矩形掘進(jìn)機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)的成功應(yīng)用，說明其具有較強(qiáng)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(jī)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(jī)

1 矩形掘進(jìn)機(jī)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(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

對于矩形掘進(jìn)機(jī)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(jī)及其特征。

1.1 日本矩形掘進(jìn)機(jī)

日本曾于1965 年首次采用敞口式矩形掘進(jìn)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(shí)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(diǎn)。

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(gè)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(dú)立攪拌裝置。上部截割頭可實(shí)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(dú)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(jī)

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(jī)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(jī)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(jī)

圖9 R-SWING工法適用于頂管法和盾構(gòu)法

掘進(jìn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由主機(jī)部和伸縮頂部組成，通過組合多個(gè)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(gè)軸的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)全斷面切削（圖12），同時(shí)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(jī)

近年來，國內(nèi)矩形掘進(jìn)機(jī)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(jī)試驗(yàn)，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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)

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(jī)施工，該頂管機(jī)采用1 個(gè)主心大刀盤和4個(gè)偏心擺動刀盤的組合方式，多種刀盤配置，有效實(shí)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(jī)[8]

1.2.2 平行中心軸式多刀盤矩形頂管機(jī)

如圖15 所示，平行中心軸式多刀盤矩形頂管機(jī)[9～10]采用平行軸式多刀盤前后布置設(shè)計(jì)，配合盾體切刀，盲區(qū)萬向球頭高壓水沖洗接口，實(shí)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(yùn)用。

圖15 平行中心軸式矩形頂管機(jī)

2 設(shè)計(jì)理念分析

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

中國矩形掘進(jìn)機(jī)側(cè)重于大斷面隧道的實(shí)際應(yīng)用，以及進(jìn)一步的升級改進(jìn)，例如在頂管機(jī)的基礎(chǔ)上，不斷創(chuàng)新隧道襯砌設(shè)計(jì)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(xiàng)目（圖16）起點(diǎn)位于經(jīng)南十二路，終點(diǎn)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(jì)制造階段），綜合管廊為三艙結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(jī)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(diǎn)在于施工效率高、非開挖施工、可以實(shí)現(xiàn)長距離管廊開挖，但其缺點(diǎn)也是存在的，通風(fēng)消防豎井、中隔墻均需后做，同時(shí)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(jī)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(jì)6 段，累計(jì)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(gè)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(jī)

矩形頂管機(jī)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(jī)（8.02×4.62m）頂推力大小可依據(jù)本項(xiàng)目最長掘進(jìn)段141m 來計(jì)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(jì)算

其中：F0為總頂力（kN）；D1為管道的外徑（m）；L為管道設(shè)計(jì)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(jī)的迎面阻力（kN）。

此處矩形斷面頂管機(jī)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(xiàng)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?yàn)椴捎猛翂浩胶馐巾敼軝C(jī)，故迎面阻力可采用下式計(jì)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(xiàng)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(jī)實(shí)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(jī)施工綜合管廊優(yōu)點(diǎn)在于施工效率高、非開挖施工、可以實(shí)現(xiàn)管廊艙體和中隔墻同步施工，其缺點(diǎn)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(jī)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(diǎn)及意義。

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

1）設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)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(xiàng)目8 個(gè)，總長度96.8km。湖南省2017 年計(jì)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(gè)新的高度。

“工欲善其事，必先利其器”，矩形掘進(jìn)機(jī)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(jī)的應(yīng)用提供了強(qiáng)勁的市場需求，必將進(jìn)一步助推矩形掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的升級進(jìn)化。