矩形掘进机在综合管廊建设中的应用

郑康泰

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。2015 年8 月，国务院办公厅下发了《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》，针对我国正处在城镇化快速发展时期，地下基础设施建设滞后的局面，明确提出推进城市地下综合管廊建设，统筹各类市政管线规划、建设和管理，解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题。

国外综合管廊的建设开始较早（图1），法国于1833 年建设了世界首条综合管廊[1]，日本始于1926 年，截至目前日本已兴建超过600km 的综合管廊[2]。中国的地下综合管廊建设起步较晚，目前正处于快速发展期。

图1 国内外的综合管廊

从使用功能来分析，地下综合管廊等隧道的断面形式以矩形最为理想，经济。在采用盾构法施工的综合管廊中，拥有相同有效空间的情况下，矩形断面能节省约20%以上的地下空间，且可以大幅度减少隧道埋深（图2）。

图2 矩形开挖断面

近年来，矩形掘进机技术得到了蓬勃发展。2014 年12 月，郑州红专路下穿中州大道矩形隧道工程顺利开通，2016 年11 月，新加坡汤申线T221隧道贯通。矩形掘进机的成功应用，说明其具有较强的适应性、经济性和安全性，应用效果得到了市场认可，所以可以预见今后矩形掘进机在综合管廊建设中将会发挥重要作用，以其环保、安全、高效、不阻断交通、环境影响小等优势，注定成为地下综合管廊建设的主流设备（图3）。

图3 综合管廊矩形掘进机

1 矩形掘进机简述

为了应对工程条件制约（包括宽度、埋深等）、降低开挖土方量、提高隧道断面利用率，矩形掘进机应运而生。

对于矩形掘进机的研制及其应用，日本走在了世界前列，我国紧随其后，大力追赶，也形成了自己的特色。以下介绍几种矩形掘进机及其特征。

1.1 日本矩形掘进机

日本曾于1965 年首次采用敞口式矩形掘进机建设地下综合管廊（中部电力荣町共同沟工程）[3]，之后由于敞口式掘进机存在各种各样的问题，就没有继续采用。后来，随着密闭式掘进机技术的发展，日本在地下综合管廊工程中再次重视密闭式矩形掘进机的开发。

1.1.1 摆动式刀盘盾构

摆动式刀盘盾构[4]通过使刀盘在一定的角度内进行摆动开挖，再配合超挖刀开挖隅角部，实现矩形全断面开挖。适用于砂质等软土地层（图4～图5）。

图4 宽10.24m×高6.87m的摆动式刀盘盾构

图5 摆动开挖状态

由于摆动式刀盘无需使刀盘旋转一周，所以通过油缸的伸缩驱动刀盘成为可能，相对于“马达+齿轮”的常规驱动方式，摆动式刀盘具有结构简单，成本低廉的优点。

1.1.2 滚筒式矩形盾构

图6 所示的滚筒式矩形盾构[5]的截割头是在滚筒状的横轴上布置刀具，通过轴的旋转切削土体，并在纵向上安装了多个滚筒状截割头，如图7 所示。

图6 滚筒式矩形盾构

图7 结构示意图

滚筒式矩形盾构具有可伸缩式截割头和独立搅拌装置。上部截割头可实现掘进方向1 环管片宽度的伸缩，通过使其反复超前移动，形成浅覆土支护，有效控制地表沉降。开挖舱内布置有独立的滚筒式螺旋搅拌装置，确保了较高的搅拌性能。

1.1.3 R-SWING工法掘进机

如图8、图9 所示，日本于2011 年开发了R-SWING（Roof&SWINGcutting）工法[6]，通过油缸驱动摆动刀盘式矩形掘进机开挖隧道，能够实现地表始发及地表到达（贯通）。既能够适用于顶管施工，也适用于盾构施工。掘进机上部装配有伸缩式顶部，最大可伸出1.5m，通过顶部结构伸出进行先行掘进，能够确保地层沉降。据此可把对周边环境的影响降至最低。

图8 R-SWING工法三联式掘进机

图9 R-SWING工法适用于顶管法和盾构法

掘进机的基本结构由主机部和伸缩顶部组成，通过组合多个基本结构适应不断尺寸的矩形断面（图10）。

图10 R-SWING工法基本结构的组合案例

1.1.4 阿波罗工法盾构

阿波罗（all potential rotary cutter）工法[7]通过结合滚筒、摆动架的自转和刀盘的公转，能够适应以矩形为代表的任意断面的挖掘。与常规圆形刀盘的单轴旋转结构不同，阿波罗工法盾构的刀盘部分很小、且能够高速旋转，在硬质地层中也能发挥良好的切削性，并且能够切削木桩等地下障碍物（图11）。阿波罗工法盾构通过控制3 个轴的旋转实现全断面切削（图12），同时摆动架能够改变刀盘的转动半径，能够实现矩形、马蹄形、圆形断面的开挖（图13）。

图11 阿波罗工法盾构

图12 三轴控制的开挖概念

图13 可开挖圆形及非圆形断面

1.2 中国矩形掘进机

近年来，国内矩形掘进机发展迅速，中国曾在1995 年在上海南汇航头进行简易的网格式矩形顶管原型机试验，先后经历大刀盘+超挖刀、多刀盘、偏心多轴、组合刀盘（用于矩形和类矩形断面）/行星刀盘（仅用于矩形断面）四代机型的发展，断面尺寸从最小2.5m×2.5m 到最大的10.42m×7.57m。按开挖形式，矩形掘进机大致可以分为两类，一类为采用偏心仿行刀盘通过摆动切削实现矩形断面开挖，另一类为采用平衡轴刀盘，通过刀盘前后布置并辅以盲区处理装置完成矩形断面切削。

1.2.1 中心轴偏心轴组合式多刀盘矩形顶管机

郑州纬四路-商务西三街及沈庄北路－商鼎路下穿中州大道工程的车行道采用复合刀盘矩形顶管机施工，该顶管机采用1 个主心大刀盘和4个偏心摆动刀盘的组合方式，多种刀盘配置，有效实现了矩形全断面的开挖(图14)。

图14 偏心摆动刀盘式矩形顶管机[8]

1.2.2 平行中心轴式多刀盘矩形顶管机

如图15 所示，平行中心轴式多刀盘矩形顶管机[9～10]采用平行轴式多刀盘前后布置设计，配合盾体切刀，盲区万向球头高压水冲洗接口，实现矩形全断面开挖。自成功用于红专路下穿中州大道隧道工程后，得到了大力推广，在天津地铁11号线黑牛城内江路站出入口过街通道、武汉地铁7 号线武昌站Ⅳ号口，新加坡汤申线T221 标段等工程中得到成功运用。

图15 平行中心轴式矩形顶管机

2 设计理念分析

通过比较以上几种矩形掘进机，可以看出，日本矩形掘进机的设计理念侧重于通用性，利于再制造。例如，R-SWING 工法掘进机能够通过增加基本单元，进行扩大或缩小掘进机的尺寸；滚筒式矩形掘进机采用通用性的马达和减速机，有效降低了成本；阿波罗工法盾构的开挖机构可以再利用到其他断面隧道中。

中国矩形掘进机侧重于大断面隧道的实际应用，以及进一步的升级改进，例如在顶管机的基础上，不断创新隧道衬砌设计理论，进一步改造成矩形盾构。

3 案例分析

3.1 矩形盾构用于综合管廊

郑州滨河国际新城第十九大街项目（图16）起点位于经南十二路，终点位于经南十五路，路线为南北走向，南高北低，道路坡度为1.4‰—4.5‰，管廊布设在道路东侧绿化带内。管廊全长1065m，地层以粉质粘土为主。

图16 郑州滨河国际新城综合管廊位置图

该综合管廊施工距离较长，施工拟采用矩形盾构法施工（目前设备正处于设计制造阶段），综合管廊为三舱结构，同时具有燃气舱、热力舱、水电综合舱功能（图17）。为满足后配套空间布置及出渣需求，综合管廊中隔墙采取后做方式，舱体采用管片拼装机将预制管片拼装成型（图18）。

图17 成型管廊示意图

图18 管廊舱体分片形式

矩形盾构施工综合管廊优点在于施工效率高、非开挖施工、可以实现长距离管廊开挖，但其缺点也是存在的，通风消防竖井、中隔墙均需后做，同时也要求舱体具有较大壁厚来保证无中隔墙大跨距情况下的受力需求（图19）。

图19 综合管廊矩形盾构

3.2 矩形顶管机用于综合管廊

海口椰海大道东延段综合管廊顶管施工段（图20），包括下穿高铁桥、下穿高速桥、下穿河流段等共计6 段，累计607m，单段不超过150m，地层以粉质粘土为主。

图20 椰海大道综合管廊位置图

该综合管廊标段为多段短距离，施工拟采用矩形顶管法施工，该综合管廊包括高压电舱和水电综合舱2 个舱体（图21）。综合管廊中隔墙与舱体同步制作，均为预制管节形式。管节于始发井放入，预制管节在顶推油缸作用下一次顶推成（图22）。

图21 管廊示意图

图22 综合管廊矩形顶管机

矩形顶管机在综合管廊中的应用，不同于盾构法施工，其掘进顶推力除要克服设备掘进的迎面阻力、设备外壳体与开挖土体间的摩擦阻力外，还需克服管节与开挖土体间的摩擦阻力，其大小随掘进距离的增加而逐渐变大。故顶管机（8.02×4.62m）顶推力大小可依据本项目最长掘进段141m 来计算。

圆形顶管的顶推力可依据CECS246-2008《给水排水工程顶管技术规程》来计算

其中：F0为总顶力（kN）；D1为管道的外径（m）；L为管道设计顶进长度（m）；fk为管道外壁与土的平均摩擦阻力（kN/m2）；NF为顶管机的迎面阻力（kN）。

此处矩形断面顶管机顶推力公式在上述公式基础上可优化为

式中：L周长为矩形顶管壳体周长（m），取24.34m；fk根据该项目地质情况查阅标准CECS246-2008《给水排水顾客工程顶管技术规程》，取fk=10kN/m2。

因为采用土压平衡式顶管机，故迎面阻力可采用下式计算

式中：γ为土的重度（kN/m3），取20kN/m3；H为覆土厚度（m），取H=6m（项目最深覆土）；S为掌子面面积（m），取S=36.83m3。

综上得出顶推力

而该8.02×4.62m 规格矩形顶管机实际配置顶推力为72 000kN（24×300t），安全系数为1.86，满足要求。

矩形顶管机施工综合管廊优点在于施工效率高、非开挖施工、可以实现管廊舱体和中隔墙同步施工，其缺点是仅适用于顶管长度不超过200m的施工段，长距离管廊施工需多处工作井，但其工作井也可作为后期管廊通风、消防井使用。

4 矩形掘进机未来发展方向

矩形隧道作为众多断面形状的一种，正在世界范围内推广，特别是对城市区域规划建设的综合管廊工程来说是非常理想的断面形状。此外市区征地困难、施工场地相对狭小，选用矩形断面隧道具有特殊的优点及意义。

矩形掘进机是开挖矩形隧道的主要设备，根据工况特点及市场需求，矩形掘进机技术也在不断发展创新。根据矩形掘进机技术有其自身的特点，指出了矩形掘进机未来发展的方向。

1）设计研究合理的适应各复合地层的矩形全断面切削刀盘及其形式，并对管片拼装机的多种形式进行深入研究。

2）在研究矩形隧道受力及变形规律的基础上，进一步创新盾构姿态控制、壁后同步注浆、隧道衬砌管片等关键技术。

5 结语

2017 年初，各地相继发布了2017 年地下综合管廊建设规划。海南省三亚市2017 年地下综合管廊建设计划已初步形成，在建地下管廊22.4km。广东省广州市新开工地下综合管廊项目8 个，总长度96.8km。湖南省2017 年计划开工建设地下综合管廊157.31km。新疆乌鲁木齐市2017 年新建东进场高架道路、城北主干道（中亚大道-苏州路）等10 条地下综合管廊，总长度约57km。2017 年4 月，京津冀协同发展的“雄安新区”规划获批，使得综合管廊的建设提升到了一个新的高度。

“工欲善其事，必先利其器”，矩形掘进机是暗挖法建设地下综合管廊的关键设备。受益于国家政策的大力支持，中国地下综合管廊建设已经拉开序幕，为矩形掘进机的应用提供了强劲的市场需求，必将进一步助推矩形掘进机技术的升级进化。