城市矩形頂管施工技術(shù)及其展望

摘要：近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的城市化進(jìn)程逐漸加快，但同時(shí)地面可利用土地資源有限、交通擁堵等問(wèn)題也日漸突出。為節(jié)省土地資源，充分利用地下空間，頂管施工技術(shù)于上世紀(jì)被引進(jìn)至國(guó)內(nèi)，并逐漸得到推廣。文章在此對(duì)城市矩形頂管施工技術(shù)的原理及特點(diǎn)進(jìn)行概述，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展情況進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：城市;矩形頂管;地下空間;有限空間

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)向好發(fā)展，我國(guó)的城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，各類(lèi)高層建筑和基礎(chǔ)設(shè)施呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展，高樓和地面結(jié)構(gòu)物林立，城市發(fā)展一片繁榮。但與此同時(shí)，地面可利用土體資源有限、交通擁堵等問(wèn)題也日漸突出，影響著城市的可持續(xù)發(fā)展。為解決這一問(wèn)題，地鐵、地下通道、隧道等地下工程數(shù)量逐漸增多，以往城市地下構(gòu)筑物的建造大多采用明挖的方法進(jìn)行施工，這種方式耗時(shí)長(zhǎng)、擾動(dòng)大、污染高，并且在埋深較大的隧道中施工時(shí)這一方法時(shí)還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。伴隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，頂管、盾構(gòu)、TBM等機(jī)械施工方法被研發(fā)而出，并被廣泛地應(yīng)用到城市地下工程施工過(guò)程中。而矩形頂管憑借其成本相對(duì)較低、斷面利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在短距離軟土地層隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用，矩形頂管的應(yīng)用對(duì)于加快城市建設(shè)、減輕交通擁堵、提升人民幸福滿意度具有重要的作用。本文對(duì)矩形頂管的施工原理、應(yīng)用范圍、特點(diǎn)進(jìn)行綜合梳理，以幫助人們能夠更加廣泛的了解矩形頂管施工技術(shù)。

2 ?頂管技術(shù)發(fā)展概況

受盾構(gòu)施工技術(shù)啟發(fā)，美國(guó)于1896年的北太平洋鐵路建設(shè)中開(kāi)始使用頂管施工技術(shù)，采用油缸產(chǎn)生的推力推動(dòng)頂管機(jī)及管節(jié)進(jìn)行前進(jìn)，其后液壓油缸技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)一步推動(dòng)了頂管技術(shù)的不斷進(jìn)步。頂管技術(shù)于上世界中期引入我國(guó)，但受我國(guó)當(dāng)時(shí)科技水平的限制，頂管技術(shù)未得到有效的推廣應(yīng)用及深入研究。直至上世界八十年代，我國(guó)研判了頂管技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景之后開(kāi)始了對(duì)于頂管技術(shù)的科研攻關(guān)。1988年，上海成功研制了我國(guó)第一臺(tái)頂管機(jī)，在其后的十年內(nèi)，矩形頂管技術(shù)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)得到工程應(yīng)用，用于在上海地鐵3號(hào)線陸家嘴站灰色淤泥粉質(zhì)黏土地層中修建地下人行通道，該頂管為組合刀盤(pán)土壓平衡矩形頂管機(jī)，矩形斷面尺寸3.8*3.8m，頂進(jìn)距離達(dá)62.25m。在其后的2004和2006年，上海市中環(huán)線虹許路北虹路下立交工程和上海軌道交通6號(hào)線浦電路站過(guò)街出入口工程中又再次使用了頂管技術(shù)進(jìn)行施工，而后頂管施工技術(shù)逐漸開(kāi)始在國(guó)內(nèi)普及。

3 ?頂管機(jī)施工原理及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

頂管機(jī)的工作原理一般為利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使刀盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割土體。掉落的土體在土倉(cāng)內(nèi)不斷被攪拌，經(jīng)過(guò)與膨潤(rùn)土和泡沫的充分混合增加其流動(dòng)性后，經(jīng)過(guò)螺旋出土機(jī)帶離土倉(cāng)，而后經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的渣土輸送裝置排出頂管機(jī)內(nèi)。在刀盤(pán)切割土體的同時(shí)，管節(jié)在千斤頂?shù)淖饔孟虏粩嘞蚯耙苿?dòng)，使得刀盤(pán)始終貼近前方土體，保證掌子面前方土體的穩(wěn)定。待頂進(jìn)距離達(dá)到一個(gè)管節(jié)的長(zhǎng)度之后，千斤頂收回全部行程，并使用龍門(mén)吊吊裝下一管節(jié)至千斤頂行程范圍內(nèi)，將新管節(jié)與前一管節(jié)密切貼合，再采用千斤頂進(jìn)行下一行程的頂進(jìn)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的地下工程而言，矩形頂管施工技術(shù)的主要適用環(huán)境如下：（1）松軟的土質(zhì)地層;（2）穿越鐵路、公路等復(fù)雜敏感建筑物時(shí);（3）在人流量較多的地段施工時(shí);（4）地下工程與地鐵、房屋樁基等敏感結(jié)構(gòu)相互近接施工時(shí)。同時(shí)，對(duì)比圓形頂管，矩形頂管具有如下優(yōu)勢(shì)：（1）矩形頂管的斷面利用率更大，經(jīng)過(guò)計(jì)算，相對(duì)于圓形頂管隧道，矩形頂管能節(jié)省大約20%左右的空間;（2）矩形頂管在城市各類(lèi)聯(lián)絡(luò)通道，如下穿鐵路、公路等人行隧道中更加適用;（3）矩形頂管能夠更加適用于淺覆土環(huán)境，可大大降低地下工程施工的深度，降低施工成本。

4 ?頂管機(jī)種類(lèi)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，通常可以直觀的根據(jù)頂管機(jī)的外形、管道截面形狀將矩形頂管機(jī)分為三類(lèi)，平行中心軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)、偏心多軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)、中心軸偏心軸組合式刀盤(pán)矩形頂管。其中平行中心軸式頂管機(jī)的刀盤(pán)多為多刀盤(pán)前后錯(cuò)開(kāi)布置和多刀盤(pán)在同一切割平面內(nèi)布置兩種形式，偏心多軸式頂管機(jī)主要采用的是矩形框架結(jié)構(gòu)，其典型的特征為刀盤(pán)的掘進(jìn)端面及四周均布置有十字刀頭，中心軸偏心軸組合式矩形頂管一般為中心軸式圓刀盤(pán)中心布置、偏心軸式仿形擺動(dòng)刀盤(pán)周邊布置。上述三種刀盤(pán)的刀盤(pán)布置方式和截面形式雖然有較為明顯的區(qū)別，但是其原理基本都為依靠電機(jī)帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，從而切削土體創(chuàng)造出一定的地下空間，進(jìn)行管節(jié)的拼裝。

除開(kāi)上述三種較為常見(jiàn)的管節(jié)形式之外，我國(guó)的科研人員根據(jù)頂管施工的技術(shù)原理及現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)于頂管機(jī)具的具體要求，在充分研究國(guó)內(nèi)外頂管機(jī)施工技術(shù)之后，也進(jìn)行了一定的創(chuàng)新，如中鐵工程裝備集團(tuán)在行星齒輪式切削矩形頂管方面展開(kāi)研究，該設(shè)備可在偏心驅(qū)動(dòng)軸的作用下利用勒洛三角形刀盤(pán)直接開(kāi)挖出正方形斷面，對(duì)頂管行業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

5 ?頂管機(jī)發(fā)展展望

在地下空間呈現(xiàn)出如火如荼之勢(shì)的今天，矩形頂管在城市建設(shè)過(guò)程中有著極為廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合我國(guó)地下工程發(fā)展的實(shí)際情況，以及頂管施工技術(shù)的現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀，對(duì)矩形頂管未來(lái)的發(fā)展提出一下幾點(diǎn)展望：

（1）現(xiàn)階段矩形頂管主要應(yīng)用于軟土地層，這與頂管自身存在一定的盲區(qū)這一固有屬性有關(guān)，在硬巖和復(fù)合地層中盲區(qū)的存在會(huì)使頂管發(fā)生姿態(tài)偏轉(zhuǎn)、刀盤(pán)卡死等一系列問(wèn)題，影響施工進(jìn)度。未來(lái)矩形頂管的研究應(yīng)逐漸朝著硬巖和復(fù)合地層邁進(jìn)，加快頂管機(jī)對(duì)于硬巖和復(fù)合地層的適應(yīng)性。目前莆田市人行通道施工這一項(xiàng)目已在進(jìn)行積極的探索，莆田站涉鐵預(yù)埋項(xiàng)目部依托中鐵裝備研發(fā)出了適用于復(fù)合地層施工的“天妃一號(hào)”矩形頂管，現(xiàn)已運(yùn)抵項(xiàng)目部進(jìn)行拼裝，期待該項(xiàng)目能夠大獲成功，為頂管的進(jìn)一步應(yīng)用開(kāi)疆拓土。

（2）矩形頂管目前頂進(jìn)的距離普遍較短，一般不超過(guò)兩百米，矩形頂管的這一缺點(diǎn)在很大程度上限制了頂管在城市地區(qū)的進(jìn)一步應(yīng)用，未來(lái)應(yīng)就這一點(diǎn)展開(kāi)持續(xù)的科研攻關(guān)，減小頂管施工過(guò)程中的阻力，增大頂管的推進(jìn)距離。

（3）以矩形頂管的研究為突破點(diǎn)，逐步開(kāi)展異形頂管的研究，如馬蹄形頂管、橢圓形頂管等，加快頂管機(jī)對(duì)于隧道斷面形狀的適應(yīng)性，擴(kuò)大頂管的使用范圍。

作者簡(jiǎn)介：吳運(yùn)昌（1980-），男，漢族，江西上饒人，交通運(yùn)輸工學(xué)學(xué)士，任職于中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司，研究方向：鐵路工程。