0 引言
随着社会经济的发展和城市化进程的加快，我国大城市土地资源变得紧缺，地上空间容量供需矛盾日益突出，使得对地下通道、综合管廊、地下停车场和地下商场等地下空间开发的需求日趋加大。国家大力发展交通和市政公用设施地下化和集约化，并将一部分公共建筑布置在地下空间，这对有效扩大空间供给、提高城市效率、减少地面占用、保护地面景观和环境具有重要意义［1 － 2］。
以往地下构筑物的建造大多采用明挖施工的方式。这种方式存在诸多弊病: 施工不仅会中断交通、影响环境，还有可能对临近建筑物造成破坏; 对于埋深较大的地下空间开发项目，不仅施工成本会急剧增加，而且施工作业的风险也会增大。而如果采用矩形顶管施工就不存在上述问题，除了以局部开挖方式构筑工作井和接收井以外，可在不封闭交通、不搬迁管线、小噪声和少尘土等条件下施工，相比圆形盾构其空间利用率可提高20% ，从而大大降低施工成本［3］，为城市地下空间开发带来了新机遇。本文简述了矩形顶管的发展现状，介绍了矩形顶管在我国已完工和即将推进的地下空间开发工程中的应用案例，并据此展望了矩形顶管在我国城市地下空间开发中的前景。
1 国内外矩形顶管的结构形式及应用分析
1． 1 矩形顶管一般结构形式
20 世纪70 年代以来，随着盾构掘进机施工技术的飞速发展，矩形顶管技术得以研制成功并首次应用于日本东京的地下联络通道中。在国内，上海隧道股份所研制的3． 8 m × 3． 8 m 矩形顶管机于1999 年4 月应用于上海地铁三号线五号出入口矩形通道［4］，开创了国内矩形隧道研究和设备推广应用的先河。而后又有中铁工程装备集团、扬州广鑫重型设备有限公司等几家企业进行矩形顶管机的研发设计。
经过多年的科研开发，国内宽度大于6 m、高度大于3 m 的大断面矩形顶管施工已普及，矩形顶管机已发展成集光、机、电、液、传感和信息技术于一体，涵盖切削土体、输送渣土、测量导向和纠偏等多功能的专用工程机械。目前，国内矩形顶管主要适用于软土—软岩地层( UCS: 0 ～ 10 MPa) ，其结构形式也多为土压平衡式
。土压平衡矩形顶管一般包括了刀盘装置、驱动系统、盾体结构、螺旋输送机、后配套系统和顶推装置( 如图1 所示) ，通过刀盘的结构和布置形式设置及矩形盾体结构设置来实现矩形断面开挖。其盾体结构包括前盾、纠偏油缸、尾盾、可调节式铰接密封和出洞油缸; 驱动系统通过前盾来支撑并驱动刀盘; 螺旋输送机固定于前盾上并深入土压舱，向外排渣的同时保障土舱压力来平衡掌子面; 前盾和尾盾之间通过铰接油缸连接，实现盾体的纠偏和转向; 尾盾后端一般还布置有出洞油缸，用于盾体接收井出洞; 后配套系统一般包括渣土改良系统、通风系统、高压水系统和出渣皮带机等; 顶推装置包括顶铁、主顶油缸支架和后靠墙等。
图1 矩形顶管示意图
其工作一般是利用电机或液压马达驱动刀盘系统旋转挖掘土体，切削后的土体在刀盘搅拌棒的作用下与膨润土、泡沫等土体改良剂充分混合，并在螺旋输送机螺旋叶片的旋转作用下排出土压舱。刀盘开挖的同时，顶推系统在始发井处推动管节与主机一起向前移动，从而实现掘进、排渣、管节支护一次机械化施工成型。
国内各大断面矩形顶管厂家的结构形式大多类似，区别较大处在于刀盘结构形式。总体来说，国内大断面矩形顶管均为多刀盘结构，通常包括平行中心轴式、偏心多轴式和中心轴偏心轴组合式3 种。
1) 平行中心轴式刀盘矩形顶管机。在适应施工地质条件下，以最大切削率和最大搅拌率为原则来考虑顶管机的断面尺寸。平行中心轴式刀盘矩形顶管机的刀盘分为多刀盘前后错开布置和多刀盘在同一切削平面内布置2 种形式。前后排布式刀盘如图2 所示，其中图2( a) 为三前三后“品”字形布置等径刀盘结构［5］，图2( b) 为前一大后四小刀盘结构，这2 种刀盘装置均只布置鱼尾刀和刮刀，适用于软土地层; 同平面组合式刀盘如图3 所示，该刀盘装置除鱼尾刀和刮刀外还布置有滚刀，适用于砂卵石地层。
图2 前后排布式刀盘
图3 同平面组合式刀盘
2) 偏心多轴式刀盘矩形顶管机。偏心多轴式刀盘体为矩形框架结构，刀盘的掘进端面及四周均布置有十字刀头［6］，在多个偏心曲柄轴驱动下，各刀具绕着各自支撑圆心点、以与曲轴回转支撑点之间的距离为半径作平面圆周运动，实现刀盘平动切削土体。此种顶管机的优点是刀盘能够在各种断面形状隧道中进行全断面切削; 缺点是搅拌不充分，较适用于软土地层。偏心多轴式刀盘结构如图4 所示。此种矩形顶管受滚刀破岩机制限制，刀盘上不宜布置常规滚刀，因而不适用于岩石地层。但国外有公司专门针对偏心多轴式刀盘用于岩石地层做了一些有益的尝试，并取得了可喜的进展。
图4 偏心多轴式刀盘
3) 中心轴偏心轴组合式刀盘矩形顶管。中心轴偏心轴组合式刀盘装置一般为中心轴式圆刀盘中心布置、偏心轴式仿形摆动刀盘周边布置［7］( 如图5 所示) ，圆刀盘配置刮刀、偏心轴刀盘配置十字刀头，两刀盘一般为前后布置，协同工作实现矩形断面开挖，此种矩形顶管受限于偏心摆动刀盘，仅能应用于软土地层。
图5 中心轴偏心轴组合式刀盘
4) 其他在研顶管结构形式。除上述成型矩形顶管外，国内企业也积极创新，在吸收消化国外先进技术的基础上，对新型结构形式矩形顶管进行了探索。如:中铁工程装备集团在行星齿轮式切削矩形顶管方面展开研究，该设备可在偏心驱动轴的作用下利用勒洛三角形刀盘直接开挖出正方形断面，并可通过刀盘自由组合得到不同断面的隧道，如图6( a) 为4 刀盘组合正方形断面，图6( b) 为2 刀盘组合长方形断面。
图6 行星齿轮式勒洛三角形刀盘顶管机
此外，在组合式顶管方面，2016 年2 月日本鹿岛建设研制出Ｒ-SWING 工法三联式掘进机( 宽7． 25 m、高4． 275 m) ，该设备采用油缸驱动摆动刀盘形式实现开挖［8］( 见图7( a) ) ; 2010 年3 月清水建设株式会社与Kayaba System Machinery 株式会社共同开发出滚筒式矩形盾构，通过液压马达驱动滚筒旋转形式实现开挖［9］( 见图7( b) ) 。上述矩形顶管均可通过其各自基本结构自由组合来工作，其断面适应性得到大大提高，这种工作模式也使国内企业受到一定的启发，如近期中铁工程装备集团开展了多联矩形顶管在地下停车场中的应用研究。
1． 2 各类型矩形顶管优缺点对比及应用分析
平行中心轴式刀盘矩形顶管机利用圆形刀盘的切削区域前后交叉互补，来尽可能地减少矩形区域的开挖盲区。这种驱动方式简单可靠，相对于偏心多轴式刀盘，在其开挖过程中，刀盘的切削反力可以相互抵消，因此对周围土体的扰动小，地面沉降比较容易控制; 另外其搅拌棒的运行半径要远大于偏心多轴式刀盘，如果布置合理，几乎可以覆盖整个断面，土体改良效果好，且易在土舱形成具有良好塑性、流动性和不透水性的弹性土体，以平衡土压力和地下水压力，更有利于地面沉降的控制。但由于其每个刀盘的开挖范围都是圆形，因此无论采用何种组合方式，都无法实现矩形截面的全断面开挖，存在切削盲区是其最大的缺点，但可通过适当配置盾体边刮刀、万向球铰接头高压水喷口、锥环等措施来改善。
图7 日本组合式顶管
对于偏心多轴式刀盘矩形顶管机，其优点在于:1) 可根据开挖的截面设计出类似的仿形摆动刀盘，附以一定的曲柄长度，即可做到全断面开挖，不存在切削盲区，可以大大减小顶管机掘进时所需的顶力; 2) 由于转动半径小，驱动所需的扭矩也小，大约是圆形刀盘的1 /2; 3) 采用了十字刀头，每把刀的切削路径都很相似，刀具的切削量和磨损量比较均匀。其缺点也很明显: 由于各个点都围绕各自的圆心做旋转运动，其上面布置的刀具受到的反力无法相互抵消，切削反力传递给盾体，容易造成对周边土体的扰动，控制不好极易造成开挖的沉降量超标; 另外，其后部搅拌棒的运行轨迹也是以曲柄长度为半径的圆，其搅拌范围相对于整个开挖面来说极其有限，布置数量少起不到改良土体的作用，布置数量多则将大大增加刀盘的扭矩且形成反作用力，对盾体的平衡不利。
各类型刀盘矩形顶管均依托其各自特点适用于不同工况，具体对比如表1 所示。
2 矩形顶管在城市地下空间开发中的应用
在国产矩形顶管快速发展的背景下，其性能和施工效果也在不断改善，在国内地下空间开发中亦取得了不错的成绩。以下结合国内已完工和即将推进的标志性地下空间开发工程案例，对矩形顶管在过街通道、综合管廊、地下停车场、地下商业街等地下空间开发方面进行应用探索。
表1 不同类型刀盘矩形顶管适用范围对比
2． 1 城市过街通道领域
自1999 年上海隧道股份研制成功国内第一台小断面矩形顶管机后，经过多年发展，2013 年中铁工程装备集团研制出超大断面矩形顶管( 10 m × 7 m 级) ，并成功应用于郑州市红专路下穿中州大道项目，为世界上首次将矩形顶管法应用到交通隧道建设领域，施工效果如图8 所示。
图8 郑州市下穿中州大道项目矩形顶管施工效果
该项目地层主要为粉土与粉质黏土，区间长度为105 m，采用大小2 台矩形顶管施工，均为平行中心轴式刀盘结构，如图2( a) 所示。该项目中间为两机动车道，两侧为非机动车道，工程断面图如图9 所示，具有超浅埋( 覆土最浅处仅厚3． 0 m) 、大跨度( 跨度为10． 12 m) 、小净间距( 相邻通道间距1 m) 的特点［10］。该设备在中州大道项目中取得了良好的施工效果，地层最大沉降量仅为28． 2 mm。机动通道施工用时30d、非机动通道施工用时25 d，有效提高了非开挖过街通道的施工效率。
在过街通道领域除下穿中州大道交通隧道外，近来国内矩形顶管又陆续在地铁出入口( 如上海轨道交通二、六号线和武汉地铁二号线) 等过街人行通道进行过诸多尝试，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项目同样采用了矩形顶管施工( 见图10) 。该项目位于华西第四医院、四川大学附近的城市繁华地段，地上人流、车流众多; 此外该项目所处位置地下管网复杂，在项目通道上方布置有众多燃气、电力、雨水和污水管路，距离管路最近处仅为0． 5 m，下方距离成都地铁1 号线路仅3． 1 m，工程断面如图10 所示。该人行通道开挖尺寸为6． 02 m ×4． 52 m，全程穿越卵石地层，施工难度较大，沉降控制要求较高。对此，项目采用如图3 所示的同平面带滚刀多刀盘矩形顶管，并配置有大直径带式螺旋输送机，以适应卵石地层掘进。截至目前，设备掘进距离过半并运行良好，为后续卵石地层矩形顶管施工积累了经验。
图9 郑州市下穿中州大道工程断面图( 单位: m)
图10 成都市下穿人民南路工程断面图( 单位: m)
2． 2 地下商业空间领域
伴随着城市地面商业的大规模发展，兼具人防、过街通道功能的商业隧道也逐渐被城市管理者所关注。2012 年，佛山市南海区越秀星汇云锦开发项目成功完成了下穿南海大道的地下商业空间施工，该项目采用如图4 所示偏心多轴式刀盘矩形顶管，先平行顶进4条矩形断面隧洞( 单洞尺寸为6． 9 m × 4． 9 m) ，然后在隧洞间开洞实现互通［11］，从而在非开挖的情况下实现了地下商业和过街通道互通的目的，为地下商业空间的开发利用提供了一种新的形式。
该项目4 条顶管通道从北向南功能定位依次为商铺、人行通道、商铺和车行道，如图11 和图12 所示。人行通道和商铺之间通过6 个3 m × 3 m 和1 个5 m × 3 m 的门洞相连通。最北侧通道预留一个5 m ×3 m 的连接口，提供未来与佛山三号线桂城地铁站之间连接的可能。为方便行人，减小开洞的施工风险，并且预留足够的施工安全距离，同时满足始发接收端头预埋钢环板的空间要求，相邻顶管之间的设计间距确定为0． 5 m。
2． 3 地下停车场领域
传统地下停车场施工一般采用明挖法，即敞开式开挖方法，不仅破坏环境，阻断交通，并且扬尘、噪声、渣土污染等严重影响周边办公及生活秩序。而常规暗挖法施工，通过施工竖井进入地下开挖，基本不破环地面环境且低噪声，但传统暗挖法一般以人工或小型机械设备作业为主，施工速度慢，在复杂环境下施工若采取措施不合理容易发生安全事故。
2016 年9 月中旬，中铁工程装备集团启动了矩形顶管机械化施工地下停车场试验项目，该施工设备采用自行研发的能从中间拆分成左右两部分的分体组合式矩形顶管机( 5． 74 m × 5． 02 m) ，停车场采用3 跨为一组，两侧停车、中间为通道的结构形式，如图13 所示。
图11 佛山南海区地下商业空间断面图( 单位: mm)
图12 佛山南海区地下商业空间平面图( 单位: mm)
图13 停车场横断面示意图
3 矩形顶管在城市地下空间开发中的前景探索
3． 1 矩形顶管在综合管廊领域的应用前景
为节约城市地上空间，避免重复建设，同时为其他地下工程建设提供预留空间，已有不少城市统筹市政管线的综合开发，规划综合管廊。综合管廊可以容电力电缆、通信电缆、给水管道和燃气管道于一体( 如图14 所示) ，并设置有专门的检修口、吊装口和监测系统，安装维修不必将路面破坏，也不影响车辆交通和居民生活［12］。对于新建城区可采用明挖法施工，但对于已建成的老城区综合管廊项目，开挖施工是不可取的，采用矩形顶管的非开挖施工极具优势，目前已受到不少城建部门的青睐。
图14 综合管廊示意图
截至目前，在国内尚未有矩形顶管在综合管廊中的应用案例，但在市政管线隧道方面， 2015 年山东某工程采用2． 2 m ×2． 5 m 小断面矩形盾构( 如图15 所示) 进行承载式方涵隧道施工，取得了良好效果，为矩形顶管在综合管廊项目中的应用积累了宝贵经验。
图15 2． 2 m × 2． 5 m 矩形盾构
3． 2 矩形顶管在地下物流通道领域的应用前景
一些大城市公路承载过重，人货运输混杂，但由于环境保护等问题的制约，致使高速公路无法进行无限扩建。而迅速发展的电子商务给物流业带来新的挑战: 顾客通过网络预定的货物体积变小，数量增多，运送的频率加快，且运送距离也加大。对此全球物流巨头德国敦豪公司( DHL) 提出了“城市鼹鼠”的设想( 如图16 所示) ［13］，在地下管道网中穿行的机器人，可以把货物自动密封在包裹里，然后把货物顺着轨道运送出去。这种地下管道物流系统不仅不会受到外部天气及其他交通的影响，货物也不易丢失、损坏。“智能配送，精准分流”: 实现自动化，完全可控，成本更低，能耗更低，促进城市生活智慧化。
图16 地下物流系统示意图
3． 3 矩形顶管在海绵城市领域的应用前景
2014 年11 月2 日，住建部发布《海绵城市建设技术指南》，探索构建城市雨水开发体系，促进建立科学完善的城市水循环系统，根治城市内涝顽疾。目前国内已成立多个海绵城市试点城市，而地下储水空间的建设同样会对矩形顶管设备提出需求。
矩形顶管在地下空间开发中的大力应用，有利于提高施工速度，加快城市地下空间建设速度，有效促进城市地下空间统一规划、复合开发。将一个城市地下空间由功能单一、独立开发利用转向多功能、各领域综合开发，充分发挥各自优势，是城市地下空间大规模、有序化开发利用的前提条件，对建设“资源节约型”和“环境友好型”社会具有重大意义。
4 结语
在地下空间全面开发的时代，矩形顶管具有广阔的应用前景，针对其适应性、专业性方面的进一步开发，会使矩形顶管具有更广阔的市场空间。结合现有矩形顶管结构形式及工程案例需求，对矩形顶管在国内地下空间开发应用中的发展方向提出几点建议:
1) 目前国内矩形顶管只针对软土或部分砂卵石地层，而对素有“地质博物馆”之称的中国而言，要想使得矩形顶管设备在全国范围内遍地开花，开展硬岩或复合地层矩形顶管的研发迫在眉睫。
2) 随着国内地下空间领域开发的全面开展，隧道形式、大小也越来越多样化，这无疑对矩形顶管的适应性提出了挑战，相信在矩形顶管基础之上发展起来的分体组合式顶管以及马蹄形、椭圆形等异形顶管也将是未来研究发展方向之一。
3) 矩形顶管受管节与土体阻力影响，目前一般掘进距离均不长，超过150 m 的隧道虽可采用增加工作井分段掘进或增加中继间等方式来增加顶进距离，但矩形顶管如何进一步实现更长距离顶进是一项亟需克服的工程难题，或许盾构法施工可为其实施提供部分启示。
4) 土压平衡顶管多用于浅覆土、低水压的场合，而在地下物流通道、海绵城市工程建设中不可避免会遇到大埋深富水工况，泥水平衡模式掘进机不仅能够适应上述工况，并且也避免了土压平衡顶管螺旋机出渣间断性工作的缺点，可大大提高施工效率。所以，泥水平衡顶管的研发也应是业界同仁需关注的方面。
摘自：隧道建设