我國矩形頂管隧道應用現狀及面臨的技術難題探析

摘" 要：隨著我國城市建設的快速發展，矩形頂管法作為綠色、安全、環保和高效的地下工程建造技術，在城市地下空間開發的各個領域得到應用，并逐漸成為研究熱點。該文綜述我國矩形頂管隧道的發展歷程及發展趨勢。依據大量的工程實例，對矩形頂管隧道的應用領域、斷面尺寸分布情況進行統計分析，給出矩形頂管隧道的斷面劃分標準。分析我國矩形頂管隧道應用面臨的技術難題，并結合現有矩形頂管隧道的應用需求，提出幾點發展建議。

關鍵詞：矩形頂管分類；大斷面；研究現狀；技術難題；發展建議

中圖分類號：U445.47" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）11-0181-04

Abstract： With the rapid development of China's urban construction， rectangular pipe jacking method， as a green， safe， environment-friendly and efficient underground engineering construction technology， has been applied in various fields of urban underground space development， and gradually become a focus of research. This paper summarizes the development history and trend of rectangular pipe jacking tunnel in China. According to a large number of engineering examples， the application field and distribution of different section sizes of rectangular pipe jacking tunnel are analyzed statistically， and the section division standard of rectangular pipe jacking tunnel is given. This paper briefly introduces the problems faced by the application of rectangular pipe jacking tunnel in China， and puts forward some development suggestions based on the application requirements of existing rectangular pipe jacking tunnel.

Keywords： classification of rectangular pipe jacking; large cross section; research status; technical problem; development suggestions

隨著我國城市化進程的推進，城市地上空間及道路交通越來越擁擠，地下空間建設的需求和要求不斷提高[1]。在保障城市地面交通順暢、地下管道正常運營的前提下，傳統明挖施工工藝在城市中心區建設地下工程變得愈發困難，因此，非開挖技術已成為城市地下空間建設的主流方法，其中就包括矩形頂管法。伴隨著我國綜合國力的提升和頂管機械建造技術的長足進步，矩形頂管法因其空間利用率高、淺覆土適應能力強、環境影響小、機械化程度及安全性高等特點，被越來越多的工程所采用。一大批涉及地鐵出入口、綜合管廊、公路、地鐵車站和地下停車場等多個領域的大斷面矩形頂管隧道涌現，為城市地下空間的開發利用起到了積極推動作用。

1" 國內矩形頂管隧道技術發展歷程

20世紀90年代，矩形頂管技術在我國得以應用。隨后的20多年，伴隨著頂管機械建造技術的進步，我國矩形頂管隧道取得長足發展。以時間為軸線，我國矩形頂管隧道的發展歷程大體可分為3個階段[2]。圖1為我國矩形頂管隧道的發展時間簡圖。

第1階段：探索模仿階段。1995年，上海隧道工程股份有限公司率先研制了2.5 m×2.5 m可變網格式矩形頂管機，拉開了我國矩形頂管隧道的發展序幕。1999年，國內研制完成3.8 m×3.8 m大刀盤土壓平衡式矩形頂管機，并完成我國首條矩形頂管隧道——上海地鐵2號線陸家嘴5號出入口地下通道施工，為矩形頂管法施工積累了寶貴經驗，在國內矩形頂管發展史上具有里程碑意義。隨后該型號頂管機又陸續完成了上海地鐵4號線浦東南路站過街地道、昆山市長江南路地下通道及上海上中路排水箱涵等9條隧道，頂進總長達322 m。

第2階段：應用發展階段。隨著國內地鐵出入口、人行過街通道和地下綜合管廊等工程需求的不斷增大。2002年，6 m×4 m的偏心多軸雙刀盤土壓平衡式矩形頂管機應運而生，并在寧波、上海和南京等地的20個工程中得以應用，頂進總長達到759.1 m。隨著工程經驗的不斷積累，2008—2012年，國內又研制了6.9 m×4.2 m的多刀盤、大刀盤+偏心多軸組合和大刀盤+行星輪組合式矩形頂管機，以解決偏心多軸式刀盤渣土攪拌不充分，且易斷軸等缺點。該階段我國矩形頂管隧道得到了充分的應用發展，共計完成近40條隧道，頂進總長超過1 700 m。

第3階段：創新引領階段。市政道路過街需求的增加將矩形頂管機推向大斷面、超大斷面的創新研制高潮。2013年，中鐵工程裝備集團有限公司研制出10.4 m×7.5 m大斷面矩形頂管機并應用于鄭州市紅專路下穿中州大道項目，是國內首次將矩形頂管法應用于交通隧道建設領域[3]。2020年研制的14.82 m×9.446 m超大斷面矩形頂管機，成功應用于嘉興快速路環線下穿南湖大道三車道交通隧道，更是創下世界之最。另一方面，我國地質條件區域性差異大，對矩形頂管的地層適應性提出了更高要求。2016年，依托成都川大停車場下穿人民南路項目，研制了適用于富水砂卵石地層的矩形頂管機。2021年，國內首臺大斷面多刀盤硬巖土壓平衡頂管機在莆田火車站涉鐵預埋工程項目始發。眾多大型工程的修建，標志著我國矩形頂管技術已取得突破性發展，進入創新引領階段。

2" 矩形頂管隧道工程應用統計分析

20余年來，矩形頂管在全國各地得到廣泛應用。特別是2016年以后，隨著矩形頂管機市場保有量的提升，矩形頂管隧道快速發展[2]。隧道的建造規模越來越大，穿越地層和工程節點越來越復雜，用途也由原來的聯絡通道、排水箱涵和人行過街通道，逐漸拓展到大型綜合管廊、地鐵車站出入口和交通隧道等各領域。總體上呈現出結構斷面大型化和工程條件復雜化2個發展趨勢。不完全統計顯示，截至2021年底，國內已完成86條矩形頂管隧道工程建設。表1列出了部分國內典型的矩形頂管隧道案例。

對收集到的矩形頂管隧道工程案例從應用領域、不同斷面尺寸分布情況進行統計分析（數據收集來源包括學術論文、隧道相關書籍及新聞報道等）。圖2、圖3分別給出了矩形頂管隧道應用領域和斷面尺寸的分布情況。由圖2、3可知，矩形頂管隧道在地鐵出入口及人行過街通道中的應用最多，而市政道路領域的應用工程正在迅速增加。與應用領域相對應，適用于出入口和過街通道的5～7 m斷面隧道占比最大。其次是近年來應用于交通領域的10 m級以上斷面較多。

在統計分析的基礎上，從斷面大小、頂進長度2方面對矩形頂管隧道進行如下分類，詳見表2、表3。

3" 矩形頂管隧道應用面臨的技術難題

盡管矩形頂管隧道在我國發展迅速且取得了豐碩成果，但矩形頂管隧道的推廣應用仍然面臨著諸多問題。理論方面，對管土作用、管節受力和減摩注漿后的摩阻因數確定等研究不夠深入[1]。設計方面，沒有針對矩形頂管結構設計的規范標準，各設計單位、設備廠家無統一標準，設備通用性較差造成矩形頂管工程造價偏高[1-2]。施工方面，對矩形頂管機頭背土效應、頂管姿態控制、頂推沉降控制、長距離和曲線頂進等技術研究不足。設備方面，針對全斷面切削、硬巖地層和軟硬不均復合地層的設備適應性研究不足。結合現有矩形頂管隧道的應用需求，提出以下幾點發展建議。

3.1" 推動矩形頂管向更大、更長方向發展

隨著矩形頂管在城市道路交通領域的發展，頂管斷面必將進一步加大，加強大斷面、特大斷面管節受力研究迫在眉睫。管節結構受土體阻力影響，掘進距離受到限制，導致了設備攤銷費用高而制約矩形頂管隧道的應用。因此，突破大斷面矩形頂管更長距離頂進技術是推廣矩形頂管應用的必經之路。

3.2" 推動矩形頂管管節新材料應用及預制拼裝技術發展

目前大斷面矩形頂管隧道多采用混凝土整體式管節，其單根管節的體積與自重較大，運輸與吊裝困難，尤其是特大斷面管節因無法運輸而只能進行現場預制，需要較大施工場地[4]。因此，研究大斷面矩形頂管管節新材料應用及預制拼裝技術對于矩形頂管隧道的推廣非常必要。

3.3" 推動矩形頂管曲線施工技術發展

隨著工程建設條件不斷復雜化，工程線路考慮避讓地下構筑物、實現交通銜接等因素，不可避免地需設置平面、豎直，甚至是復合曲線，這對大斷面矩形頂管施工技術提出嚴峻挑戰。曲線頂進需處理好管節接頭、頂進方向控制、曲線外側地層強度等問題。目前國內大斷面矩形頂管尚無曲線頂進案例，曲線頂進施工技術亟待解決。或許圓形頂管曲線頂進采用的蚯蚓式、楔形套環、楔形墊塊和單元曲線等方法可提供部分參考[5]。

3.4" 進一步推進硬巖、復合地層頂管設備技術研發

我國地質條件區域差異巨大，素有“地質博物館”之稱。有以上海、杭州等地區為代表的軟土地層，以廣州、深圳為代表的復雜紅層，以北京、南京和成都為代表的富水砂卵石、卵礫石地層等[6]。目前國內矩形頂管工法多應用于軟土和一般土地層中，雖然在砂卵石地層、硬巖地層矩形頂管機的研究方面也有突破與應用案例，但施工中也暴露出諸多需要解決的技術問題，進一步研發適應復雜地層的矩形頂管設備對矩形頂管隧道的推廣應用具有重要意義。

4" 結束語

伴隨我國城市建設的不斷推進，矩形頂管隧道必將向更大斷面、更長距離、更廣領域和更復雜的工程建設條件等方向發展，這對矩形頂管隧道的建設要求提出了許多新的問題和挑戰。但機遇與挑戰并存，在地下空間全面開發的時代，研究解決上述問題將會使矩形頂管隧道具有更加廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 彭立敏，王哲，葉藝超，等.矩形頂管技術發展與研究現狀[J].隧道建設，2015（1）：1-8.

[2] 鄭永光，薛廣記，陳金波，等.我國異形掘進機技術發展、應用及展望[J].隧道建設（中英文），2018，38（6）：1066-1078.

[3] 賈連輝.矩形頂管在城市地下空間開發中的應用及前景[J].隧道建設，2016，36（10）：1269-1276.

[4] 官林星，方濤，孫巍.大斷面矩形頂管隧道預制拼裝式管節設計與試驗研究[J].隧道與軌道交通，2021（S1）：23-26.

[5] 丁傳松.直線及曲線頂管施工中的頂推力研究[D].南京：南京工業大學，2004.

[6] 何川，封坤.大斷面盾構隧道結構整體化分析方法[J].隧道建設（中英文），2021，41（11）：1827-1848.