地層。

(a)三前三后

(b)前一大后四小

圖3 同平面組合式刀盤

2)偏心多軸式刀盤矩形頂管機。偏心多軸式刀盤體為矩形框架結構，刀盤的掘進端面及四周均布置有十字刀頭[6]，在多個偏心曲柄軸驅動下，各刀具繞著各自支撐圓心點、以與曲軸回轉支撐點之間的距離為半徑作平面圓周運動，實現刀盤平動切削土體。此種頂管機的優點是刀盤能夠在各種斷面形狀隧道中進行全斷面切削；缺點是攪拌不充分，較適用于軟土地層。偏心多軸式刀盤結構如圖4所示。此種矩形頂管受滾刀破巖機制限制，刀盤上不宜布置常規滾刀，因而不適用于巖石地層。但國外有公司專門針對偏心多軸式刀盤用于巖石地層做了一些有益的嘗試，并取得了可喜的進展。

圖4 偏心多軸式刀盤

3)中心軸偏心軸組合式刀盤矩形頂管。中心軸偏心軸組合式刀盤裝置一般為中心軸式圓刀盤中心布置、偏心軸式仿形擺動刀盤周邊布置[7](如圖5所示)，圓刀盤配置刮刀、偏心軸刀盤配置十字刀頭，兩刀盤一般為前后布置，協同工作實現矩形斷面開挖，此種矩形頂管受限于偏心擺動刀盤，僅能應用于軟土地層。

圖5 中心軸偏心軸組合式刀盤

4)其他在研頂管結構形式。除上述成型矩形頂管外，國內企業也積極創新，在吸收消化國外先進技術的基礎上，對新型結構形式矩形頂管進行了探索。如：中鐵工程裝備集團在行星齒輪式切削矩形頂管方面展開研究，該設備可在偏心驅動軸的作用下利用勒洛三角形刀盤直接開挖出正方形斷面，并可通過刀盤自由組合得到不同斷面的隧道，如圖6(a)為4刀盤組合正方形斷面，圖6(b)為2刀盤組合長方形斷面。

(a) 4刀盤組合正方形斷面

(b) 2刀盤組合長方形斷面

此外，在組合式頂管方面，2016年2月日本鹿島建設研制出R-SWING工法三聯式掘進機(寬 7.25 m、高4.275 m)，該設備采用油缸驅動擺動刀盤形式實現開挖[8](見圖7(a))；2010年3月清水建設株式會社與Kayaba System Machinery株式會社共同開發出滾筒式矩形盾構，通過液壓馬達驅動滾筒旋轉形式實現開挖[9](見圖7(b))。上述矩形頂管均可通過其各自基本結構自由組合來工作，其斷面適應性得到大大提高，這種工作模式也使國內企業受到一定的啟發，如近期中鐵工程裝備集團開展了多聯矩形頂管在地下停車場中的應用研究。

1.2 各類型矩形頂管優缺點對比及應用分析

平行中心軸式刀盤矩形頂管機利用圓形刀盤的切削區域前后交叉互補，來盡可能地減少矩形區域的開挖盲區。這種驅動方式簡單可靠，相對于偏心多軸式刀盤，在其開挖過程中，刀盤的切削反力可以相互抵消，因此對周圍土體的擾動小，地面沉降比較容易控制；另外其攪拌棒的運行半徑要遠大于偏心多軸式刀盤，如果布置合理，幾乎可以覆蓋整個斷面，土體改良效果好，且易在土艙形成具有良好塑性、流動性和不透水性的彈性土體，以平衡土壓力和地下水壓力，更有利于地面沉降的控制。但由于其每個刀盤的開挖范圍都是圓形，因此無論采用何種組合方式，都無法實現矩形截面的全斷面開挖，存在切削盲區是其最大的缺點，但可通過適當配置盾體邊刮刀、萬向球鉸接頭高壓水噴口、錐環等措施來改善。

(a)R-SWING工法三聯式掘進機

(b)滾筒式矩形盾構

對于偏心多軸式刀盤矩形頂管機，其優點在于：1)可根據開挖的截面設計出類似的仿形擺動刀盤，附以一定的曲柄長度，即可做到全斷面開挖，不存在切削盲區，可以大大減小頂管機掘進時所需的頂力；2)由于轉動半徑小，驅動所需的扭矩也小，大約是圓形刀盤的1/2；3)采用了十字刀頭，每把刀的切削路徑都很相似，刀具的切削量和磨損量比較均勻。其缺點也很明顯：由于各個點都圍繞各自的圓心做旋轉運動，其上面布置的刀具受到的反力無法相互抵消，切削反力傳遞給盾體，容易造成對周邊土體的擾動，控制不好極易造成開挖的沉降量超標；另外，其后部攪拌棒的運行軌跡也是以曲柄長度為半徑的圓，其攪拌范圍相對于整個開挖面來說極其有限，布置數量少起不到改良土體的作用，布置數量多則將大大增加刀盤的扭矩且形成反作用力，對盾體的平衡不利。

各類型刀盤矩形頂管均依托其各自特點適用于不同工況，具體對比如表1所示。

2 矩形頂管在城市地下空間開發中的應用

在國產矩形頂管快速發展的背景下，其性能和施工效果也在不斷改善，在國內地下空間開發中亦取得了不錯的成績。以下結合國內已完工和即將推進的標志性地下空間開發工程案例，對矩形頂管在過街通道、綜合管廊、地下停車場、地下商業街等地下空間開發方面進行應用探索。

表1 不同類型刀盤矩形頂管適用范圍對比

Table 1 Application ranges of rectangular pipe jacking machines with different types of cutter head

矩形頂管類型適用范圍平行中心軸式刀盤矩形頂管 適用于隧道長寬比大約在3∶2、管線情況較復雜、沉降量要求控制嚴格的隧道工程,多應用于軟土、砂卵石地層偏心多軸式刀盤矩形頂管 適用于隧道埋深大、隧道上部管線較少、隧道之間的間距較小的工程,適應于軟土地層中心軸偏心軸組合式刀盤矩形頂管 適用于長寬比為1∶1～3∶2,同時又對開挖面積有較高要求的工程,多應用于軟土地層

2.1 城市過街通道領域

自1999年上海隧道股份研制成功國內第一臺小斷面矩形頂管機后，經過多年發展，2013年中鐵工程裝備集團研制出超大斷面矩形頂管(10 m×7 m級)，并成功應用于鄭州市紅專路下穿中州大道項目，為世界上首次將矩形頂管法應用到交通隧道建設領域，施工效果如圖8所示。

圖8 鄭州市下穿中州大道項目矩形頂管施工效果

Fig.8 Effect of rectangular pipe-jacking crossing underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou City

該項目地層主要為粉土與粉質黏土，區間長度為105 m，采用大小2臺矩形頂管施工，均為平行中心軸式刀盤結構，如圖2(a)所示。該項目中間為兩機動車道，兩側為非機動車道，工程斷面圖如圖9所示，具有超淺埋(覆土最淺處僅厚3.0 m)、大跨度(跨度為10.12 m)、小凈間距(相鄰通道間距1 m)的特點[10]。該設備在中州大道項目中取得了良好的施工效果，地層最大沉降量僅為28.2 mm。機動通道施工用時30 d、非機動通道施工用時25 d，有效提高了非開挖過街通道的施工效率。

在過街通道領域除下穿中州大道交通隧道外，近來國內矩形頂管又陸續在地鐵出入口(如上海軌道交通二、六號線和武漢地鐵二號線)等過街人行通道進行過諸多嘗試，并取得了良好的施工效果。其中正在施工的成都市下穿人民南路人行通道項目同樣采用了矩形頂管施工(見圖10)。該項目位于華西第四醫院、四川大學附近的城市繁華地段，地上人流、車流眾多；此外該項目所處位置地下管網復雜，在項目通道上方布置有眾多燃氣、電力、雨水和污水管路，距離管路最近處僅為0.5 m，下方距離成都地鐵1號線路僅3.1 m，工程斷面如圖10所示。該人行通道開挖尺寸為6.02 m×4.52 m，全程穿越卵石地層，施工難度較大，沉降控制要求較高。對此，項目采用如圖3所示的同平面帶

滾刀多刀盤矩形頂管，并配置有大直徑帶式螺旋輸送機，以適應卵石地層掘進。截至目前，設備掘進距離過半并運行良好，為后續卵石地層矩形頂管施工積累了經驗。

圖9 鄭州市下穿中州大道工程斷面圖(單位：m)

Fig.9 Cross-section of tunnels crossing underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou (m)

圖10 成都市下穿人民南路工程斷面圖(單位：m)

2.2 地下商業空間領域

伴隨著城市地面商業的大規模發展，兼具人防、過街通道功能的商業隧道也逐漸被城市管理者所關注。2012年，佛山市南海區越秀星匯云錦開發項目成功完成了下穿南海大道的地下商業空間施工，該項目采用如圖4所示偏心多軸式刀盤矩形頂管，先平行頂進4條矩形斷面隧洞(單洞尺寸為6.9 m×4.9 m)，然后在隧洞間開洞實現互通[11]，從而在非開挖的情況下實現了地下商業和過街通道互通的目的，為地下商業空間的開發利用提供了一種新的形式。

該項目4條頂管通道從北向南功能定位依次為商鋪、人行通道、商鋪和車行道，如圖11和圖12所示。人行通道和商鋪之間通過6個3 m×3 m和1個 5 m×3 m的門洞相連通。最北側通道預留一個5 m×3 m的連接口，提供未來與佛山三號線桂城地鐵站之間連接的可能。為方便行人，減小開洞的施工風險，并且預留足夠的施工安全距離，同時滿足始發接收端頭預埋鋼環板的空間要求，相鄰頂管之間的設計間距確定為0.5 m。

2.3 地下停車場領域

傳統地下停車場施工一般采用明挖法，即敞開式開挖方法，不僅破壞環境，阻斷交通，并且揚塵、噪聲、渣土污染等嚴重影響周邊辦公及生活秩序。而常規暗挖法施工，通過施工豎井進入地下開挖，基本不破環地面環境且低噪聲，但傳統暗挖法一般以人工或小型機械設備作業為主，施工速度慢，在復雜環境下施工若采取措施不合理容易發生安全事故。

2016年9月中旬，中鐵工程裝備集團啟動了矩形頂管機械化施工地下停車場試驗項目，該施工設備采用自行研發的能從中間拆分成左右兩部分的分體組合式矩形頂管機(5.74 m×5.02 m)，停車場采用3跨為一組，兩側停車、中間為通道的結構形式，如圖13所示。

圖11 佛山南海區地下商業空間斷面圖(單位：mm)

Fig.11 Cross-section of underground commercial space in Nanhai District of Foshan (mm)

圖12 佛山南海區地下商業空間平面圖(單位：mm)

圖13 停車場橫斷面示意圖

3 矩形頂管在城市地下空間開發中的前景探索

3.1 矩形頂管在綜合管廊領域的應用前景

為節約城市地上空間，避免重復建設，同時為其他地下工程建設提供預留空間，已有不少城市統籌市政管線的綜合開發，規劃綜合管廊。綜合管廊可以容電力電纜、通信電纜、給水管道和燃氣管道于一體(如圖14所示)，并設置有專門的檢修口、吊裝口和監測系統，安裝維修不必將路面破壞，也不影響車輛交通和居民生活[12]。對于新建城區可采用明挖法施工，但對于已建成的老城區綜合管廊項目，開挖施工是不可取的，采用矩形頂管的非開挖施工極具優勢，目前已受到不少城建部門的青睞。

圖14 綜合管廊示意圖

截至目前，在國內尚未有矩形頂管在綜合管廊中的應用案例，但在市政管線隧道方面，2015年山東某工程采用2.2 m×2.5 m小斷面矩形盾構(如圖15所示)進行承載式方涵隧道施工，取得了良好效果，為矩形頂管在綜合管廊項目中的應用積累了寶貴經驗。

圖15 2.2 m×2.5 m矩形盾構

3.2 矩形頂管在地下物流通道領域的應用前景

一些大城市公路承載過重，人貨運輸混雜，但由于環境保護等問題的制約，致使高速公路無法進行無限擴建。而迅速發展的電子商務給物流業帶來新的挑戰：顧客通過網絡預定的貨物體積變小，數量增多，運送的頻率加快，且運送距離也加大。對此全球物流巨頭德國敦豪公司(DHL)提出了“城市鼴鼠”的設想(如圖16所示)[13]，在地下管道網中穿行的機器人，可以把貨物自動密封在包裹里，然后把貨物順著軌道運送出去。這種地下管道物流系統不僅不會受到外部天氣及其他交通的影響，貨物也不易丟失、損壞。“智能配送，精準分流”：實現自動化，完全可控，成本更低，能耗更低，促進城市生活智慧化。

圖16 地下物流系統示意圖

3.3 矩形頂管在海綿城市領域的應用前景

2014年11月2日，住建部發布《海綿城市建設技術指南》，探索構建城市雨水開發體系，促進建立科學完善的城市水循環系統，根治城市內澇頑疾。目前國內已成立多個海綿城市試點城市，而地下儲水空間的建設同樣會對矩形頂管設備提出需求。

矩形頂管在地下空間開發中的大力應用，有利于提高施工速度，加快城市地下空間建設速度，有效促進城市地下空間統一規劃、復合開發。將一個城市地下空間由功能單一、獨立開發利用轉向多功能、各領域綜合開發，充分發揮各自優勢，是城市地下空間大規模、有序化開發利用的前提條件，對建設“資源節約型”和“環境友好型”社會具有重大意義。

4 結語

在地下空間全面開發的時代，矩形頂管具有廣闊的應用前景，針對其適應性、專業性方面的進一步開發，會使矩形頂管具有更廣闊的市場空間。結合現有矩形頂管結構形式及工程案例需求，對矩形頂管在國內地下空間開發應用中的發展方向提出幾點建議：

1)目前國內矩形頂管只針對軟土或部分砂卵石地層，而對素有“地質博物館”之稱的中國而言，要想使得矩形頂管設備在全國范圍內遍地開花，開展硬巖或復合地層矩形頂管的研發迫在眉睫。

2)隨著國內地下空間領域開發的全面開展，隧道形式、大小也越來越多樣化，這無疑對矩形頂管的適應性提出了挑戰，相信在矩形頂管基礎之上發展起來的分體組合式頂管以及馬蹄形、橢圓形等異形頂管也將是未來研究發展方向之一。

3)矩形頂管受管節與土體阻力影響，目前一般掘進距離均不長，超過150 m的隧道雖可采用增加工作井分段掘進或增加中繼間等方式來增加頂進距離，但矩形頂管如何進一步實現更長距離頂進是一項亟需克服的工程難題，或許盾構法施工可為其實施提供部分啟示。

4)土壓平衡頂管多用于淺覆土、低水壓的場合，而在地下物流通道、海綿城市工程建設中不可避免會遇到大埋深富水工況，泥水平衡模式掘進機不僅能夠適應上述工況，并且也避免了土壓平衡頂管螺旋機出渣間斷性工作的缺點，可大大提高施工效率。所以，泥水平衡頂管的研發也應是業界同仁需關注的方面。

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Application of Rectangular Pipe Jacking Machine to Urban Underground Space Development and Its Prospects

JIA Lianhui

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

The normal structure form of rectangular pipe jacking machine is discussed.The structural features and formation adaptability of rectangular pipe jacking machine with paralleled central shaft cutter head and that with eccentric multi-shaft cutter head,planetary gear type of rectangular pipe jacking machine,and multi-rectangular-face pipe jacking machine are introduced in detail.The applications and achievements of rectangular pipe jacking machine used in urban underground space,including urban underpass,underground commercial space and underground parking areas,etc.are presented.The application of rectangular pipe jacking machine to underground utility tunnel,underground logistics channel and Sponge City,etc.are prospected.The development of rectangular pipe jacking machine is prospected and some suggestions are given.

rectangular pipe jacking machine; underground space development; underpass; underground utility tunnel

2016-07-25;

2016-09-06

賈連輝(1981—)，男，河北三河人，2004年畢業于河北工程大學，機械設計制造及其自動化專業，本科，高級工程師，主要從事隧道與地下工程裝備設計與研發工作。E-mail:jialianhui2005@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.017

U 455.3

A

1672-741X(2016)10-1269-08