矩形顶管机及矩形隧道的研究与应用

矩形顶管在城市地下空间开发中的应用目 录ONTENTSC2矩形顶管技术发展城市地下空间开发面临的困题13矩形顶管施工的案例4结论与展望p城市地下空间开发的发展需求•大力开发和利用城市地下空间，对于解决城市用地紧张、交通拥挤、环境恶化等城市化进程中的诸多难题，实现城市可持续发展具有重要的战略意义。

•有利于缓解城市发展与土地资源紧张矛盾；•有利于提高土地利用率，缓解地面交通，改善居住环境，实现人车分流；•地下空间具有热稳定性，服务型建筑可达60%，有利于减少能耗，节约环保；•市政基础设施地下化，有利于优化城市空间布局，减少重复投资建设。

交通设施的地下化大型综合体的地下化基础设施的地下化市政管线的地下化p明挖穿越重要的交通要道和路口•地铁、管廊设计符合城市路网规划，一般沿市政道路设计，不可避免要占道施工；•施工期间需要进行交通疏解，造成道路弯曲形成速度瓶颈，市民反响较大；•明挖施工市政管线迁改量大，占用宝贵城市空间，且多次迁改不利于节省投资；•重要路口不具备明挖条件，浅埋暗挖施工难度大，安全风险高。

p明挖穿越重要的航道和河流•施工需要拦河筑坝围堰，造成航道临时断航，经济通道受阻；•河道围堰会造成流水不畅，对流域防洪安全造成影响，且深圳汛期非常长。

p明挖穿越重要建、构筑物•横跨市政快速路或铁路干线，不可能进行改道和交通疏解；•与地下管线方向垂直，管线众多，明挖悬吊或原位支托保护困难；•上跨轨道交通或引水隧洞箱涵，变形控制要求高，分仓开挖难度大；•重要建、构筑物拆迁要么不能拆迁，要么拆迁成本非常高。

p解决思路ו大城市土地资源有限，老旧城区不可能像新城或者郊区一样进行放坡大开挖；•重要路口需要根据地质与周边环境采用浅埋暗挖、盖挖逆作、顶管和盾构等局部开挖或非开挖形式。

•对于不能中断交通，地下管线复杂且沉降控制要求高、长度适中的路口，常采用大断面矩形顶管施工。

•据不完全统计，综合管廊施工中矩形顶管施工占1-5%；地下过街通道顶管施工超过20%。

我国矩形隧道施工技术的研究与应用提要：本文介绍了我国矩形隧道施工技术的研究与应用现状、现有矩形顶管机类型和技术水平，指出要提高我国矩形隧道施工技术水平，必须开展对矩形盾构施工技术的研究。

关键词：矩形隧道矩形顶管机矩形盾构施工技术1 概述自从英国人布鲁诺受“甲克虫打洞”启示，采用矩形盾构掘进机修建伦敦泰晤士河底隧道以来，至今已逾170多年的历史，在此漫长的历史变迁中，盾构作为地下工程掘进机械，几经发展和变化，施工技术也在不断的运用中得到发展和提高，隧道断面形状由最初的矩形发展到现在的圆形、椭圆形、马蹄形和多圆形等。

圆形隧道以其结构受力好、设备制造简单和推进轴线容易控制等优点，在地下工程掘进技术领域占有主导地位，早先开发的矩形隧道施工技术因鲜有发展而渐渐地被忽视了。

近几年来，随着市政建设的高速发展，基本建设对地下空间的利用与日俱增，特别是双层隧道、纵形和横形隧道、地下车行与人行通道和共同沟等结构设施的开发，加上隧道施工技术的提高，形成了局部气压、泥水加压和土压平衡式等新型掘进机技术，掘进机刀盘也开发出反铲式、条幅式、面板式、大刀盘式、多刀盘式、组合刀盘式（带仿形刀）、滚刀式和偏心多轴式等类型，为矩形隧道施工技术的重新崛起创造了时机和条件。

目前，世界上研制应用的部分矩形盾构机如图1所示。

2 矩形隧道的特点和施工难点2.1 特点(1) 能充分利用结构断面，提高有效面积的使用；(2) 合理的形状分布，减少了土地征用量和掘进面积，降低了工程造价（图2）。

(3) 与圆形隧道施工技术有许多相似之处，可利用先进的施工技术加强和实施矩形隧道施工。

2.2 施工难点2.2.1 机头背土由于土体和机壳间的摩擦作用，引起机头顶部背土，产生的土体扰动和流失给地面建筑和环境带来破坏，也给掘进施工带来诸多不利。

2.2.2 机头旋转各种形状的掘进机，推进中不可避免地产生机头旋转，矩形机头的纠转不仅克服土体摩擦力，还须克服土体的抗力。

矩形盾构顶管施工技术在城市隧道中的应用结合郑州市中州大道下穿隧道工程施工实例，对土压平衡矩型盾构顶管机的实用性、超大断面矩型盾构顶管施工始发到达的安全、沉降控制、姿态控制技术四方面进行了阐述。

标签：矩型盾构施工；隧道；应用1 工程概况中州大道是郑州市贯通南北的交通大动脉，宽达100米，双向14个车道，承载着郑州交通繁重任务，为了保障施工期间最小程度的影响交通，施工采用矩形盾构施工，不仅对地上道路的正常通行、周边环境的影响比较小，而且施工的安全性、施工效率也比较高。

采用矩形盾构施工，还可使隧道的空间利用率提高近20%，与人工开挖相比，效率将提高4-5倍。

2 主要新技术研究及其应用2.1 技术特点本工程下穿中州大道段采用土压平衡矩形盾构顶管法施工，顶管段具有以下主要特点：开挖断面大、覆土埋深浅、隧道间距小、管线间距近、沉降要求高。

矩形盾构顶管段机动车道断面为10.1m×7.25m，断面72.2m2；非机动车道断面为7.5×5.4m，而目前国内已经成功应用于施工的最大断面顶管为6.9m×4.9m （断面面积33.81m2）；此外因受场地条件限制，隧道上最小覆土仅为3.5m；隧道之间间距小，2条矩形盾构顶管隧道净间距为1m，距离DN600mm的雨水管仅1m；最长推进长度达到105m；是目前世界上断面最大的矩形盾构顶管，在设计技术上突破了六刀盘复合开挖联合控制技术、盾体推进过程当中的减少摩擦的设计、超薄壳体和超大断面的结构强度设计优化等关键技术难题，施工难度大。

2.2 矩形盾构顶管采用的土压平衡矩形盾构顶管机是由中国中铁装备自行研究、设计、制造的二台多刀盘辐条式土压平衡顶管机，大顶管尺寸：10120mm×7270mm，小顶管尺寸7520mm×5420mm。

切刀和先行刀采用高耐磨的硬质碳钨合金刀具，以适应各类土体和加固体，并配备良好的泡沫和膨润土、触变泥浆注入系统。

矩形顶管在地铁出入口施工中的应用研究摘要：随着国内各大型城市的发展，地铁建设被各大中城市大力发展，但是城市中地铁建设面临各种复杂的建设环境，特别是针对出入口，施工场地狭窄，不能明挖施工，给地铁建设带来了诸多施工难题，矩形顶管施工作为一种非开挖技术被广泛应用于过街通道、水利工程等，为城市地铁安全经济建设提供了可选的施工方案。

关键词：矩形顶管地铁出入口施工现状展望随着国家城镇化战略的不断深入推进，大型城市、特大型城市的交通拥堵问题日益严重凸显，地铁作为城市公共交通，具有运力大、地下运行、受外部和天气环境影响较小、节能环保，被各大型城市大力发展，对于缓解城市交通拥堵问题具有重要作用，目前随着国家长三角一体化发展战略部署，轨道交通大力发展的趋势不可阻挡。

但同时，地铁建设也存在诸多问题，例如城市内施工管线复杂、周边建构筑物较多、对现有通行道路影响严重、建设周期长，由于地铁建设对本就拥堵的城市道路加剧拥堵，对周边的建构筑物和管线造成较大影响，施工风险高，施工难度大，施工周期长。

为确保在地铁建设的过程中，尽可能减少对城市地面交通的干扰和破坏，传统的明挖法、盖挖法、暗挖法等开挖方法受到地质水文条件、周边环境、建构筑物的影响等存在安全性、经济型、适用性等方面的问题，为了尽量减少对城市地表的开挖，近年来，非开挖技术得到了快速发展和广泛应用，特别针对外部施工限制条件较多的工程，矩形顶管施工技术就是其中之一，使矩形顶管施工技术得到更多的推广和应用。

1.矩形顶管施工简介矩形顶管施工是一种非开挖施工方法，广泛应用于过街通道、地铁出入口、管廊、市政工程，具有不开挖路面、不封闭交通、不搬迁管线、低噪音、无扬尘等优点，在施工时，对周边土体扰动小，能有效控制地面沉降的施工方法。

相较于圆形顶管具有使用面积更加充分，矩形顶管工程与盾构工程对比有以下相同点：一是都属于暗挖法；二是都需要开挖始发接收工作井；三是工作面的开挖方法、进出洞施工技术基本相似；四是都涉及到接缝防水，周边环境保护问题。

试论矩形顶管工法在地下通道工程中的应用矩形顶管工法能够减少管线迁改及交通疏解工作量，对周边的环境影响较小，占用场地面积小，能够降低地下通道工程的建设成本，论文结合广州地铁增城广场站，通过分析矩形顶管工法的特点、设备选型及施工工艺，探索矩形顶管工法在地下通道工程中的应用。

【Abstract】The rectangular pipe jacking method can effectively reduce the workload of pipeline relocation and traffic relaxation，and has less impact on the surrounding environment and occupies a smaall area. It can reduce the construction cost of underground tunnel project. Combined with the Zengcheng Square Station of Guangzhou metro，the paper explores the application of rectangular pipe jacking method in underground tunnel project through analyzing the characteristics，equipment selection and construction technology of rectangular pipe jacking method.标签：矩形顶管工法;土压平衡;顶管顶推力;触变泥浆【中圖分类号】U455 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）12-0125-031 工程概况增城广场站总长665m，车站为地下两层15m岛式站台车站，标准宽度23.7m，两层处深度为16.7m，车站埋深3m。

超大断面矩形顶管隧道自动化监测研究与应用摘要：嘉兴市市区快速路下穿南湖大道隧道工程是国内外首个采用超大断面矩形顶管施工的三车道隧道，工程具有断面超大、覆土浅、地质软、间距小等特点，通过自动化监控量测技术，对其进行顶管顶进与正常过程的钢筋应力、土压力、管节倾斜角的研究，研究成果反馈并完善超大断面顶管配套技术总结及完善，形成整套的超大断面顶管施工技术有着重要意义。

关键词：超大断面；顶管隧道；自动化；监测0 引言与圆形顶管隧道相比，矩形顶管隧道空间利用率更大，节省工时，降低造价，在城市地下空间开发，下穿道路建设中应用越来越广泛。

目前国内常规断面矩形顶管隧道日渐成熟，但一次成型的三车道顶管隧道，嘉兴环线下穿南湖大道段顶管隧道尚属首例。

通过研究超大断面矩形顶管面断面受力分析、应力监测、土压力监测、倾斜角监测、相邻管缝的弹性变形监测的实测数据变化规律进行分析研究，数据实时预警分析指导施工，并提出矩形顶管施工过程中的变形控制措施，对类似工程具有重要参考价值。

1 工程概况嘉兴市市区快速路地道段位于嘉兴市南湖区长水路，东起纺工路西至新气象路，全长1996m。

其中下穿南湖大道区段采用超大断面类矩形土压平衡顶管法施工，断面为14.82m×9.446m（宽×高），是世界最大断面及首个三车道矩形顶管工程。

顶管隧道长度100.5m，两侧布置工作井，始发井位于南湖大道西侧，接收井位于南湖大道东侧。

先顶进北侧，到达接收井后拆运至始发井二次始发顶进南侧（如图1所示）。

图1顶管隧道平面图南北线结构净距1.2m，埋深5.68～6.54m，坡度5‰下坡。

如图2所示根据地勘报告，顶管隧道穿越地层主要为：④1粉质黏土：硬可塑，中等压缩性，干强度高，韧性高，物理力学性质较好。

④2砂质粉土：中密，中等压缩性，物理力学性质较好，遇水易液化。

勘察期间对钻孔内潜水稳定水位进行了实测，稳定水位埋深为0.50~2.90m，相应的稳定。

矩形顶管机的研究与发展矩形顶管机的研究与发展扬州广鑫重型设备有限公司余彬泉一、各种矩形顶管（盾构）机的介绍目前，常用于矩形的顶管（盾构）机大体有以下六种形式：多平行轴偏心传动形式的矩形顶管（盾构）机、刀排可伸缩形式的矩形顶管（盾构）机、多刀盘方形顶管机、大小刀盘组合式矩形顶管机、多刀盘的矩形顶管机和行星齿轮传动的正方形顶管机及其组合等。

1、多平行轴偏心传动形式的顶管（盾构）机它有四平行轴的圆形断面顶管（盾构）机如图—1所示。

图—1 四平行轴的矩形断面顶管（盾构）机多平行轴偏心传动形式的顶管（盾构）机的优点是可以做到全断面切削，但它的缺点是搅拌半径太小，因而对土体搅拌是不充分的。

正因为对土体搅拌的不充分性，所以就不太容易把土仓中的沙性土土搅拌成具有较好的塑性、流动性和不透水性，这也就限制了它的应用范围。

另外，它的刀架在切土过程中是在做平行移动，每当刀架往下做平行移动时，其反力就容易使顶管（盾构）机的壳体往上台，因此，在覆土层较浅的条件下施工时，会出现机头上漂移的现象，方向控制比较困难。

2、两个摆动可伸缩刀盘的矩形的顶管（盾构）机图—2 两个摆动可伸缩刀盘的矩形的顶管（盾构）机两个摆动可伸缩刀盘的矩形顶管机如图—2所示。

它有两个刀盘，且在平行于一个切削面上。

每个刀盘四根大刀排组做成。

每一个刀盘在切削土体时都各自向相反的方向转动。

但每当一个刀排向一个方向转满90度时，就会反过来向另一个相反的方向转动。

因此，它的每一个刀盘都是在做摆动旋转。

它的每一个大刀排内也都藏有一个可伸缩的辅助刀排，它的结构很复杂。

（a）（b）（c）（d）图—3 刀盘的动作的原理两个摆动可伸缩刀盘的动作的原理可参见图—3。

图中—3（a）是顶管机的正面。

若顶管机的高宽比小于1：2时，左右两个刀盘中，中间两个处于水平状态的刀排设计得最短，其余各自的三个大刀排都是一样长的。

如果把此时的状态当作0位，那末，假定当刀盘向顺时针转动45度时，就到达顶管机的四个角上，也是它伸得最长时。

矩形顶管技术发展与研究现状随着工程技术的逐步推进，当前现代化基础设施建设已经拥有了更加先进的技术体系，本文结合矩形顶管施工技术，首先分析了该项技术的发展基础及应用优势，其次阐述了国内矩形顶管技术的发展现状，最后阐述了在当前现代化基础设施建设领域，矩形顶管技术施工以及发展过程中遇到的难题，意在通过本文论述，为该项技术的发展奠定理论基础。

标签：大断面;矩形顶管;研究现状随着现代化城市建设需求的提升，传统的施工技术无法满足当前的多样化施工需求，因此，在尽量减少对地表开挖程度的基础上，矩形顶管施工法已经成为当前基础设施建设过程中应用较为普遍的高效率施工方式之一，该种方式能够有效提升地下空间施工以及管道施工效率，同时降低对地表形态的破坏，因此充分研究矩形顶管技术的发展基础，探究当前的发展现状，并且理清发展难题，对于矩形顶管技术的优化和创新有着积极的促进作用。

1顶管工艺发展的技术基础矩形顶管技术首次出现是在1892年，而首次将矩形顶管技术应用在混凝土管道建设中的项目是在1957年的德国[1]，该项目的实现成为众多建筑学者热议的话题，同时也成为了社会发展中的主流技术，此后针对顶管施工技术进行了大范围的技术创新，如在1972年，日本首先研发了一套以先导式掘进机为主的隧道挖掘技术，并且利用顶管施工结构中的千斤顶实现了独立的顶进控制体系。

该项技术在20世纪60年代中期传入我国，上海某企业针对当时的大口径机械式顶管进行了试验研发，建立在中继站的基础上实现了超远距离的顶管施工推进，最大距离达到了120 m[2]。

当前我国现代化矩形顶管技术的发展，得益于传统的矩形掘进机的发展，以及建立在优化的圆形顶管技术基础上实现的。

在20世纪90年代后，我国才真正的将顶管施工技术向矩形顶管施工方向进行转型。

从传统的圆形顶管施工技术和当前使用的矩形顶管施工技术的优势角度来看，矩形顶管施工技术能够进一步开发结构断面的利用价值，较传统的顶管隧道能够节约大量的空间。

盾构和矩形顶管机技术研究报告盾构与顶管机已广泛应用于地铁、公路、电力、热力、排水等城市隧道工程。

圆形隧道因其结构受力合理、施工工艺相对简单而广为采用。

与圆形断面相比,矩形断面有效使用面积通常大20%以上。

在城市隧道中人行地道、电缆沟、综合管廊等市政隧道工程尤以矩形最为经济。

一、矩形顶管机主要特点1、施工工作井比盾构工作井小，降低占地面积。

2、具有不开挖路面、不封闭交通、不搬迁管线、低噪音、无扬尘等优点。

3、在施工时，对周围土体扰动小，能有效的控制地面和管线沉降。

并能在市政管线与通道顶部垂直1米的距离穿越，而不破坏管线。

4、在同等截面下，矩形隧道比圆型隧道能更有效地利用地下空间。

二、矩形顶管机施工主要流程1、始发井施工2、预制砼管节5、掘进顶推6、准确贯通4、管节安装3、掘进机安装到位7、通道贯通 8、投入使用三、矩形顶管机技术研究（一）矩形顶管机类型1、可变网格式该型顶管机切口处安装有16格网格，用于切割及支护正面土体。

中间四格为可变网格，该四格网格可根据出土量和机头姿态控制方便地调节其开口率。

土体经网挤压后进入机头，采用人工出土。

2、小刀盘式该型顶管机有4台小刀盘切削土体，切削面积可达到整个面积的40％(包括螺旋机)，4台小刀盘可单独运转，通过编组运行可方便的控制机头的姿态。

它由螺旋输送机出土，可基本保持土压平衡，并维持开挖面的稳定。

3、滚刀式该型顶管机可全断面切削，两把滚刀可正反转，并可单独运转。

由螺旋输送机出土，可保持土压平衡，并维持开挖面的稳定。

4、组合刀盘式该型顶管机有l 台大刀盘及四把仿形刀组成切削刀组，能全断面切削，大刀盘及仿形刀能正反转。

由螺旋输送机出土，可保持土仓内的土压平衡和维持开挖面稳定。

（二）组合刀盘式土压平衡矩形顶管机组成1、矩形顶管机主机顶管机主机可分成前后两段，中间由多台纠偏油缸联接。

前后段之间的密封采用二道唇形橡胶密封圈。

正面由大刀盘及4把仿形刀对土体进行全断面切削。