上海城建集團副總裁 周文波博士
編者按：隨著社會(hui) 經濟的迅猛發展和城市化進程的不斷加快，地下空間開發已成為(wei) 擴展人們(men) 生活空間的重要手段。《國家新型城鎮化規劃（2014—2020年）》更是提出了“優(you) 化城市空間結構”的理念，國家住建部提出了“加強城市軌道交通線網規劃”的要求，可見對地下空間的有效利用已倍加重視。
交通設施是城市地下空間的主要應用對象，其涵蓋了城市地下通道、地鐵和隧道。而當前地下交通設施的建設與(yu) 周邊環境的相互關(guan) 係愈加受到製約和重視，傳(chuan) 統“開膛破肚”式的大拆大建問題突顯，精準控製、悄然暗挖的自動化、精細化的盾構法則充分展現了其環境友好的優(you) 勢。長久以來，盾構法隧道的斷麵形狀基本為(wei) 圓形，易於(yu) 實現切削的圓形斷麵、相對合理的結構受力體(ti) 係，掩蓋了其空間利用率低、地下空間占用大的不足。
從(cong) 隧道的使用功能來分析，矩形斷麵最為(wei) 合適、經濟，可顯著增大其有效使用麵積，有效節省地下空間資源；同時還提高了隧道在狹窄道路或高層建築間的穿行能力。隨著去年鄭州緯四路、紅專(zhuan) 路下穿中州大道的矩形隧道相繼通車，超大斷麵矩形隧道的應用再度引發熱議。帶著眾(zhong) 多疑問，本刊記者近日走訪了一直走在米兰体育開發前列的上海城建集團,與(yu) 副總裁周文波博士就矩形隧道的曆史、現狀和未來進行了深入探討。
曆史與(yu) 優(you) 勢
矩形隧道曆史悠久
眾(zhong) 所周知，世界最早的盾構法隧道是1825年開始建造的英國倫(lun) 敦穿越泰晤士河底隧道，其斷麵為(wei) 11.4m×6.8m的矩形，長度為(wei) 396m。法國工程師布魯諾爾（Mare Isambard Brunel）為(wei) 挖掘隧道設計了一個(ge) 大型構架，即最早的盾構機。盾構機分成36個(ge) 小單元，每個(ge) 單元內(nei) 有一名礦工挖掘前方的粘土。當每位礦工挖去同一數量的粘土時，構架就向前移動，挖空的地方被鋪上磚塊。該條矩形盾構法隧道耗時18年建成（如圖1所示）。
圖1 用於(yu) 泰晤士河底隧道的Sir Marc Isambard Brunel盾構
1865年首次采用圓形盾構建造隧道，由於(yu) 圓形隧道具有結構受力好、設備製造簡單和推進軸線容易控製等優(you) 點，故在此後的100餘(yu) 年內(nei) ，幾乎所有的盾構隧道斷麵全都采用圓形。
異形斷麵發展迅速
20世紀70年代以來，盾構掘進機施工技術有了新的飛躍，開發了局部氣壓盾構、泥水加壓盾構和土壓平衡盾構。尤其是日本，隨著經濟的發展以及地下空間開發和利用的需求，促進了盾構米兰体育的進一步發展。日本地域狹窄、人口密度大，各城市均呈現高密度建設，因此該國十分重視城市立體(ti) 空間的綜合利用。許多城市積極開發利用地下空間資源，確實起到了緩解城市交通壓力、集約土地資源、實現城市空間立體(ti) 開發、增加社會(hui) 經濟效應的作用。毫無疑問，它是城市可持續發展的重要途徑。
至80年代後，日本就掀起了開發異形斷麵盾構掘進機的高潮，先後實施了橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道、矩形隧道掘進機及施工技術的試驗研究和工程應用（如圖2示）。
a.雙圓隧道 b.三圓盾構 c.矩形盾構
圖2 日本異形斷麵盾構機照片
在眾(zhong) 多斷麵的米兰国际在线娱乐工法中，以雙圓盾構和矩形盾構隧道最具生命力。其中，日本雙圓盾構開發於(yu) 1981年，至2005年完成工程12項；但隨著刀盤切削的矩形盾構米兰体育在1994年的開發成功，並通過16項工程的應用驗證，其已初具取代雙圓米兰体育的趨勢。
1994年，石川島播磨重工研製了DPLEX偏心多軸刀盤式土壓平衡矩形盾構，開啟了刀盤切削矩形盾構先河；隨後大豐(feng) 建設采用4.38m×3.98m的DPLEX矩形盾構，在千葉縣習(xi) 誌野市菊田川2號幹線掘進了2條並列的矩形排水隧道。2002年，京都地鐵東(dong) 西線醍醐至六地藏延伸工程采用了擺動式刀盤矩形盾構機，成功建成了斷麵外徑9.9×6.5m、長753.2m的矩形隧道。至2011年，東(dong) 京相模縱貫川尻隧道工程使用了8.24×11.96m敞開式矩形盾構機（如圖3所示）。
圖3 日本矩形盾構機發展曆程
矩形隧道優(you) 勢明顯
隨著城市的發展，對地下隧道的空間利用和隧道建設與(yu) 周邊環境的相互關(guan) 係愈加受到重視和製約，因此，矩形隧道的斷麵優(you) 點再次進入了人民的視野。從(cong) 隧道的使用功能來分析，城市交通人行地道、地下共同溝等隧道的斷麵形式以矩形最為(wei) 合適，最為(wei) 經濟。在擁有相等有效空間的情況下，矩形斷麵能節約35%以上的地下空間，且可以大大減小隧道的埋深（如圖4所示）。
圖4 矩形隧道和圓形隧道有效空間對比圖
矩形隧道的特點可以總結為(wei) 4個(ge) 方麵：
①能充分利用結構斷麵，提高有效麵積的使用率，節約地下空間資源；
②合理的形狀分布，減少了土地征用量和掘進麵積；
③提高隧道在狹窄道路或高層建築間的穿行能力，減小對周邊環境的影響範圍；
④ 單次掘進就可一次形成雙線隧道，合理實施可節約工期。
通過矩形隧道工法與(yu) 當前常規的單圓隧道、大直徑隧道和雙圓隧道工法的比較可見，矩形隧道的綜合優(you) 勢比較明顯（如表1所示）。
表1 矩形、圓隧道綜合分析比較表
現狀與(yu) 曆程
矩形隧道中國現狀
日本在開發矩形隧道的技術方麵一直走在世界前列，中國的矩形米兰体育也緊隨日本起步於(yu) 1995年，以矩形頂管隧道為(wei) 主。當時，上海隧道工程股份有限公司（簡稱“上海隧道股份”）研發了矩形頂管及施工技術，運用研製的2.5m×2.5m可變網格式矩形頂管掘進機試驗了60m隧道。隨後研製的3.8m×3.8m組合刀盤式矩形頂管掘進機成功應用於(yu) 地鐵車站出入口、地下連通道等工程領域。此後，又開發研製了6m×4m偏心多軸式、6.9m×4.2m三刀盤組合式、6.9m×4.2m行星刀盤式土壓平衡矩形頂管掘進機，並相繼完成近40條矩形隧道。2005年起，上海建工集團機施公司、中鐵二局集團有限公司等施工企業(ye) 也相繼采用矩形頂管施工隧道。此後，隨著人行斷麵矩形頂管法米兰体育的不斷成熟，矩形頂管法米兰体育在上海、南京、武漢、鄭州、寧波、湖州、舟山、佛山、淮安、包頭等城市得到成功應用。由於(yu) 矩形頂管技術的成功，也帶動了國內(nei) 隧道領域對矩形（異形）盾構法米兰体育的探索、研究和實踐。
2002年，上海隧道股份首次引進了日本的雙圓盾構機，在上海地鐵8號線黃興(xing) 路站～開魯路站區間成功建造了長2688m的6．3m×10．9m（外徑×寬度）雙圓隧道。此後又相繼建成5個(ge) 工程，總長度達11611m，同時總結出一整套DOT盾構施工技術。由於(yu) 雙圓盾構存在中部海鷗形凹槽，易產(chan) 生背土導致地表隆起，因此該項技術對地表沉降的施工控製技術要求較高。2014年，上海建工集團機施公司開始研究運用9.75m×4.95m矩形盾構機於(yu) 上海虹橋地區地下通道的試驗；由於(yu) 采用了8個(ge) 小刀盤和大分塊複合夾層管片（外鋼內(nei) 砼），隧道建設麵臨(lin) 切削和工程成本高等問題。同年，上海隧道股份開始針對公路和地鐵需求分別研究11.5m×7m級別的矩形盾構法米兰体育。在2015年1月，上海隧道股份承建寧波市軌道交通3號線一期出入段線矩形盾構工程，由此開展實質性研究和工程應用。中國矩形（異形）隧道發展情況如圖5所示。
圖5 中國矩形（異形）隧道發展情況
2.5m×2.5m可變網格式矩形頂管機的研製和試驗
20世紀90年代，矩形頂管機作為(wei) 一門新興(xing) 技術，在缺乏經驗和認識的情況下，上海隧道股份針對矩形頂管機的技術關(guan) 鍵進行試驗研究，以收集第一手的資料和數據，為(wei) 今後開發、研製先進的矩形斷麵掘進機積累經驗。
試驗工程位於(yu) 南匯縣航頭地區，頂進距離為(wei) 60m，覆土深度為(wei) 6.45m。頂管機所穿越的土層為(wei) 灰色淤泥質黏土、灰色淤泥質粉質黏土和灰色砂質粉土。
工程采用了2.5m×2.5m矩形頂管機，利用網格切割土體(ti) ，並擋住開挖麵土體(ti) 有效防止正麵土體(ti) 坍塌，以人工出土方法進行開挖。頂管機包含四個(ge) 可變網格，切口環處安裝變角切口，還配備糾偏油缸和殼體(ti) 糾轉裝置，可有效控製正麵土體(ti) 穩定、機頭姿態，且有利於(yu) 糾正轉角。2.5m×2.5m可變網格式矩形掘進機及工程試驗如圖6所示。
圖6 2.5m×2.5m可變網格式矩形掘進機及工程試驗
矩形隧道工程試驗的成功，標誌著我國該項技術應用己進入實質性啟動階段，它填補了我國矩形頂管施工技術的空白，為(wei) 該項技術的工程應用提供了設計依據和施工經驗。
3.8m×3.8m第一代矩形頂管機的研製和應用
1999年3月，上海隧道股份研製了一台 3.8m×3.8m組合刀盤式土壓平衡矩形掘進機。該頂管機在大刀盤後側(ce) 一共安裝了四把仿形刀，兩(liang) 把在刀盤正轉時使用，另兩(liang) 把在刀盤反轉時使用。另外，在機頭殼體(ti) 頂部安裝有漿管，並開設壓漿槽，使土體(ti) 與(yu) 殼體(ti) 上平麵之間形成一泥漿膜，以減少土體(ti) 同殼體(ti) 的摩擦力，防止背土現象的發生。
隨後，該頂管機首次應用於(yu) 陸家嘴車站5號出入口地下通道工程，順利穿越了延安東(dong) 路隧道2條引道和陸家嘴路眾(zhong) 多地下管線，建成了2條3×3m長62m的矩形人行地道。工程實踐證明，3.8m×3.8m組合刀盤式土壓平衡矩形頂管機施工性能優(you) 良，速度快，機械化程度高，平均日推進5m，最高日推進8m。以後，該型號頂管機又陸續完成了上海地鐵4號線浦東(dong) 南路站過街人行地道、昆山市長江南路地下人行通道和上海上中路箱涵排管等多項工程。3.8m×3.8m組合刀盤式矩形掘進機及工程應用如圖7所示。
圖7 3.8m×3.8m組合刀盤式矩形掘進機及工程應用
6m×4m第二代矩形頂管機的研製和應用
2002年11月，上海隧道股份在消化吸收日本異型盾構技術的基礎上，設計製造了一台截麵尺寸1.2m×1m馬蹄形的偏心多軸刀盤式掘進試驗機。針對不同土層的性質和技術參數，進行了偏心多軸刀盤式掘進機的切削性能和相關(guan) 技術參數的針對性模擬試驗。在原有的矩形隧道掘進應用工程的基礎上，研製了一台6m×4m偏心多軸式刀盤土壓平衡矩形隧道掘進機，在寧波市開明街-藥行街地下通道和地鐵車站過街人行地道等多項工程中得到應用。
6m×4m偏心多軸刀盤式矩形掘進機優(you) 勢如下：可對矩形隧道斷麵進行全斷麵切削，並能保持開挖麵的土壓平衡；將大斷麵的切削斷麵分割為(wei) 二，減少了偏心軸的運轉半徑，降低切削驅動扭矩；兩(liang) 個(ge) 刀盤同步異向轉動，避免了因刀盤單向旋轉產(chan) 生的外力致使掘進機發生偏移；切削刀盤轉動半徑小，切削刀頭滑動距離小，減少了刀頭的磨耗，有利於(yu) 長距離掘進。6m×4m偏心多軸刀盤式矩形掘進機及工程應用如圖8所示。
圖8 6m×4m偏心多軸式刀盤土壓平衡矩形掘進機及應用工程
6.9m×4.2m和10.4m×7.5m第三、四代矩形頂管機的研製和應用
隨著工程規模的增大，以往的設備和施工已不能適應於(yu) 需求。在確立了偏心多軸的刀盤組合方式後，矩形掘進機向著大斷麵的方向發展。隧道股份先後研製了斷麵為(wei) 6.9m×4.2m和10.4m×7.5m兩(liang) 代機器（如圖9、圖10所示），並全部應用於(yu) 鄭州中州大道下穿隧道項目，其中後者斷麵為(wei) 目前世界最大。
圖9 第三代 矩形掘進機6.9m×4.2m圖 10第四代 矩形掘進機10.4m×7.5m
鄭州市下穿中州大道隧道工程是國內(nei) 首次應用最大斷麵矩形頂管施工的地下車行隧道。工程建設規模為(wei) 機動車雙向四車道、兩(liang) 側(ce) 各設非機動車道、人行道，道路等級為(wei) 城市主幹路，計算車速為(wei) 40km/h。車行道外徑為(wei) 10.4m×7.5m，人行道外徑為(wei) 6.9m×4.2m。隧道建成後的效果如圖11所示。
圖11 鄭州市下穿中州大道隧道工程效果圖
針對超大斷麵的特性，工程技術人員在裝備和施工控製技術上進行了革新，特別是矩形全斷麵切削、減摩泥漿、自動控製等方麵。
●刀盤切削係統實現100%切削：前所未有的大尺寸對設備的設計製造提出了更高的要求，尤其是刀盤切削效率問題。研發了1個(ge) 主心大刀盤和4個(ge) 偏心刀盤的創新組合方式，多種類刀具配置，有效實現了特殊斷麵的全麵切削，切削率達到100%。10.4m×7.5m矩形頂管模型圖如圖12所示。
圖12 10.4m×7.5m矩形頂管模型圖
●自動減摩注漿係統：首次采用減摩泥漿的自動壓注係統，實現關(guan) 鍵部位管節注漿中央集控，所有管節電動控製。
●一體(ti) 化多模式控製係統：首次將主機、主頂、泥漿套、土體(ti) 改良等子係統通過數據總線連接，形成一體(ti) 化自動控製係統。該係統具有集中控製、遠程控製、就地控製三種模式。一般情況下以集中控製為(wei) 主，應急狀態下就地控製。米兰国际在线娱乐期間和貫通照片如圖13所示。
圖13 米兰国际在线娱乐期間和貫通照片
鄭州市下穿中州大道隧道工程的首條7.5m×10.4m矩形頂管隧道於(yu) 2014年3月31日貫通，並與(yu) 2014年11月30日試通車。
創新與(yu) 未來
矩形米兰体育創新
近年來，國內(nei) 在矩形隧道方麵得到了較快的發展。目前矩形隧道斷麵尺寸已經能滿足雙線地鐵和兩(liang) 車道機動車運行的要求；在矩形全斷麵切削方麵，我們(men) 已實踐了多種全斷麵切削形式，圓形刀盤和偏心刀盤或行星刀盤等方式已滿足全斷麵切削要求；矩形頂管隧道，在國內(nei) 已建成了一定數量的工程，工程質量滿足設計要求，技術已日趨成熟。
相比矩形頂管隧道，矩形盾構隧道應用範圍更為(wei) 廣泛，能滿足頂管技術難以解決(jue) 的長距離掘進和較小曲率半徑隧道的施工，建設期間對周邊環境影響更為(wei) 可控。
在矩形盾構隧道的施工方麵，我們(men) 對管片結構進行了一定的研究，並取得了初步成果，設計的11m級別寬度的管片已滿足結構受力計算要求，但目前我國矩形盾構米兰体育還有很多方麵有待研究和工程驗證，而其發展應就矩形隧道本質進一步加深認識。因此，矩形盾構技術可以從(cong) 三方麵著手，並結合工程進一步開展創新研究。
（1）大斷麵矩形盾構隧道設計技術創新
針對雙線地鐵和兩(liang) 機動車道公路隧道的限界尺寸，設計相適應的矩形隧道斷麵，從(cong) 提高地下空間利用率和控製建設成本中尋求平衡；根據隧道功能選擇合理設置中間立柱和管片分塊形式，以改善矩形的結構受力；根據隧道變形特性設計結構防水。
（2）矩形盾構機設備製造創新
基於(yu) 矩形隧道管片設計，確定矩形盾構機的斷麵尺寸，設計合理的全斷麵切削刀盤和拚裝機形式，並對長距離、急曲線半徑的盾構設備糾偏功能和可靠性進行專(zhuan) 項研究。
（3）矩形盾構施工關(guan) 鍵技術創新
根據矩形隧道的管片和盾構機，結合工程地質水文和環境條件，研究獲取矩形盾構施工地層擾動影響規律和隧道變形規律，完善矩形盾構全斷麵切削技術、姿態控製技術、管片拚裝技術、同步注漿技術和隧道穩定控製技術。
矩形隧道未來需求
矩形隧道作為(wei) 眾(zhong) 多斷麵形狀中的一種，已在世界範圍內(nei) 有了一定應用。隨著我國城市的發展，市政建設日新月異，它作為(wei) 城市交通中繁忙路口的人行通道和電力、通訊等的電纜隧道或合用通道等來說是極為(wei) 理想的形狀。另一方麵，市區施工場地一般比較狹小，應用矩形斷麵隧道更有其特殊的優(you) 點。
麵對如此廣闊的市場，上海隧道股份正在上海市國資委和經信委的強力支持下展開係統化技術研究，致力於(yu) 開發空間利用和諧、結構安全可靠和經濟成本合理的矩形盾構法米兰体育。屆時，地下工程大斷麵非開挖技術將登上一個(ge) 新的台階，我們(men) 共同期待城市建設“滿城挖”的現象將會(hui) 大為(wei) 改善，城市生活將變得更美好。
周文波：博士，教授級高工，博士生導師，享受國務院政府特殊津貼專(zhuan) 家，國家科技獎勵評審專(zhuan) 家，上海城建集團副總裁，總工程師（兼）。國際隧道協會(hui) 會(hui) 員，英國皇家特許建造學會(hui) 及英國土木工程師學會(hui) 資深會(hui) 員。