矩形掘進(jìn)機在綜合管廊建設(shè)中的應(yīng)用

鄭康泰

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的公共隧道。2015 年8 月，國務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》，針對我國正處在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展時期，地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后的局面，明確提出推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)，統(tǒng)籌各類市政管線規(guī)劃、建設(shè)和管理，解決反復(fù)開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題。

國外綜合管廊的建設(shè)開始較早（圖1），法國于1833 年建設(shè)了世界首條綜合管廊[1]，日本始于1926 年，截至目前日本已興建超過600km 的綜合管廊[2]。中國的地下綜合管廊建設(shè)起步較晚，目前正處于快速發(fā)展期。

圖1 國內(nèi)外的綜合管廊

從使用功能來分析，地下綜合管廊等隧道的斷面形式以矩形最為理想，經(jīng)濟(jì)。在采用盾構(gòu)法施工的綜合管廊中，擁有相同有效空間的情況下，矩形斷面能節(jié)省約20%以上的地下空間，且可以大幅度減少隧道埋深（圖2）。

圖2 矩形開挖斷面

近年來，矩形掘進(jìn)機技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。2014 年12 月，鄭州紅專路下穿中州大道矩形隧道工程順利開通，2016 年11 月，新加坡湯申線T221隧道貫通。矩形掘進(jìn)機的成功應(yīng)用，說明其具有較強的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，應(yīng)用效果得到了市場認(rèn)可，所以可以預(yù)見今后矩形掘進(jìn)機在綜合管廊建設(shè)中將會發(fā)揮重要作用，以其環(huán)保、安全、高效、不阻斷交通、環(huán)境影響小等優(yōu)勢，注定成為地下綜合管廊建設(shè)的主流設(shè)備（圖3）。

圖3 綜合管廊矩形掘進(jìn)機

1 矩形掘進(jìn)機簡述

為了應(yīng)對工程條件制約（包括寬度、埋深等）、降低開挖土方量、提高隧道斷面利用率，矩形掘進(jìn)機應(yīng)運而生。

對于矩形掘進(jìn)機的研制及其應(yīng)用，日本走在了世界前列，我國緊隨其后，大力追趕，也形成了自己的特色。以下介紹幾種矩形掘進(jìn)機及其特征。

1.1 日本矩形掘進(jìn)機

日本曾于1965 年首次采用敞口式矩形掘進(jìn)機建設(shè)地下綜合管廊（中部電力榮町共同溝工程）[3]，之后由于敞口式掘進(jìn)機存在各種各樣的問題，就沒有繼續(xù)采用。后來，隨著密閉式掘進(jìn)機技術(shù)的發(fā)展，日本在地下綜合管廊工程中再次重視密閉式矩形掘進(jìn)機的開發(fā)。

1.1.1 擺動式刀盤盾構(gòu)

擺動式刀盤盾構(gòu)[4]通過使刀盤在一定的角度內(nèi)進(jìn)行擺動開挖，再配合超挖刀開挖隅角部，實現(xiàn)矩形全斷面開挖。適用于砂質(zhì)等軟土地層（圖4～圖5）。

圖4 寬10.24m×高6.87m的擺動式刀盤盾構(gòu)

圖5 擺動開挖狀態(tài)

由于擺動式刀盤無需使刀盤旋轉(zhuǎn)一周，所以通過油缸的伸縮驅(qū)動刀盤成為可能，相對于“馬達(dá)+齒輪”的常規(guī)驅(qū)動方式，擺動式刀盤具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點。

1.1.2 滾筒式矩形盾構(gòu)

圖6 所示的滾筒式矩形盾構(gòu)[5]的截割頭是在滾筒狀的橫軸上布置刀具，通過軸的旋轉(zhuǎn)切削土體，并在縱向上安裝了多個滾筒狀截割頭，如圖7 所示。

圖6 滾筒式矩形盾構(gòu)

圖7 結(jié)構(gòu)示意圖

滾筒式矩形盾構(gòu)具有可伸縮式截割頭和獨立攪拌裝置。上部截割頭可實現(xiàn)掘進(jìn)方向1 環(huán)管片寬度的伸縮，通過使其反復(fù)超前移動，形成淺覆土支護(hù)，有效控制地表沉降。開挖艙內(nèi)布置有獨立的滾筒式螺旋攪拌裝置，確保了較高的攪拌性能。

1.1.3 R-SWING工法掘進(jìn)機

如圖8、圖9 所示，日本于2011 年開發(fā)了R-SWING（Roof&SWINGcutting）工法[6]，通過油缸驅(qū)動擺動刀盤式矩形掘進(jìn)機開挖隧道，能夠?qū)崿F(xiàn)地表始發(fā)及地表到達(dá)（貫通）。既能夠適用于頂管施工，也適用于盾構(gòu)施工。掘進(jìn)機上部裝配有伸縮式頂部，最大可伸出1.5m，通過頂部結(jié)構(gòu)伸出進(jìn)行先行掘進(jìn)，能夠確保地層沉降。據(jù)此可把對周邊環(huán)境的影響降至最低。

圖8 R-SWING工法三聯(lián)式掘進(jìn)機

圖9 R-SWING工法適用于頂管法和盾構(gòu)法

掘進(jìn)機的基本結(jié)構(gòu)由主機部和伸縮頂部組成，通過組合多個基本結(jié)構(gòu)適應(yīng)不斷尺寸的矩形斷面（圖10）。

圖10 R-SWING工法基本結(jié)構(gòu)的組合案例

1.1.4 阿波羅工法盾構(gòu)

阿波羅（all potential rotary cutter）工法[7]通過結(jié)合滾筒、擺動架的自轉(zhuǎn)和刀盤的公轉(zhuǎn)，能夠適應(yīng)以矩形為代表的任意斷面的挖掘。與常規(guī)圓形刀盤的單軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不同，阿波羅工法盾構(gòu)的刀盤部分很小、且能夠高速旋轉(zhuǎn)，在硬質(zhì)地層中也能發(fā)揮良好的切削性，并且能夠切削木樁等地下障礙物（圖11）。阿波羅工法盾構(gòu)通過控制3 個軸的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)全斷面切削（圖12），同時擺動架能夠改變刀盤的轉(zhuǎn)動半徑，能夠?qū)崿F(xiàn)矩形、馬蹄形、圓形斷面的開挖（圖13）。

圖11 阿波羅工法盾構(gòu)

圖12 三軸控制的開挖概念

圖13 可開挖圓形及非圓形斷面

1.2 中國矩形掘進(jìn)機

近年來，國內(nèi)矩形掘進(jìn)機發(fā)展迅速，中國曾在1995 年在上海南匯航頭進(jìn)行簡易的網(wǎng)格式矩形頂管原型機試驗，先后經(jīng)歷大刀盤+超挖刀、多刀盤、偏心多軸、組合刀盤（用于矩形和類矩形斷面）/行星刀盤（僅用于矩形斷面）四代機型的發(fā)展，斷面尺寸從最小2.5m×2.5m 到最大的10.42m×7.57m。按開挖形式，矩形掘進(jìn)機大致可以分為兩類，一類為采用偏心仿行刀盤通過擺動切削實現(xiàn)矩形斷面開挖，另一類為采用平衡軸刀盤，通過刀盤前后布置并輔以盲區(qū)處理裝置完成矩形斷面切削。

1.2.1 中心軸偏心軸組合式多刀盤矩形頂管機

鄭州緯四路-商務(wù)西三街及沈莊北路－商鼎路下穿中州大道工程的車行道采用復(fù)合刀盤矩形頂管機施工，該頂管機采用1 個主心大刀盤和4個偏心擺動刀盤的組合方式，多種刀盤配置，有效實現(xiàn)了矩形全斷面的開挖(圖14)。

圖14 偏心擺動刀盤式矩形頂管機[8]

1.2.2 平行中心軸式多刀盤矩形頂管機

如圖15 所示，平行中心軸式多刀盤矩形頂管機[9～10]采用平行軸式多刀盤前后布置設(shè)計，配合盾體切刀，盲區(qū)萬向球頭高壓水沖洗接口，實現(xiàn)矩形全斷面開挖。自成功用于紅專路下穿中州大道隧道工程后，得到了大力推廣，在天津地鐵11號線黑牛城內(nèi)江路站出入口過街通道、武漢地鐵7 號線武昌站Ⅳ號口，新加坡湯申線T221 標(biāo)段等工程中得到成功運用。

圖15 平行中心軸式矩形頂管機

2 設(shè)計理念分析

通過比較以上幾種矩形掘進(jìn)機，可以看出，日本矩形掘進(jìn)機的設(shè)計理念側(cè)重于通用性，利于再制造。例如，R-SWING 工法掘進(jìn)機能夠通過增加基本單元，進(jìn)行擴大或縮小掘進(jìn)機的尺寸；滾筒式矩形掘進(jìn)機采用通用性的馬達(dá)和減速機，有效降低了成本；阿波羅工法盾構(gòu)的開挖機構(gòu)可以再利用到其他斷面隧道中。

中國矩形掘進(jìn)機側(cè)重于大斷面隧道的實際應(yīng)用，以及進(jìn)一步的升級改進(jìn)，例如在頂管機的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新隧道襯砌設(shè)計理論，進(jìn)一步改造成矩形盾構(gòu)。

3 案例分析

3.1 矩形盾構(gòu)用于綜合管廊

鄭州濱河國際新城第十九大街項目（圖16）起點位于經(jīng)南十二路，終點位于經(jīng)南十五路，路線為南北走向，南高北低，道路坡度為1.4‰—4.5‰，管廊布設(shè)在道路東側(cè)綠化帶內(nèi)。管廊全長1065m，地層以粉質(zhì)粘土為主。

圖16 鄭州濱河國際新城綜合管廊位置圖

該綜合管廊施工距離較長，施工擬采用矩形盾構(gòu)法施工（目前設(shè)備正處于設(shè)計制造階段），綜合管廊為三艙結(jié)構(gòu)，同時具有燃?xì)馀摗崃ε?、水電綜合艙功能（圖17）。為滿足后配套空間布置及出渣需求，綜合管廊中隔墻采取后做方式，艙體采用管片拼裝機將預(yù)制管片拼裝成型（圖18）。

圖17 成型管廊示意圖

圖18 管廊艙體分片形式

矩形盾構(gòu)施工綜合管廊優(yōu)點在于施工效率高、非開挖施工、可以實現(xiàn)長距離管廊開挖，但其缺點也是存在的，通風(fēng)消防豎井、中隔墻均需后做，同時也要求艙體具有較大壁厚來保證無中隔墻大跨距情況下的受力需求（圖19）。

圖19 綜合管廊矩形盾構(gòu)

3.2 矩形頂管機用于綜合管廊

?？谝４蟮罇|延段綜合管廊頂管施工段（圖20），包括下穿高鐵橋、下穿高速橋、下穿河流段等共計6 段，累計607m，單段不超過150m，地層以粉質(zhì)粘土為主。

圖20 椰海大道綜合管廊位置圖

該綜合管廊標(biāo)段為多段短距離，施工擬采用矩形頂管法施工，該綜合管廊包括高壓電艙和水電綜合艙2 個艙體（圖21）。綜合管廊中隔墻與艙體同步制作，均為預(yù)制管節(jié)形式。管節(jié)于始發(fā)井放入，預(yù)制管節(jié)在頂推油缸作用下一次頂推成（圖22）。

圖21 管廊示意圖

圖22 綜合管廊矩形頂管機

矩形頂管機在綜合管廊中的應(yīng)用，不同于盾構(gòu)法施工，其掘進(jìn)頂推力除要克服設(shè)備掘進(jìn)的迎面阻力、設(shè)備外殼體與開挖土體間的摩擦阻力外，還需克服管節(jié)與開挖土體間的摩擦阻力，其大小隨掘進(jìn)距離的增加而逐漸變大。故頂管機（8.02×4.62m）頂推力大小可依據(jù)本項目最長掘進(jìn)段141m 來計算。

圓形頂管的頂推力可依據(jù)CECS246-2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》來計算

其中：F0為總頂力（kN）；D1為管道的外徑（m）；L為管道設(shè)計頂進(jìn)長度（m）；fk為管道外壁與土的平均摩擦阻力（kN/m2）；NF為頂管機的迎面阻力（kN）。

此處矩形斷面頂管機頂推力公式在上述公式基礎(chǔ)上可優(yōu)化為

式中：L周長為矩形頂管殼體周長（m），取24.34m；fk根據(jù)該項目地質(zhì)情況查閱標(biāo)準(zhǔn)CECS246-2008《給水排水顧客工程頂管技術(shù)規(guī)程》，取fk=10kN/m2。

因為采用土壓平衡式頂管機，故迎面阻力可采用下式計算

式中：γ為土的重度（kN/m3），取20kN/m3；H為覆土厚度（m），取H=6m（項目最深覆土）；S為掌子面面積（m），取S=36.83m3。

綜上得出頂推力

而該8.02×4.62m 規(guī)格矩形頂管機實際配置頂推力為72 000kN（24×300t），安全系數(shù)為1.86，滿足要求。

矩形頂管機施工綜合管廊優(yōu)點在于施工效率高、非開挖施工、可以實現(xiàn)管廊艙體和中隔墻同步施工，其缺點是僅適用于頂管長度不超過200m的施工段，長距離管廊施工需多處工作井，但其工作井也可作為后期管廊通風(fēng)、消防井使用。

4 矩形掘進(jìn)機未來發(fā)展方向

矩形隧道作為眾多斷面形狀的一種，正在世界范圍內(nèi)推廣，特別是對城市區(qū)域規(guī)劃建設(shè)的綜合管廊工程來說是非常理想的斷面形狀。此外市區(qū)征地困難、施工場地相對狹小，選用矩形斷面隧道具有特殊的優(yōu)點及意義。

矩形掘進(jìn)機是開挖矩形隧道的主要設(shè)備，根據(jù)工況特點及市場需求，矩形掘進(jìn)機技術(shù)也在不斷發(fā)展創(chuàng)新。根據(jù)矩形掘進(jìn)機技術(shù)有其自身的特點，指出了矩形掘進(jìn)機未來發(fā)展的方向。

1）設(shè)計研究合理的適應(yīng)各復(fù)合地層的矩形全斷面切削刀盤及其形式，并對管片拼裝機的多種形式進(jìn)行深入研究。

2）在研究矩形隧道受力及變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步創(chuàng)新盾構(gòu)姿態(tài)控制、壁后同步注漿、隧道襯砌管片等關(guān)鍵技術(shù)。

5 結(jié)語

2017 年初，各地相繼發(fā)布了2017 年地下綜合管廊建設(shè)規(guī)劃。海南省三亞市2017 年地下綜合管廊建設(shè)計劃已初步形成，在建地下管廊22.4km。廣東省廣州市新開工地下綜合管廊項目8 個，總長度96.8km。湖南省2017 年計劃開工建設(shè)地下綜合管廊157.31km。新疆烏魯木齊市2017 年新建東進(jìn)場高架道路、城北主干道（中亞大道-蘇州路）等10 條地下綜合管廊，總長度約57km。2017 年4 月，京津冀協(xié)同發(fā)展的“雄安新區(qū)”規(guī)劃獲批，使得綜合管廊的建設(shè)提升到了一個新的高度。

“工欲善其事，必先利其器”，矩形掘進(jìn)機是暗挖法建設(shè)地下綜合管廊的關(guān)鍵設(shè)備。受益于國家政策的大力支持，中國地下綜合管廊建設(shè)已經(jīng)拉開序幕，為矩形掘進(jìn)機的應(yīng)用提供了強勁的市場需求，必將進(jìn)一步助推矩形掘進(jìn)機技術(shù)的升級進(jìn)化。