莊欠偉

1. 上海隧道工程有限公司，上海 200232

2. 上海盾構設計試驗研究中心有限公司，上海，200137

0 引言

矩形隧道掘進技術通常是指掘進斷面形狀為圓角矩形或復合圓形的隧道掘進技術，是異形斷面隧道掘進技術的一種。相較于傳統(tǒng)的圓形斷面隧道掘進技術，矩形斷面隧道掘進技術具有空間利用率高、覆土淺和施工成本相對低廉等特點。其有效使用面積相較于傳統(tǒng)圓形盾構增大了20%以上，且在擁有同等使用面積的情況下矩形盾構能節(jié)35%以上的地下空間，大大減少隧道埋深。根據(jù)主要施工設備的不同，矩形隧道掘進技術可分為矩形頂管和矩形盾構。其中矩形頂管技術主要適用于短距離、淺覆土、單坡直線段或者直線段施工，而矩形盾構的適用范圍更廣、適應性更強，對周圍環(huán)境的影響也更小[1-3]。

現(xiàn)代意義上的矩形隧道掘進技術是20世紀90年代由日本率先研發(fā)和掌握的，目前主要應用于中國和日本的地下工程建設當中。本文將介紹國內(nèi)外矩形隧道掘進技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，進而對矩形隧道掘進技術的發(fā)展趨勢進行展望。

1 國外矩形隧道掘進技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

1818年英國人布魯諾由蛀蟲鉆洞得到啟發(fā)，發(fā)明了人類歷史上第1臺盾構機，而這臺盾構機正是矩形斷面盾構機，如圖1所示。該盾構機采用人工開挖方式，出于最有利于布置挖掘工人的考慮，該盾構機采用了矩形斷面設計。這臺11 m×6 m的盾構機于1843年完成了泰晤士河隧道的施工。然而，由于當時結構設計和施工技術的局限，該隧道襯砌為磚砌雙聯(lián)拱結構，與盾構外形并不匹配。

矩形隧道與圓形隧道的比較

隨著技術的發(fā)展，機械開挖取代了人工開挖，而圓形盾構由于其襯砌結構受力合理、經(jīng)濟性好、便于機械開挖和襯砌拼裝，迅速取代了矩形盾構成為主流，矩形盾構則逐漸被人們遺忘。直到20世紀90年代，隨著日本城市建設由功能優(yōu)先的現(xiàn)代化建設轉(zhuǎn)向人居優(yōu)先的后現(xiàn)代化建設的展開，需要在本已擁擠的地下空間中建設地鐵、地下道路和共同溝等，因此經(jīng)常面臨狹小道路無法布置傳統(tǒng)的雙線單圓隧道的狀況。為了解決這一難題，異性斷面刀盤技術的逐漸成熟，空間利用率更高、結構形式更簡潔的矩形盾構登上了歷史舞臺。從1994年石川島播磨重工研制的DPLEX偏心多軸刀盤式土壓平衡類矩形盾構開始，類矩形隧道尺寸越做越大，施工距離越來越長，至2005年在日本已基本取代了多圓或雙圓盾構。

圖1 布魯諾盾構機

迄今為止，據(jù)不完全統(tǒng)計，日本已有15項采用類矩形法施工的隧道工程，斷面尺寸從2.10 m×2.10 m到8.24 m×11.96 m，且盾構機形式多種多樣，具體見表1。其中，京都市地下鐵東西線六地蔵北工區(qū)工程是第1例矩形盾構施工軌道交通單洞雙線的工程，是首次實現(xiàn)了矩形盾構施工無立柱的渡線段；神奈川6號川崎線盾構為MMST工法所用的超前支護盾構，其主隧道斷面為矩形，但超前支護盾構的本質(zhì)為小型并列多圓盾構，雖然算作矩形盾構，但技術特征與使用方法差異很大。

2 國內(nèi)矩形隧道掘進技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

國內(nèi)在矩形隧道掘進技術方面起步較晚，但發(fā)展速度很快，尤其是近幾年來隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，地下建設工程興盛，發(fā)展勢頭迅猛[4-5]。到目前為止，中國矩形隧道掘進技術的研發(fā)和應用主要集中在矩形頂管機領域，在矩形盾構領域中也同樣取得了突破性進展。

表1 日本矩形/復合圓形盾構法隧道工程

續(xù)表1

2.1 國內(nèi)矩形頂管機技術

在矩形頂管機領域，上海隧道股份有限公司于1996年率先研制了第一臺2.5 m×2.5 m可變網(wǎng)格矩形頂管機，并頂進矩形隧道60 m；其后又研發(fā)了一系列3.8 m×3.8 m至11.83 m×7.27 m各種外型尺寸及類型的矩形隧道掘進機，如表2所示。其中3.8 m×3.8 m組合刀盤土壓平衡式矩形頂管技術在1999年首次運用于上海地鐵2號線陸家嘴站五號出入口，并完成了10多例工程實例；4 m×6 m偏心多軸刀盤式矩形掘進機于2003年在寧波首次使用，建造了開明街—藥行街地下人行通道，此后該斷面的頂管建成了眾多人行通道；4.2 m×6.9 m多刀盤矩形頂管掘進機已完成近30條隧道工程，總里程超過1 500 m；4.2 m×6.9 m大刀盤加偏心多軸組合式矩形頂管機，截至目前為止已完成7條通道施工，共119 m；4.2 m×6.9 m大刀盤加行星輪組合式頂管機，同時驅(qū)動1個大刀盤和4個行星輪刀盤同步運轉(zhuǎn)，對矩形全斷面進行切削，目前已施工完成的2條通道共112 m；7.5 m×10.4 m大刀盤加偏心多軸式矩形頂管掘進機，驅(qū)動1個大刀盤和4個偏心多軸刀盤同步運轉(zhuǎn)進行全斷面切削，目前已完成2條通道，共222 m。此外，上海隧道股份公于2004年在新疆烏魯木齊采用了20 m×6.2 m×7.8 m三聯(lián)體組裝形式的矩形盾構機、履帶式行走模板拼裝機和現(xiàn)澆襯砌箱體鋼模施工了超大斷面矩形隧道[6-9]。

近年來，如中鐵隧道、鐵建重工、上海建工、鐵建重工、中交天和、北方重工揚州廣興等企業(yè)也紛紛進入矩形頂管領域，研發(fā)出一批各種類型和斷面尺寸乃至超大斷面的矩形頂管機，如表3所示。

表2 上海隧道股份有限公司研發(fā)的部分矩形隧道頂管機

2.2 國內(nèi)矩形盾構技術

在矩形盾構機領域，上海隧道股份有限公司于2015年研制出了11.83 m×7.27 m雙X同面加偏心多軸組合式全斷面切削類矩形盾構，如圖2所示，目前已成功應用于寧波軌道交通3號線一期工程[10]。該矩形盾構的研發(fā)，在盾構刀盤、盾構機殼體結構、隧道管片結構、隧道管片拼裝的設計等關鍵技術領域為國內(nèi)的矩形盾構技術做了技術積累。其采用的2個同一平面相交X圓形大刀盤加中心偏心多軸式刀盤的組合式布置技術，解決了以往矩形盾構切削斷面存在盲區(qū)的問題，并在經(jīng)濟性和安全性方面都有明顯優(yōu)勢，還可適用于多種異性斷面盾構的全斷面切削；其多自由度的管片拼裝系統(tǒng)，通過復合運動可實現(xiàn)多約束條件下拼裝機最優(yōu)軌跡規(guī)劃和高精度、無碰撞軌跡跟蹤， 實現(xiàn)管片抓取至目標位置的自動化，并能實現(xiàn)中立柱的拼裝。此外，上海建工于2015年研發(fā)了一款10.10 m×5.30 m的超大斷面可伸縮刀盤土壓平衡式矩形盾構機，如圖2所示，并成功應用于虹橋臨空地塊地下連接通道。

表3 部分國產(chǎn)矩形斷面頂管機

圖2 上海隧道股份有限公司研制的矩形盾構

3 發(fā)展趨勢及展望

目前國內(nèi)矩形隧道掘進技術正沿著設備的高自動化與集成化、掘進斷面的大型化趨勢發(fā)展。在技術領域，需要在以下幾個方面做進一步研究。

（1）盾構刀盤設計。保證在復雜切削過程中保持100%全斷面土體切削。

（2）殼體結構設計。矩形薄殼體由于寬度在水平跨度方向上較長，受到上部土體壓力造成的均布載荷作用，承受的彎矩比圓形薄殼體大，剛度也隨之下降，因此如何提高其剛度并盡量減少質(zhì)量一大技術難點。

（3）隧道管片結構設計。如何選擇最優(yōu)的橫斷面尺寸和斷面形式。

（4）管片拼裝。由于矩形盾構矩形隧道管片設計分塊的差異性很大，且沒有圓形的中心對稱優(yōu)勢，管片環(huán)向和軸向均有凹凸榫，拼裝精度要求高，立柱需要軸向拼裝，拼裝機本身可用回轉(zhuǎn)空間較小，使得管片拼裝也成為矩形盾構技術的一大關鍵難點。

（5）此外，如軸線控制、切削排土、同步注漿、電液控制等也同樣是矩形隧道掘進技術需要進一步研究和發(fā)展的關鍵技術。

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