城市矩形顶管施工技术及其展望

摘要：近年来，随着经济的飞速发展，我国的城市化进程逐渐加快，但同时地面可利用土地资源有限、交通拥堵等问题也日渐突出。为节省土地资源，充分利用地下空间，顶管施工技术于上世纪被引进至国内，并逐渐得到推广。文章在此对城市矩形顶管施工技术的原理及特点进行概述，并对其未来发展情况进行展望。

关键词：城市;矩形顶管;地下空间;有限空间

1引言

随着经济的持续向好发展，我国的城市化进程不断推进，各类高层建筑和基础设施呈现出井喷式发展，高楼和地面结构物林立，城市发展一片繁荣。但与此同时，地面可利用土体资源有限、交通拥堵等问题也日渐突出，影响着城市的可持续发展。为解决这一问题，地铁、地下通道、隧道等地下工程数量逐渐增多，以往城市地下构筑物的建造大多采用明挖的方法进行施工，这种方式耗时长、扰动大、污染高，并且在埋深较大的隧道中施工时这一方法时还存在一定的风险。伴随着科技的持续进步，顶管、盾构、TBM等机械施工方法被研发而出，并被广泛地应用到城市地下工程施工过程中。而矩形顶管凭借其成本相对较低、断面利用率高等优点，在短距离软土地层隧道施工中得到了广泛的应用，矩形顶管的应用对于加快城市建设、减轻交通拥堵、提升人民幸福满意度具有重要的作用。本文对矩形顶管的施工原理、应用范围、特点进行综合梳理，以帮助人们能够更加广泛的了解矩形顶管施工技术。

2  顶管技术发展概况

受盾构施工技术启发，美国于1896年的北太平洋铁路建设中开始使用顶管施工技术，采用油缸产生的推力推动顶管机及管节进行前进，其后液压油缸技术的发展又进一步推动了顶管技术的不断进步。顶管技术于上世界中期引入我国，但受我国当时科技水平的限制，顶管技术未得到有效的推广应用及深入研究。直至上世界八十年代，我国研判了顶管技术的优势及发展前景之后开始了对于顶管技术的科研攻关。1988年，上海成功研制了我国第一台顶管机，在其后的十年内，矩形顶管技术开始在国内得到工程应用，用于在上海地铁3号线陆家嘴站灰色淤泥粉质黏土地层中修建地下人行通道，该顶管为组合刀盘土压平衡矩形顶管机，矩形断面尺寸3.8*3.8m，顶进距离达62.25m。在其后的2004和2006年，上海市中环线虹许路北虹路下立交工程和上海轨道交通6号线浦电路站过街出入口工程中又再次使用了顶管技术进行施工，而后顶管施工技术逐渐开始在国内普及。

3  顶管机施工原理及应用优势

顶管机的工作原理一般为利用电机驱动刀盘旋转系统，使刀盘进行旋转切割土体。掉落的土体在土仓内不断被搅拌，经过与膨润土和泡沫的充分混合增加其流动性后，经过螺旋出土机带离土仓，而后经过专门的渣土输送装置排出顶管机内。在刀盘切割土体的同时，管节在千斤顶的作用下不断向前移动，使得刀盘始终贴近前方土体，保证掌子面前方土体的稳定。待顶进距离达到一个管节的长度之后，千斤顶收回全部行程，并使用龙门吊吊装下一管节至千斤顶行程范围内，将新管节与前一管节密切贴合，再采用千斤顶进行下一行程的顶进。

相对于传统的地下工程而言，矩形顶管施工技术的主要适用环境如下：（1）松软的土质地层;（2）穿越铁路、公路等复杂敏感建筑物时;（3）在人流量较多的地段施工时;（4）地下工程与地铁、房屋桩基等敏感结构相互近接施工时。同时，对比圆形顶管，矩形顶管具有如下优势：（1）矩形顶管的断面利用率更大，经过计算，相对于圆形顶管隧道，矩形顶管能节省大约20%左右的空间;（2）矩形顶管在城市各类联络通道，如下穿铁路、公路等人行隧道中更加适用;（3）矩形顶管能够更加适用于浅覆土环境，可大大降低地下工程施工的深度，降低施工成本。

4  顶管机种类

根据工程经验，通常可以直观的根据顶管机的外形、管道截面形状将矩形顶管机分为三类，平行中心轴式刀盘矩形顶管机、偏心多轴式刀盘矩形顶管机、中心轴偏心轴组合式刀盘矩形顶管。其中平行中心轴式顶管机的刀盘多为多刀盘前后错开布置和多刀盘在同一切割平面内布置两种形式，偏心多轴式顶管机主要采用的是矩形框架结构，其典型的特征为刀盘的掘进端面及四周均布置有十字刀头，中心轴偏心轴组合式矩形顶管一般为中心轴式圆刀盘中心布置、偏心轴式仿形摆动刀盘周边布置。上述三种刀盘的刀盘布置方式和截面形式虽然有较为明显的区别，但是其原理基本都为依靠电机带动刀盘旋转，从而切削土体创造出一定的地下空间，进行管节的拼装。

除开上述三种较为常见的管节形式之外，我国的科研人员根据顶管施工的技术原理及现场施工对于顶管机具的具体要求，在充分研究国内外顶管机施工技术之后，也进行了一定的创新，如中铁工程装备集团在行星齿轮式切削矩形顶管方面展开研究，该设备可在偏心驱动轴的作用下利用勒洛三角形刀盘直接开挖出正方形断面，对顶管行业的发展起到了积极的推动作用。

5  顶管机发展展望

在地下空间呈现出如火如荼之势的今天，矩形顶管在城市建设过程中有着极为广阔的应用前景。结合我国地下工程发展的实际情况，以及顶管施工技术的现阶段研究现状，对矩形顶管未来的发展提出一下几点展望：

（1）现阶段矩形顶管主要应用于软土地层，这与顶管自身存在一定的盲区这一固有属性有关，在硬岩和复合地层中盲区的存在会使顶管发生姿态偏转、刀盘卡死等一系列问题，影响施工进度。未来矩形顶管的研究应逐渐朝着硬岩和复合地层迈进，加快顶管机对于硬岩和复合地层的适应性。目前莆田市人行通道施工这一项目已在进行积极的探索，莆田站涉铁预埋项目部依托中铁装备研发出了适用于复合地层施工的“天妃一号”矩形顶管，现已运抵项目部进行拼装，期待该项目能够大获成功，为顶管的进一步应用开疆拓土。

（2）矩形顶管目前顶进的距离普遍较短，一般不超过两百米，矩形顶管的这一缺点在很大程度上限制了顶管在城市地区的进一步应用，未来应就这一点展开持续的科研攻关，减小顶管施工过程中的阻力，增大顶管的推进距离。

（3）以矩形顶管的研究为突破点，逐步开展异形顶管的研究，如馬蹄形顶管、椭圆形顶管等，加快顶管机对于隧道断面形状的适应性，扩大顶管的使用范围。

作者简介：吴运昌（1980-），男，汉族，江西上饶人，交通运输工学学士，任职于中国铁路南昌局集团有限公司，研究方向：铁路工程。