我國矩形頂管隧道應(yīng)用現(xiàn)狀及面臨的技術(shù)難題探析

摘" 要：隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，矩形頂管法作為綠色、安全、環(huán)保和高效的地下工程建造技術(shù)，在城市地下空間開發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，并逐漸成為研究熱點(diǎn)。該文綜述我國矩形頂管隧道的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢。依據(jù)大量的工程實(shí)例，對(duì)矩形頂管隧道的應(yīng)用領(lǐng)域、斷面尺寸分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出矩形頂管隧道的斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)。分析我國矩形頂管隧道應(yīng)用面臨的技術(shù)難題，并結(jié)合現(xiàn)有矩形頂管隧道的應(yīng)用需求，提出幾點(diǎn)發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：矩形頂管分類；大斷面；研究現(xiàn)狀；技術(shù)難題；發(fā)展建議

中圖分類號(hào)：U445.47" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）11-0181-04

Abstract： With the rapid development of China's urban construction， rectangular pipe jacking method， as a green， safe， environment-friendly and efficient underground engineering construction technology， has been applied in various fields of urban underground space development， and gradually become a focus of research. This paper summarizes the development history and trend of rectangular pipe jacking tunnel in China. According to a large number of engineering examples， the application field and distribution of different section sizes of rectangular pipe jacking tunnel are analyzed statistically， and the section division standard of rectangular pipe jacking tunnel is given. This paper briefly introduces the problems faced by the application of rectangular pipe jacking tunnel in China， and puts forward some development suggestions based on the application requirements of existing rectangular pipe jacking tunnel.

Keywords： classification of rectangular pipe jacking; large cross section; research status; technical problem; development suggestions

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地上空間及道路交通越來越擁擠，地下空間建設(shè)的需求和要求不斷提高[1]。在保障城市地面交通順暢、地下管道正常運(yùn)營的前提下，傳統(tǒng)明挖施工工藝在城市中心區(qū)建設(shè)地下工程變得愈發(fā)困難，因此，非開挖技術(shù)已成為城市地下空間建設(shè)的主流方法，其中就包括矩形頂管法。伴隨著我國綜合國力的提升和頂管機(jī)械建造技術(shù)的長足進(jìn)步，矩形頂管法因其空間利用率高、淺覆土適應(yīng)能力強(qiáng)、環(huán)境影響小、機(jī)械化程度及安全性高等特點(diǎn)，被越來越多的工程所采用。一大批涉及地鐵出入口、綜合管廊、公路、地鐵車站和地下停車場等多個(gè)領(lǐng)域的大斷面矩形頂管隧道涌現(xiàn)，為城市地下空間的開發(fā)利用起到了積極推動(dòng)作用。

1" 國內(nèi)矩形頂管隧道技術(shù)發(fā)展歷程

20世紀(jì)90年代，矩形頂管技術(shù)在我國得以應(yīng)用。隨后的20多年，伴隨著頂管機(jī)械建造技術(shù)的進(jìn)步，我國矩形頂管隧道取得長足發(fā)展。以時(shí)間為軸線，我國矩形頂管隧道的發(fā)展歷程大體可分為3個(gè)階段[2]。圖1為我國矩形頂管隧道的發(fā)展時(shí)間簡圖。

第1階段：探索模仿階段。1995年，上海隧道工程股份有限公司率先研制了2.5 m×2.5 m可變網(wǎng)格式矩形頂管機(jī)，拉開了我國矩形頂管隧道的發(fā)展序幕。1999年，國內(nèi)研制完成3.8 m×3.8 m大刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)，并完成我國首條矩形頂管隧道——上海地鐵2號(hào)線陸家嘴5號(hào)出入口地下通道施工，為矩形頂管法施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，在國內(nèi)矩形頂管發(fā)展史上具有里程碑意義。隨后該型號(hào)頂管機(jī)又陸續(xù)完成了上海地鐵4號(hào)線浦東南路站過街地道、昆山市長江南路地下通道及上海上中路排水箱涵等9條隧道，頂進(jìn)總長達(dá)322 m。

第2階段：應(yīng)用發(fā)展階段。隨著國內(nèi)地鐵出入口、人行過街通道和地下綜合管廊等工程需求的不斷增大。2002年，6 m×4 m的偏心多軸雙刀盤土壓平衡式矩形頂管機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并在寧波、上海和南京等地的20個(gè)工程中得以應(yīng)用，頂進(jìn)總長達(dá)到759.1 m。隨著工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，2008—2012年，國內(nèi)又研制了6.9 m×4.2 m的多刀盤、大刀盤+偏心多軸組合和大刀盤+行星輪組合式矩形頂管機(jī)，以解決偏心多軸式刀盤渣土攪拌不充分，且易斷軸等缺點(diǎn)。該階段我國矩形頂管隧道得到了充分的應(yīng)用發(fā)展，共計(jì)完成近40條隧道，頂進(jìn)總長超過1 700 m。

第3階段：創(chuàng)新引領(lǐng)階段。市政道路過街需求的增加將矩形頂管機(jī)推向大斷面、超大斷面的創(chuàng)新研制高潮。2013年，中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研制出10.4 m×7.5 m大斷面矩形頂管機(jī)并應(yīng)用于鄭州市紅專路下穿中州大道項(xiàng)目，是國內(nèi)首次將矩形頂管法應(yīng)用于交通隧道建設(shè)領(lǐng)域[3]。2020年研制的14.82 m×9.446 m超大斷面矩形頂管機(jī)，成功應(yīng)用于嘉興快速路環(huán)線下穿南湖大道三車道交通隧道，更是創(chuàng)下世界之最。另一方面，我國地質(zhì)條件區(qū)域性差異大，對(duì)矩形頂管的地層適應(yīng)性提出了更高要求。2016年，依托成都川大停車場下穿人民南路項(xiàng)目，研制了適用于富水砂卵石地層的矩形頂管機(jī)。2021年，國內(nèi)首臺(tái)大斷面多刀盤硬巖土壓平衡頂管機(jī)在莆田火車站涉鐵預(yù)埋工程項(xiàng)目始發(fā)。眾多大型工程的修建，標(biāo)志著我國矩形頂管技術(shù)已取得突破性發(fā)展，進(jìn)入創(chuàng)新引領(lǐng)階段。

2" 矩形頂管隧道工程應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析

20余年來，矩形頂管在全國各地得到廣泛應(yīng)用。特別是2016年以后，隨著矩形頂管機(jī)市場保有量的提升，矩形頂管隧道快速發(fā)展[2]。隧道的建造規(guī)模越來越大，穿越地層和工程節(jié)點(diǎn)越來越復(fù)雜，用途也由原來的聯(lián)絡(luò)通道、排水箱涵和人行過街通道，逐漸拓展到大型綜合管廊、地鐵車站出入口和交通隧道等各領(lǐng)域。總體上呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)斷面大型化和工程條件復(fù)雜化2個(gè)發(fā)展趨勢。不完全統(tǒng)計(jì)顯示，截至2021年底，國內(nèi)已完成86條矩形頂管隧道工程建設(shè)。表1列出了部分國內(nèi)典型的矩形頂管隧道案例。

對(duì)收集到的矩形頂管隧道工程案例從應(yīng)用領(lǐng)域、不同斷面尺寸分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（數(shù)據(jù)收集來源包括學(xué)術(shù)論文、隧道相關(guān)書籍及新聞報(bào)道等）。圖2、圖3分別給出了矩形頂管隧道應(yīng)用領(lǐng)域和斷面尺寸的分布情況。由圖2、3可知，矩形頂管隧道在地鐵出入口及人行過街通道中的應(yīng)用最多，而市政道路領(lǐng)域的應(yīng)用工程正在迅速增加。與應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)，適用于出入口和過街通道的5～7 m斷面隧道占比最大。其次是近年來應(yīng)用于交通領(lǐng)域的10 m級(jí)以上斷面較多。

在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，從斷面大小、頂進(jìn)長度2方面對(duì)矩形頂管隧道進(jìn)行如下分類，詳見表2、表3。

3" 矩形頂管隧道應(yīng)用面臨的技術(shù)難題

盡管矩形頂管隧道在我國發(fā)展迅速且取得了豐碩成果，但矩形頂管隧道的推廣應(yīng)用仍然面臨著諸多問題。理論方面，對(duì)管土作用、管節(jié)受力和減摩注漿后的摩阻因數(shù)確定等研究不夠深入[1]。設(shè)計(jì)方面，沒有針對(duì)矩形頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，各設(shè)計(jì)單位、設(shè)備廠家無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備通用性較差造成矩形頂管工程造價(jià)偏高[1-2]。施工方面，對(duì)矩形頂管機(jī)頭背土效應(yīng)、頂管姿態(tài)控制、頂推沉降控制、長距離和曲線頂進(jìn)等技術(shù)研究不足。設(shè)備方面，針對(duì)全斷面切削、硬巖地層和軟硬不均復(fù)合地層的設(shè)備適應(yīng)性研究不足。結(jié)合現(xiàn)有矩形頂管隧道的應(yīng)用需求，提出以下幾點(diǎn)發(fā)展建議。

3.1" 推動(dòng)矩形頂管向更大、更長方向發(fā)展

隨著矩形頂管在城市道路交通領(lǐng)域的發(fā)展，頂管斷面必將進(jìn)一步加大，加強(qiáng)大斷面、特大斷面管節(jié)受力研究迫在眉睫。管節(jié)結(jié)構(gòu)受土體阻力影響，掘進(jìn)距離受到限制，導(dǎo)致了設(shè)備攤銷費(fèi)用高而制約矩形頂管隧道的應(yīng)用。因此，突破大斷面矩形頂管更長距離頂進(jìn)技術(shù)是推廣矩形頂管應(yīng)用的必經(jīng)之路。

3.2" 推動(dòng)矩形頂管管節(jié)新材料應(yīng)用及預(yù)制拼裝技術(shù)發(fā)展

目前大斷面矩形頂管隧道多采用混凝土整體式管節(jié)，其單根管節(jié)的體積與自重較大，運(yùn)輸與吊裝困難，尤其是特大斷面管節(jié)因無法運(yùn)輸而只能進(jìn)行現(xiàn)場預(yù)制，需要較大施工場地[4]。因此，研究大斷面矩形頂管管節(jié)新材料應(yīng)用及預(yù)制拼裝技術(shù)對(duì)于矩形頂管隧道的推廣非常必要。

3.3" 推動(dòng)矩形頂管曲線施工技術(shù)發(fā)展

隨著工程建設(shè)條件不斷復(fù)雜化，工程線路考慮避讓地下構(gòu)筑物、實(shí)現(xiàn)交通銜接等因素，不可避免地需設(shè)置平面、豎直，甚至是復(fù)合曲線，這對(duì)大斷面矩形頂管施工技術(shù)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。曲線頂進(jìn)需處理好管節(jié)接頭、頂進(jìn)方向控制、曲線外側(cè)地層強(qiáng)度等問題。目前國內(nèi)大斷面矩形頂管尚無曲線頂進(jìn)案例，曲線頂進(jìn)施工技術(shù)亟待解決。或許圓形頂管曲線頂進(jìn)采用的蚯蚓式、楔形套環(huán)、楔形墊塊和單元曲線等方法可提供部分參考[5]。

3.4" 進(jìn)一步推進(jìn)硬巖、復(fù)合地層頂管設(shè)備技術(shù)研發(fā)

我國地質(zhì)條件區(qū)域差異巨大，素有“地質(zhì)博物館”之稱。有以上海、杭州等地區(qū)為代表的軟土地層，以廣州、深圳為代表的復(fù)雜紅層，以北京、南京和成都為代表的富水砂卵石、卵礫石地層等[6]。目前國內(nèi)矩形頂管工法多應(yīng)用于軟土和一般土地層中，雖然在砂卵石地層、硬巖地層矩形頂管機(jī)的研究方面也有突破與應(yīng)用案例，但施工中也暴露出諸多需要解決的技術(shù)問題，進(jìn)一步研發(fā)適應(yīng)復(fù)雜地層的矩形頂管設(shè)備對(duì)矩形頂管隧道的推廣應(yīng)用具有重要意義。

4" 結(jié)束語

伴隨我國城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，矩形頂管隧道必將向更大斷面、更長距離、更廣領(lǐng)域和更復(fù)雜的工程建設(shè)條件等方向發(fā)展，這對(duì)矩形頂管隧道的建設(shè)要求提出了許多新的問題和挑戰(zhàn)。但機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，在地下空間全面開發(fā)的時(shí)代，研究解決上述問題將會(huì)使矩形頂管隧道具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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