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摘要：从隧道的使用功能来分析，矩形断面最为合适，最为经济，可显著增大其有效使用面积，有效节省地下空间资源；同时还提高了隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力。

矩形隧道的发展缘由

隧着城市的发展，对地下隧道的空间利用和隧道建设与周边环境的相互关系愈加受到重视和制约，因此，矩形隧道的断面优点再次进入了人民的视野。从隧道的使用功能来分析，城市交通人行地道、地下共同沟等隧道的断面形式以矩形最为合适，最为经济。在拥有相等有效空间的情况下，矩形断面能节约35%以上的地下空间，且可以大大减小隧道的埋深。

矩形隧道和圆形隧道有效空间对比图

矩形隧道特点

1）能充分利用结构断面，提高有效面积的使用率，节约地下空间资源；

2）合理的形状分布，减少了土地征用量和掘进面积；

3）提高隧道在狭窄道路或高层建筑间的穿行能力，减小对周边环境的影响范围；

4）单次掘进就可一次形成双线隧道，合理实施可节约工期。

通过矩形隧道工法与当前常规的单圆隧道、大直径隧道和双圆隧道工法的比较可见，矩形隧道的综合优势比较明显。

矩形、圆隧道综合分析比较表

国外技术发展

众所周知，世界最早的盾构法隧道是1825年开始建造的英国伦敦穿越泰晤士河底隧道，其断面为11.4m×6.8m的矩形，长度为396m。法国工程师布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）为挖掘隧道设计了一个大型构架，即最早的盾构机。盾构机分成36个小单元，每个单元内有一名矿工挖掘前方的粘土。当每位矿工挖去同一数量的粘土时，构架就向前移动，挖空的地方被铺上砖块。该条矩形盾构法隧道耗时18年建成。

用于泰晤士河底隧道的Sir Marc Isambard Brunel盾构

随后，在1865年首次采用圆形盾构建造隧道，由于圆形隧道具有结构受力好、设备制造简单和推进轴线容易控制等优点，故在此后的100余年内，几乎所有的盾构隧道断面全都采用圆形。

20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃，开发了局部气压盾构、泥水加压盾构和土压平衡盾构。尤其是日本，随着经济的发展以及地下空间开发和利用的需求，促进了盾构隧道技术的进一步发展。至80年代后，日本就掀起了开发异形断面盾构掘进机的高潮，先后实施了椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道、矩形隧道掘进机及施工技术的试验研究和工程应用。

日本异形断面盾构机照片

在众多断面的隧道施工工法中，以双圆盾构和矩形盾构隧道最具生命力。其中，日本双圆盾构开发于1981年，至2005年完成工程12项；但随着刀盘切削的矩形盾构隧道技术在1994年的开发成功，并通过16项工程的应用验证，其已初具取代双圆隧道技术的趋势。

1994年，石川岛播磨重工研制了DPLEX偏心多轴刀盘式土压平衡矩形盾构，开启了刀盘切削矩形盾构先河；随后大丰建设采用4.38m×3.98m的DPLEX矩形盾构，在千叶县习志野市菊田川2号干线掘进了2条并列的矩形排水隧道。2002年，京都地铁东西线醍醐至六地藏延伸工程采用了摆动式刀盘矩形盾构机，成功建成了断面外径9.9×6.5m、长753.2m的矩形隧道。至2011年，东京相模纵贯川尻隧道工程使用了8.24×11.96m敞开式矩形盾构机。

日本矩形盾构机发展历程

国内技术发展

中国的矩形隧道技术也紧随日本起步于1995年，以矩形顶管隧道为主。

可变网格式矩形顶管机的研制

1995年，上海隧道工程股份有限公司（简称“上海隧道股份”）研发了矩形顶管及施工技术，运用研制的2.5m×2.5m可变网格式矩形顶管掘进机试验了60m隧道。试验工程位于南汇县航头地区，顶进距离为60m，覆土深度为6.45m。顶管机所穿越的土层为灰色淤泥质黏土、灰色淤泥质粉质黏土和灰色砂质粉土。工程采用网格式矩形顶管机切割土体，并挡住开挖面土体有效防止正面土体坍塌，以人工出土方法进行开挖。顶管机包含四个可变网格，切口环处安装变角切口，还配备纠偏油缸和壳体纠转装置，可有效控制正面土体稳定、机头姿态，且有利于纠正转角。

2.5m×2.5m可变网格式矩形掘进机及工程试验

第一代矩形顶管机的研制和应用

1999年3月，上海隧道股份研制了一台 3.8m×3.8m组合刀盘式土压平衡矩形掘进机。该顶管机在大刀盘后侧一共安装了四把仿形刀，两把在刀盘正转时使用，另两把在刀盘反转时使用。另外，在机头壳体顶部安装有浆管，并开设压浆槽，使土体与壳体上平面之间形成一泥浆膜，以减少土体同壳体的摩擦力，防止背土现象的发生。

随后，该顶管机应用于我国首条矩形隧道——陆家嘴车站5号出入口地下通道工程，顺利穿越了延安东路隧道2条引道和陆家嘴路众多地下管线，建成了2条3.5×3.5m长62m的矩形人行地道。本工程的成功，是国内顶管施工史上的一个突破，极大地拓宽了顶管的使用功能，改变了以往仅作排水设施的局面；同时验证了矩形顶管法施工的可行性，为今后的矩形顶管法施工积累了宝贵的资料和经验。

工程实践证明，3.8m×3.8m组合刀盘式土压平衡矩形顶管机施工性能优良，速度快，机械化程度高，平均日推进5m，最高日推进8m。以后，该型号顶管机又陆续完成了上海地铁4号线浦东南路站过街人行地道、昆山市长江南路地下人行通道和上海上中路箱涵排管等多项工程。

3.8m×3.8m组合刀盘式矩形掘进机及工程应用

第二代矩形顶管机的研制和应用

2002年11月，在原有的矩形隧道掘进应用工程的基础上，上海隧道研制了一台6m×4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道掘进机，在宁波市开明街-药行街地下通道和地铁车站过街人行地道等多项工程中得到应用。

6m×4m偏心多轴刀盘式矩形掘进机可对矩形隧道断面进行全断面切削，并能保持开挖面的土压平衡；将大断面的切削断面分割为二，减少了偏心轴的运转半径，降低切削驱动扭矩；两个刀盘同步异向转动，避免了因刀盘单向旋转产生的外力致使掘进机发生偏移；切削刀盘转动半径小，切削刀头滑动距离小，减少了刀头的磨耗，有利于长距离掘进。

6m×4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形掘进机及应用工程

矩形顶管机的发展与双圆盾构的引入

2005年起，上海建工集团机施公司、中铁二局集团有限公司等施工企业也相继采用矩形顶管施工隧道。此后，随着人行断面矩形顶管法隧道技术的不断成熟，矩形顶管法隧道技术在上海、南京、武汉、郑州、宁波、湖州、舟山、佛山、淮安、包头等城市得到成功应用。由于矩形顶管技术的成功，也带动了国内隧道领域对矩形（异形）盾构法隧道技术的探索、研究和实践。

2002年，上海隧道股份首次引进了日本的双圆盾构机，在上海地铁8号线黄兴路站～开鲁路站区间成功建造了长2688m的6．3m×10．9m（外径×宽度）双圆隧道。此后又相继建成5个工程，总长度达11611m，同时总结出一整套DOT盾构施工技术。由于双圆盾构存在中部海鸥形凹槽，易产生背土导致地表隆起，因此该项技术对地表沉降的施工控制技术要求较高。

第三、四代矩形顶管机的研制和应用

2011年研制了6.9m×4.2m大刀盘加偏心刀盘组合的土压平衡矩形顶管机，应用于上海轨道交通10号线伊犁路站3号出入口工程；2012年研制了断面为6.9m×4.2m大刀盘加行星刀盘的土压平衡盾构机，并应用于郑州沈庄北路-商鼎路下穿隧道工程。

6.9m×4.2m矩形掘进机

2012年同时研制了10.4m×7.5m大刀盘加偏心刀盘组合式矩形顶管机，为目前世界最大断面之一，应用于郑州中州大道下穿隧道工程2标段。

10.4m×7.5m大刀盘加偏心刀盘组合式矩形掘进机机应用工程

郑州市下穿中州大道隧道工程是国内首次应用最大断面矩形顶管施工的地下车行隧道，该隧道为下穿中州大道的通道。工程建设规模为机动车双向四车道、两侧各设非机动车道、人行道，道路等级为城市主干路，计算车速为40km/h。车行道外径为10.4m×7.5m，人行道外径为6.9m×4.2m。

郑州市下穿中州大道隧道工程效果图

矩形盾构机的研发与应用

2014年，上海建工集团机施公司开始研究运用9.75m×4.95m矩形盾构机于上海虹桥地区地下通道的试验；由于采用了8个小刀盘和大分块复合夹层管片（外钢内砼），隧道建设面临切削和工程成本高等问题。

2015年1月，由宁波市轨道交通集团有限公司组织，隧道股份上海隧道牵头，联合上海市隧道工程轨道交通设计研究院和同济大学承建宁波市轨道交通3号线一期出入段线矩形盾构工程，由此开展类矩形盾构实质性研究和工程应用。利用短短9个月，研制完成11.83m×7.27m“双X同面+偏心多轴”组合式全断面切削类矩形盾构。2015年11月30日，该盾构在宁波轨道交通3号线顺利始发，标志着我国在类矩形盾构技术方面取得重大突破并处于世界领先行列。2016年11月11日，采用类矩形盾构施工的宁波轨交3号线出入段线隧道正式贯通；2016年12月28日，该科研-设计-施工一体化项目通过了以中科院孙钧院士、中国工程院钱七虎院士、杨华勇院士为首的等多名业内权威专家的项目验收和水平鉴定。