矩形頂管在城市地下空間開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用及前景

賈連輝

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

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矩形頂管在城市地下空間開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用及前景

賈連輝

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

論述了矩形頂管機(jī)的一般結(jié)構(gòu)形式，重點(diǎn)對(duì)平行中心軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)、偏心多軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)、行星齒輪式切削矩形頂管機(jī)、多聯(lián)分體組合式矩形頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地層適應(yīng)性進(jìn)行了論述。詳細(xì)介紹了矩形頂管在城市過(guò)街通道、地下商業(yè)空間、地下停車(chē)場(chǎng)等領(lǐng)域地下空間開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用成果；同時(shí)對(duì)矩形頂管在地下綜合管廊、地下物流通道、海綿城市建設(shè)等其他地下空間中的應(yīng)用前景進(jìn)行了探索；最后，對(duì)矩形頂管設(shè)備進(jìn)行了展望并對(duì)其發(fā)展方向提出了一些建議。

矩形頂管機(jī)；地下空間開(kāi)發(fā)；過(guò)街通道；地下綜合管廊

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)大城市土地資源變得緊缺，地上空間容量供需矛盾日益突出，使得對(duì)地下通道、綜合管廊、地下停車(chē)場(chǎng)和地下商場(chǎng)等地下空間開(kāi)發(fā)的需求日趨加大。國(guó)家大力發(fā)展交通和市政公用設(shè)施地下化和集約化，并將一部分公共建筑布置在地下空間，這對(duì)有效擴(kuò)大空間供給、提高城市效率、減少地面占用、保護(hù)地面景觀和環(huán)境具有重要意義[1-2]。

以往地下構(gòu)筑物的建造大多采用明挖施工的方式。這種方式存在諸多弊病：施工不僅會(huì)中斷交通、影響環(huán)境，還有可能對(duì)臨近建筑物造成破壞；對(duì)于埋深較大的地下空間開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，不僅施工成本會(huì)急劇增加，而且施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增大。而如果采用矩形頂管施工就不存在上述問(wèn)題,除了以局部開(kāi)挖方式構(gòu)筑工作井和接收井以外，可在不封閉交通、不搬遷管線、小噪聲和少塵土等條件下施工，相比圓形盾構(gòu)其空間利用率可提高20%，從而大大降低施工成本[3]，為城市地下空間開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新機(jī)遇。本文簡(jiǎn)述了矩形頂管的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了矩形頂管在我國(guó)已完工和即將推進(jìn)的地下空間開(kāi)發(fā)工程中的應(yīng)用案例，并據(jù)此展望了矩形頂管在我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)中的前景。

1 國(guó)內(nèi)外矩形頂管的結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用分析

1.1 矩形頂管一般結(jié)構(gòu)形式

20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)的飛速發(fā)展，矩形頂管技術(shù)得以研制成功并首次應(yīng)用于日本東京的地下聯(lián)絡(luò)通道中。在國(guó)內(nèi)，上海隧道股份所研制的3.8 m×3.8 m矩形頂管機(jī)于1999年4月應(yīng)用于上海地鐵三號(hào)線五號(hào)出入口矩形通道[4]，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)矩形隧道研究和設(shè)備推廣應(yīng)用的先河。而后又有中鐵工程裝備集團(tuán)、揚(yáng)州廣鑫重型設(shè)備有限公司等幾家企業(yè)進(jìn)行矩形頂管機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)多年的科研開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)寬度大于6 m、高度大于3 m的大斷面矩形頂管施工已普及，矩形頂管機(jī)已發(fā)展成集光、機(jī)、電、液、傳感和信息技術(shù)于一體，涵蓋切削土體、輸送渣土、測(cè)量導(dǎo)向和糾偏等多功能的專(zhuān)用工程機(jī)械。目前，國(guó)內(nèi)矩形頂管主要適用于軟土—軟巖地層(UCS：0～10 MPa)，其結(jié)構(gòu)形式也多為土壓平衡式。

土壓平衡矩形頂管一般包括了刀盤(pán)裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、盾體結(jié)構(gòu)、螺旋輸送機(jī)、后配套系統(tǒng)和頂推裝置(如圖1所示)，通過(guò)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)和布置形式設(shè)置及矩形盾體結(jié)構(gòu)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形斷面開(kāi)挖。其盾體結(jié)構(gòu)包括前盾、糾偏油缸、尾盾、可調(diào)節(jié)式鉸接密封和出洞油缸；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)前盾來(lái)支撐并驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)；螺旋輸送機(jī)固定于前盾上并深入土壓艙，向外排渣的同時(shí)保障土艙壓力來(lái)平衡掌子面；前盾和尾盾之間通過(guò)鉸接油缸連接，實(shí)現(xiàn)盾體的糾偏和轉(zhuǎn)向；尾盾后端一般還布置有出洞油缸，用于盾體接收井出洞；后配套系統(tǒng)一般包括渣土改良系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、高壓水系統(tǒng)和出渣皮帶機(jī)等；頂推裝置包括頂鐵、主頂油缸支架和后靠墻等。

圖1 矩形頂管示意圖

其工作一般是利用電機(jī)或液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)挖掘土體，切削后的土體在刀盤(pán)攪拌棒的作用下與膨潤(rùn)土、泡沫等土體改良劑充分混合，并在螺旋輸送機(jī)螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)作用下排出土壓艙。刀盤(pán)開(kāi)挖的同時(shí)，頂推系統(tǒng)在始發(fā)井處推動(dòng)管節(jié)與主機(jī)一起向前移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、排渣、管節(jié)支護(hù)一次機(jī)械化施工成型。

國(guó)內(nèi)各大斷面矩形頂管廠家的結(jié)構(gòu)形式大多類(lèi)似，區(qū)別較大處在于刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)大斷面矩形頂管均為多刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，通常包括平行中心軸式、偏心多軸式和中心軸偏心軸組合式3種。

1)平行中心軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)。在適應(yīng)施工地質(zhì)條件下，以最大切削率和最大攪拌率為原則來(lái)考慮頂管機(jī)的斷面尺寸。平行中心軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)的刀盤(pán)分為多刀盤(pán)前后錯(cuò)開(kāi)布置和多刀盤(pán)在同一切削平面內(nèi)布置2種形式。前后排布式刀盤(pán)如圖2所示，其中圖2(a)為三前三后“品”字形布置等徑刀盤(pán)結(jié)構(gòu)[5]，圖2(b)為前一大后四小刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，這2種刀盤(pán)裝置均只布置魚(yú)尾刀和刮刀，適用于軟土地層；同平面組合式刀盤(pán)如圖3所示，該刀盤(pán)裝置除魚(yú)尾刀和刮刀外還布置有滾刀，適用于砂卵石地層。

(a)三前三后

(b)前一大后四小

圖3 同平面組合式刀盤(pán)

2)偏心多軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)。偏心多軸式刀盤(pán)體為矩形框架結(jié)構(gòu)，刀盤(pán)的掘進(jìn)端面及四周均布置有十字刀頭[6]，在多個(gè)偏心曲柄軸驅(qū)動(dòng)下，各刀具繞著各自支撐圓心點(diǎn)、以與曲軸回轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)之間的距離為半徑作平面圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)平動(dòng)切削土體。此種頂管機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是刀盤(pán)能夠在各種斷面形狀隧道中進(jìn)行全斷面切削；缺點(diǎn)是攪拌不充分，較適用于軟土地層。偏心多軸式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。此種矩形頂管受滾刀破巖機(jī)制限制，刀盤(pán)上不宜布置常規(guī)滾刀，因而不適用于巖石地層。但國(guó)外有公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)偏心多軸式刀盤(pán)用于巖石地層做了一些有益的嘗試，并取得了可喜的進(jìn)展。

圖4 偏心多軸式刀盤(pán)

3)中心軸偏心軸組合式刀盤(pán)矩形頂管。中心軸偏心軸組合式刀盤(pán)裝置一般為中心軸式圓刀盤(pán)中心布置、偏心軸式仿形擺動(dòng)刀盤(pán)周邊布置[7](如圖5所示)，圓刀盤(pán)配置刮刀、偏心軸刀盤(pán)配置十字刀頭，兩刀盤(pán)一般為前后布置，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)矩形斷面開(kāi)挖，此種矩形頂管受限于偏心擺動(dòng)刀盤(pán)，僅能應(yīng)用于軟土地層。

圖5 中心軸偏心軸組合式刀盤(pán)

4)其他在研頂管結(jié)構(gòu)形式。除上述成型矩形頂管外，國(guó)內(nèi)企業(yè)也積極創(chuàng)新，在吸收消化國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)新型結(jié)構(gòu)形式矩形頂管進(jìn)行了探索。如：中鐵工程裝備集團(tuán)在行星齒輪式切削矩形頂管方面展開(kāi)研究，該設(shè)備可在偏心驅(qū)動(dòng)軸的作用下利用勒洛三角形刀盤(pán)直接開(kāi)挖出正方形斷面，并可通過(guò)刀盤(pán)自由組合得到不同斷面的隧道，如圖6(a)為4刀盤(pán)組合正方形斷面，圖6(b)為2刀盤(pán)組合長(zhǎng)方形斷面。

(a) 4刀盤(pán)組合正方形斷面

(b) 2刀盤(pán)組合長(zhǎng)方形斷面

此外，在組合式頂管方面，2016年2月日本鹿島建設(shè)研制出R-SWING工法三聯(lián)式掘進(jìn)機(jī)(寬 7.25 m、高4.275 m)，該設(shè)備采用油缸驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)刀盤(pán)形式實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖[8](見(jiàn)圖7(a))；2010年3月清水建設(shè)株式會(huì)社與Kayaba System Machinery株式會(huì)社共同開(kāi)發(fā)出滾筒式矩形盾構(gòu)，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)形式實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖[9](見(jiàn)圖7(b))。上述矩形頂管均可通過(guò)其各自基本結(jié)構(gòu)自由組合來(lái)工作，其斷面適應(yīng)性得到大大提高，這種工作模式也使國(guó)內(nèi)企業(yè)受到一定的啟發(fā)，如近期中鐵工程裝備集團(tuán)開(kāi)展了多聯(lián)矩形頂管在地下停車(chē)場(chǎng)中的應(yīng)用研究。

1.2 各類(lèi)型矩形頂管優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比及應(yīng)用分析

平行中心軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)利用圓形刀盤(pán)的切削區(qū)域前后交叉互補(bǔ)，來(lái)盡可能地減少矩形區(qū)域的開(kāi)挖盲區(qū)。這種驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單可靠，相對(duì)于偏心多軸式刀盤(pán)，在其開(kāi)挖過(guò)程中，刀盤(pán)的切削反力可以相互抵消，因此對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)小，地面沉降比較容易控制；另外其攪拌棒的運(yùn)行半徑要遠(yuǎn)大于偏心多軸式刀盤(pán)，如果布置合理，幾乎可以覆蓋整個(gè)斷面，土體改良效果好，且易在土艙形成具有良好塑性、流動(dòng)性和不透水性的彈性土體，以平衡土壓力和地下水壓力，更有利于地面沉降的控制。但由于其每個(gè)刀盤(pán)的開(kāi)挖范圍都是圓形，因此無(wú)論采用何種組合方式，都無(wú)法實(shí)現(xiàn)矩形截面的全斷面開(kāi)挖，存在切削盲區(qū)是其最大的缺點(diǎn)，但可通過(guò)適當(dāng)配置盾體邊刮刀、萬(wàn)向球鉸接頭高壓水噴口、錐環(huán)等措施來(lái)改善。

(a)R-SWING工法三聯(lián)式掘進(jìn)機(jī)

(b)滾筒式矩形盾構(gòu)

對(duì)于偏心多軸式刀盤(pán)矩形頂管機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)在于：1)可根據(jù)開(kāi)挖的截面設(shè)計(jì)出類(lèi)似的仿形擺動(dòng)刀盤(pán)，附以一定的曲柄長(zhǎng)度，即可做到全斷面開(kāi)挖，不存在切削盲區(qū)，可以大大減小頂管機(jī)掘進(jìn)時(shí)所需的頂力；2)由于轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小，驅(qū)動(dòng)所需的扭矩也小，大約是圓形刀盤(pán)的1/2；3)采用了十字刀頭，每把刀的切削路徑都很相似，刀具的切削量和磨損量比較均勻。其缺點(diǎn)也很明顯：由于各個(gè)點(diǎn)都圍繞各自的圓心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其上面布置的刀具受到的反力無(wú)法相互抵消，切削反力傳遞給盾體，容易造成對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，控制不好極易造成開(kāi)挖的沉降量超標(biāo)；另外，其后部攪拌棒的運(yùn)行軌跡也是以曲柄長(zhǎng)度為半徑的圓，其攪拌范圍相對(duì)于整個(gè)開(kāi)挖面來(lái)說(shuō)極其有限，布置數(shù)量少起不到改良土體的作用，布置數(shù)量多則將大大增加刀盤(pán)的扭矩且形成反作用力，對(duì)盾體的平衡不利。

各類(lèi)型刀盤(pán)矩形頂管均依托其各自特點(diǎn)適用于不同工況，具體對(duì)比如表1所示。

2 矩形頂管在城市地下空間開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

在國(guó)產(chǎn)矩形頂管快速發(fā)展的背景下，其性能和施工效果也在不斷改善，在國(guó)內(nèi)地下空間開(kāi)發(fā)中亦取得了不錯(cuò)的成績(jī)。以下結(jié)合國(guó)內(nèi)已完工和即將推進(jìn)的標(biāo)志性地下空間開(kāi)發(fā)工程案例，對(duì)矩形頂管在過(guò)街通道、綜合管廊、地下停車(chē)場(chǎng)、地下商業(yè)街等地下空間開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行應(yīng)用探索。

表1 不同類(lèi)型刀盤(pán)矩形頂管適用范圍對(duì)比

Table 1 Application ranges of rectangular pipe jacking machines with different types of cutter head

矩形頂管類(lèi)型適用范圍平行中心軸式刀盤(pán)矩形頂管 適用于隧道長(zhǎng)寬比大約在3∶2、管線情況較復(fù)雜、沉降量要求控制嚴(yán)格的隧道工程,多應(yīng)用于軟土、砂卵石地層偏心多軸式刀盤(pán)矩形頂管 適用于隧道埋深大、隧道上部管線較少、隧道之間的間距較小的工程,適應(yīng)于軟土地層中心軸偏心軸組合式刀盤(pán)矩形頂管 適用于長(zhǎng)寬比為1∶1～3∶2,同時(shí)又對(duì)開(kāi)挖面積有較高要求的工程,多應(yīng)用于軟土地層

2.1 城市過(guò)街通道領(lǐng)域

自1999年上海隧道股份研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)小斷面矩形頂管機(jī)后，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，2013年中鐵工程裝備集團(tuán)研制出超大斷面矩形頂管(10 m×7 m級(jí))，并成功應(yīng)用于鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道項(xiàng)目，為世界上首次將矩形頂管法應(yīng)用到交通隧道建設(shè)領(lǐng)域，施工效果如圖8所示。

圖8 鄭州市下穿中州大道項(xiàng)目矩形頂管施工效果

Fig.8 Effect of rectangular pipe-jacking crossing underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou City

該項(xiàng)目地層主要為粉土與粉質(zhì)黏土，區(qū)間長(zhǎng)度為105 m，采用大小2臺(tái)矩形頂管施工，均為平行中心軸式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。該項(xiàng)目中間為兩機(jī)動(dòng)車(chē)道，兩側(cè)為非機(jī)動(dòng)車(chē)道，工程斷面圖如圖9所示，具有超淺埋(覆土最淺處僅厚3.0 m)、大跨度(跨度為10.12 m)、小凈間距(相鄰?fù)ǖ篱g距1 m)的特點(diǎn)[10]。該設(shè)備在中州大道項(xiàng)目中取得了良好的施工效果，地層最大沉降量?jī)H為28.2 mm。機(jī)動(dòng)通道施工用時(shí)30 d、非機(jī)動(dòng)通道施工用時(shí)25 d，有效提高了非開(kāi)挖過(guò)街通道的施工效率。

在過(guò)街通道領(lǐng)域除下穿中州大道交通隧道外，近來(lái)國(guó)內(nèi)矩形頂管又陸續(xù)在地鐵出入口(如上海軌道交通二、六號(hào)線和武漢地鐵二號(hào)線)等過(guò)街人行通道進(jìn)行過(guò)諸多嘗試，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項(xiàng)目同樣采用了矩形頂管施工(見(jiàn)圖10)。該項(xiàng)目位于華西第四醫(yī)院、四川大學(xué)附近的城市繁華地段，地上人流、車(chē)流眾多；此外該項(xiàng)目所處位置地下管網(wǎng)復(fù)雜，在項(xiàng)目通道上方布置有眾多燃?xì)狻㈦娏?、雨水和污水管路，距離管路最近處僅為0.5 m，下方距離成都地鐵1號(hào)線路僅3.1 m，工程斷面如圖10所示。該人行通道開(kāi)挖尺寸為6.02 m×4.52 m，全程穿越卵石地層，施工難度較大，沉降控制要求較高。對(duì)此，項(xiàng)目采用如圖3所示的同平面帶

滾刀多刀盤(pán)矩形頂管，并配置有大直徑帶式螺旋輸送機(jī)，以適應(yīng)卵石地層掘進(jìn)。截至目前，設(shè)備掘進(jìn)距離過(guò)半并運(yùn)行良好，為后續(xù)卵石地層矩形頂管施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

圖9 鄭州市下穿中州大道工程斷面圖(單位：m)

Fig.9 Cross-section of tunnels crossing underneath Zhongzhou Road in Zhengzhou (m)

圖10 成都市下穿人民南路工程斷面圖(單位：m)

2.2 地下商業(yè)空間領(lǐng)域

伴隨著城市地面商業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，兼具人防、過(guò)街通道功能的商業(yè)隧道也逐漸被城市管理者所關(guān)注。2012年，佛山市南海區(qū)越秀星匯云錦開(kāi)發(fā)項(xiàng)目成功完成了下穿南海大道的地下商業(yè)空間施工，該項(xiàng)目采用如圖4所示偏心多軸式刀盤(pán)矩形頂管，先平行頂進(jìn)4條矩形斷面隧洞(單洞尺寸為6.9 m×4.9 m)，然后在隧洞間開(kāi)洞實(shí)現(xiàn)互通[11]，從而在非開(kāi)挖的情況下實(shí)現(xiàn)了地下商業(yè)和過(guò)街通道互通的目的，為地下商業(yè)空間的開(kāi)發(fā)利用提供了一種新的形式。

該項(xiàng)目4條頂管通道從北向南功能定位依次為商鋪、人行通道、商鋪和車(chē)行道，如圖11和圖12所示。人行通道和商鋪之間通過(guò)6個(gè)3 m×3 m和1個(gè) 5 m×3 m的門(mén)洞相連通。最北側(cè)通道預(yù)留一個(gè)5 m×3 m的連接口，提供未來(lái)與佛山三號(hào)線桂城地鐵站之間連接的可能。為方便行人，減小開(kāi)洞的施工風(fēng)險(xiǎn)，并且預(yù)留足夠的施工安全距離，同時(shí)滿(mǎn)足始發(fā)接收端頭預(yù)埋鋼環(huán)板的空間要求，相鄰頂管之間的設(shè)計(jì)間距確定為0.5 m。

2.3 地下停車(chē)場(chǎng)領(lǐng)域

傳統(tǒng)地下停車(chē)場(chǎng)施工一般采用明挖法，即敞開(kāi)式開(kāi)挖方法，不僅破壞環(huán)境，阻斷交通，并且揚(yáng)塵、噪聲、渣土污染等嚴(yán)重影響周邊辦公及生活秩序。而常規(guī)暗挖法施工，通過(guò)施工豎井進(jìn)入地下開(kāi)挖，基本不破環(huán)地面環(huán)境且低噪聲，但傳統(tǒng)暗挖法一般以人工或小型機(jī)械設(shè)備作業(yè)為主，施工速度慢，在復(fù)雜環(huán)境下施工若采取措施不合理容易發(fā)生安全事故。

2016年9月中旬，中鐵工程裝備集團(tuán)啟動(dòng)了矩形頂管機(jī)械化施工地下停車(chē)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目，該施工設(shè)備采用自行研發(fā)的能從中間拆分成左右兩部分的分體組合式矩形頂管機(jī)(5.74 m×5.02 m)，停車(chē)場(chǎng)采用3跨為一組，兩側(cè)停車(chē)、中間為通道的結(jié)構(gòu)形式，如圖13所示。

圖11 佛山南海區(qū)地下商業(yè)空間斷面圖(單位：mm)

Fig.11 Cross-section of underground commercial space in Nanhai District of Foshan (mm)

圖12 佛山南海區(qū)地下商業(yè)空間平面圖(單位：mm)

圖13 停車(chē)場(chǎng)橫斷面示意圖

3 矩形頂管在城市地下空間開(kāi)發(fā)中的前景探索

3.1 矩形頂管在綜合管廊領(lǐng)域的應(yīng)用前景

為節(jié)約城市地上空間，避免重復(fù)建設(shè)，同時(shí)為其他地下工程建設(shè)提供預(yù)留空間，已有不少城市統(tǒng)籌市政管線的綜合開(kāi)發(fā)，規(guī)劃綜合管廊。綜合管廊可以容電力電纜、通信電纜、給水管道和燃?xì)夤艿烙谝惑w(如圖14所示)，并設(shè)置有專(zhuān)門(mén)的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，安裝維修不必將路面破壞，也不影響車(chē)輛交通和居民生活[12]。對(duì)于新建城區(qū)可采用明挖法施工，但對(duì)于已建成的老城區(qū)綜合管廊項(xiàng)目，開(kāi)挖施工是不可取的，采用矩形頂管的非開(kāi)挖施工極具優(yōu)勢(shì)，目前已受到不少城建部門(mén)的青睞。

圖14 綜合管廊示意圖

截至目前，在國(guó)內(nèi)尚未有矩形頂管在綜合管廊中的應(yīng)用案例，但在市政管線隧道方面，2015年山東某工程采用2.2 m×2.5 m小斷面矩形盾構(gòu)(如圖15所示)進(jìn)行承載式方涵隧道施工，取得了良好效果，為矩形頂管在綜合管廊項(xiàng)目中的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

圖15 2.2 m×2.5 m矩形盾構(gòu)

3.2 矩形頂管在地下物流通道領(lǐng)域的應(yīng)用前景

一些大城市公路承載過(guò)重，人貨運(yùn)輸混雜，但由于環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題的制約，致使高速公路無(wú)法進(jìn)行無(wú)限擴(kuò)建。而迅速發(fā)展的電子商務(wù)給物流業(yè)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)：顧客通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)定的貨物體積變小，數(shù)量增多，運(yùn)送的頻率加快，且運(yùn)送距離也加大。對(duì)此全球物流巨頭德國(guó)敦豪公司(DHL)提出了“城市鼴鼠”的設(shè)想(如圖16所示)[13]，在地下管道網(wǎng)中穿行的機(jī)器人，可以把貨物自動(dòng)密封在包裹里，然后把貨物順著軌道運(yùn)送出去。這種地下管道物流系統(tǒng)不僅不會(huì)受到外部天氣及其他交通的影響，貨物也不易丟失、損壞。“智能配送，精準(zhǔn)分流”：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，完全可控，成本更低，能耗更低，促進(jìn)城市生活智慧化。

圖16 地下物流系統(tǒng)示意圖

3.3 矩形頂管在海綿城市領(lǐng)域的應(yīng)用前景

2014年11月2日，住建部發(fā)布《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，探索構(gòu)建城市雨水開(kāi)發(fā)體系，促進(jìn)建立科學(xué)完善的城市水循環(huán)系統(tǒng)，根治城市內(nèi)澇頑疾。目前國(guó)內(nèi)已成立多個(gè)海綿城市試點(diǎn)城市，而地下儲(chǔ)水空間的建設(shè)同樣會(huì)對(duì)矩形頂管設(shè)備提出需求。

矩形頂管在地下空間開(kāi)發(fā)中的大力應(yīng)用，有利于提高施工速度，加快城市地下空間建設(shè)速度，有效促進(jìn)城市地下空間統(tǒng)一規(guī)劃、復(fù)合開(kāi)發(fā)。將一個(gè)城市地下空間由功能單一、獨(dú)立開(kāi)發(fā)利用轉(zhuǎn)向多功能、各領(lǐng)域綜合開(kāi)發(fā)，充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，是城市地下空間大規(guī)模、有序化開(kāi)發(fā)利用的前提條件，對(duì)建設(shè)“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”社會(huì)具有重大意義。

4 結(jié)語(yǔ)

在地下空間全面開(kāi)發(fā)的時(shí)代，矩形頂管具有廣闊的應(yīng)用前景，針對(duì)其適應(yīng)性、專(zhuān)業(yè)性方面的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，會(huì)使矩形頂管具有更廣闊的市場(chǎng)空間。結(jié)合現(xiàn)有矩形頂管結(jié)構(gòu)形式及工程案例需求，對(duì)矩形頂管在國(guó)內(nèi)地下空間開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的發(fā)展方向提出幾點(diǎn)建議：

1)目前國(guó)內(nèi)矩形頂管只針對(duì)軟土或部分砂卵石地層，而對(duì)素有“地質(zhì)博物館”之稱(chēng)的中國(guó)而言，要想使得矩形頂管設(shè)備在全國(guó)范圍內(nèi)遍地開(kāi)花，開(kāi)展硬巖或復(fù)合地層矩形頂管的研發(fā)迫在眉睫。

2)隨著國(guó)內(nèi)地下空間領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的全面開(kāi)展，隧道形式、大小也越來(lái)越多樣化，這無(wú)疑對(duì)矩形頂管的適應(yīng)性提出了挑戰(zhàn)，相信在矩形頂管基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的分體組合式頂管以及馬蹄形、橢圓形等異形頂管也將是未來(lái)研究發(fā)展方向之一。

3)矩形頂管受管節(jié)與土體阻力影響，目前一般掘進(jìn)距離均不長(zhǎng)，超過(guò)150 m的隧道雖可采用增加工作井分段掘進(jìn)或增加中繼間等方式來(lái)增加頂進(jìn)距離，但矩形頂管如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離頂進(jìn)是一項(xiàng)亟需克服的工程難題，或許盾構(gòu)法施工可為其實(shí)施提供部分啟示。

4)土壓平衡頂管多用于淺覆土、低水壓的場(chǎng)合，而在地下物流通道、海綿城市工程建設(shè)中不可避免會(huì)遇到大埋深富水工況，泥水平衡模式掘進(jìn)機(jī)不僅能夠適應(yīng)上述工況，并且也避免了土壓平衡頂管螺旋機(jī)出渣間斷性工作的缺點(diǎn)，可大大提高施工效率。所以，泥水平衡頂管的研發(fā)也應(yīng)是業(yè)界同仁需關(guān)注的方面。

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Application of Rectangular Pipe Jacking Machine to Urban Underground Space Development and Its Prospects

JIA Lianhui

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

The normal structure form of rectangular pipe jacking machine is discussed.The structural features and formation adaptability of rectangular pipe jacking machine with paralleled central shaft cutter head and that with eccentric multi-shaft cutter head,planetary gear type of rectangular pipe jacking machine,and multi-rectangular-face pipe jacking machine are introduced in detail.The applications and achievements of rectangular pipe jacking machine used in urban underground space,including urban underpass,underground commercial space and underground parking areas,etc.are presented.The application of rectangular pipe jacking machine to underground utility tunnel,underground logistics channel and Sponge City,etc.are prospected.The development of rectangular pipe jacking machine is prospected and some suggestions are given.

rectangular pipe jacking machine; underground space development; underpass; underground utility tunnel

2016-07-25;

2016-09-06

賈連輝(1981—)，男，河北三河人，2004年畢業(yè)于河北工程大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，本科，高級(jí)工程師，主要從事隧道與地下工程裝備設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。E-mail:jialianhui2005@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.017

U 455.3

A

1672-741X(2016)10-1269-08