矩形隧道掘进技术的发展历程和现状

时间：2024-05-20

庄欠伟

1. 上海隧道工程有限公司，上海 200232

2. 上海盾构设计试验研究中心有限公司，上海，200137

0 引言

矩形隧道掘进技术通常是指掘进断面形状为圆角矩形或复合圆形的隧道掘进技术，是异形断面隧道掘进技术的一种。相较于传统的圆形断面隧道掘进技术，矩形断面隧道掘进技术具有空间利用率高、覆土浅和施工成本相对低廉等特点。其有效使用面积相较于传统圆形盾构增大了20%以上，且在拥有同等使用面积的情况下矩形盾构能节35%以上的地下空间，大大减少隧道埋深。根据主要施工设备的不同，矩形隧道掘进技术可分为矩形顶管和矩形盾构。其中矩形顶管技术主要适用于短距离、浅覆土、单坡直线段或者直线段施工，而矩形盾构的适用范围更广、适应性更强，对周围环境的影响也更小[1-3]。

现代意义上的矩形隧道掘进技术是20世纪90年代由日本率先研发和掌握的，目前主要应用于中国和日本的地下工程建设当中。本文将介绍国内外矩形隧道掘进技术的发展历程及现状，进而对矩形隧道掘进技术的发展趋势进行展望。

1 国外矩形隧道掘进技术的发展历程及现状

1818年英国人布鲁诺由蛀虫钻洞得到启发，发明了人类历史上第1台盾构机，而这台盾构机正是矩形断面盾构机，如图1所示。该盾构机采用人工开挖方式，出于最有利于布置挖掘工人的考虑，该盾构机采用了矩形断面设计。这台11 m×6 m的盾构机于1843年完成了泰晤士河隧道的施工。然而，由于当时结构设计和施工技术的局限，该隧道衬砌为砖砌双联拱结构，与盾构外形并不匹配。

矩形隧道与圆形隧道的比较

随着技术的发展，机械开挖取代了人工开挖，而圆形盾构由于其衬砌结构受力合理、经济性好、便于机械开挖和衬砌拼装，迅速取代了矩形盾构成为主流，矩形盾构则逐渐被人们遗忘。直到20世纪90年代，随着日本城市建设由功能优先的现代化建设转向人居优先的后现代化建设的展开，需要在本已拥挤的地下空间中建设地铁、地下道路和共同沟等，因此经常面临狭小道路无法布置传统的双线单圆隧道的状况。为了解决这一难题，异性断面刀盘技术的逐渐成熟，空间利用率更高、结构形式更简洁的矩形盾构登上了历史舞台。从1994年石川岛播磨重工研制的DPLEX偏心多轴刀盘式土压平衡类矩形盾构开始，类矩形隧道尺寸越做越大，施工距离越来越长，至2005年在日本已基本取代了多圆或双圆盾构。

图1 布鲁诺盾构机

迄今为止，据不完全统计，日本已有15项采用类矩形法施工的隧道工程，断面尺寸从2.10 m×2.10 m到8.24 m×11.96 m，且盾构机形式多种多样，具体见表1。其中，京都市地下铁东西线六地蔵北工区工程是第1例矩形盾构施工轨道交通单洞双线的工程，是首次实现了矩形盾构施工无立柱的渡线段；神奈川6号川崎线盾构为MMST工法所用的超前支护盾构，其主隧道断面为矩形，但超前支护盾构的本质为小型并列多圆盾构，虽然算作矩形盾构，但技术特征与使用方法差异很大。

2 国内矩形隧道掘进技术的发展历程及现状

国内在矩形隧道掘进技术方面起步较晚，但发展速度很快，尤其是近几年来随着中国经济的发展，地下建设工程兴盛，发展势头迅猛[4-5]。到目前为止，中国矩形隧道掘进技术的研发和应用主要集中在矩形顶管机领域，在矩形盾构领域中也同样取得了突破性进展。

表1 日本矩形/复合圆形盾构法隧道工程

续表1

2.1 国内矩形顶管机技术

在矩形顶管机领域，上海隧道股份有限公司于1996年率先研制了第一台2.5 m×2.5 m可变网格矩形顶管机，并顶进矩形隧道60 m；其后又研发了一系列3.8 m×3.8 m至11.83 m×7.27 m各种外型尺寸及类型的矩形隧道掘进机，如表2所示。其中3.8 m×3.8 m组合刀盘土压平衡式矩形顶管技术在1999年首次运用于上海地铁2号线陆家嘴站五号出入口，并完成了10多例工程实例；4 m×6 m偏心多轴刀盘式矩形掘进机于2003年在宁波首次使用，建造了开明街—药行街地下人行通道，此后该断面的顶管建成了众多人行通道；4.2 m×6.9 m多刀盘矩形顶管掘进机已完成近30条隧道工程，总里程超过1 500 m；4.2 m×6.9 m大刀盘加偏心多轴组合式矩形顶管机，截至目前为止已完成7条通道施工，共119 m；4.2 m×6.9 m大刀盘加行星轮组合式顶管机，同时驱动1个大刀盘和4个行星轮刀盘同步运转，对矩形全断面进行切削，目前已施工完成的2条通道共112 m；7.5 m×10.4 m大刀盘加偏心多轴式矩形顶管掘进机，驱动1个大刀盘和4个偏心多轴刀盘同步运转进行全断面切削，目前已完成2条通道，共222 m。此外，上海隧道股份公于2004年在新疆乌鲁木齐采用了20 m×6.2 m×7.8 m三联体组装形式的矩形盾构机、履带式行走模板拼装机和现浇衬砌箱体钢模施工了超大断面矩形隧道[6-9]。

近年来，如中铁隧道、铁建重工、上海建工、铁建重工、中交天和、北方重工扬州广兴等企业也纷纷进入矩形顶管领域，研发出一批各种类型和断面尺寸乃至超大断面的矩形顶管机，如表3所示。

表2 上海隧道股份有限公司研发的部分矩形隧道顶管机

2.2 国内矩形盾构技术

在矩形盾构机领域，上海隧道股份有限公司于2015年研制出了11.83 m×7.27 m双X同面加偏心多轴组合式全断面切削类矩形盾构，如图2所示，目前已成功应用于宁波轨道交通3号线一期工程[10]。该矩形盾构的研发，在盾构刀盘、盾构机壳体结构、隧道管片结构、隧道管片拼装的设计等关键技术领域为国内的矩形盾构技术做了技术积累。其采用的2个同一平面相交X圆形大刀盘加中心偏心多轴式刀盘的组合式布置技术，解决了以往矩形盾构切削断面存在盲区的问题，并在经济性和安全性方面都有明显优势，还可适用于多种异性断面盾构的全断面切削；其多自由度的管片拼装系统，通过复合运动可实现多约束条件下拼装机最优轨迹规划和高精度、无碰撞轨迹跟踪，实现管片抓取至目标位置的自动化，并能实现中立柱的拼装。此外，上海建工于2015年研发了一款10.10 m×5.30 m的超大断面可伸缩刀盘土压平衡式矩形盾构机，如图2所示，并成功应用于虹桥临空地块地下连接通道。

表3 部分国产矩形断面顶管机

图2 上海隧道股份有限公司研制的矩形盾构