城市矩形頂管施工技術(shù)及其展望

摘要：近年來，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國的城市化進程逐漸加快，但同時地面可利用土地資源有限、交通擁堵等問題也日漸突出。為節(jié)省土地資源，充分利用地下空間，頂管施工技術(shù)于上世紀(jì)被引進至國內(nèi)，并逐漸得到推廣。文章在此對城市矩形頂管施工技術(shù)的原理及特點進行概述，并對其未來發(fā)展情況進行展望。

關(guān)鍵詞：城市;矩形頂管;地下空間;有限空間

1引言

隨著經(jīng)濟的持續(xù)向好發(fā)展，我國的城市化進程不斷推進，各類高層建筑和基礎(chǔ)設(shè)施呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展，高樓和地面結(jié)構(gòu)物林立，城市發(fā)展一片繁榮。但與此同時，地面可利用土體資源有限、交通擁堵等問題也日漸突出，影響著城市的可持續(xù)發(fā)展。為解決這一問題，地鐵、地下通道、隧道等地下工程數(shù)量逐漸增多，以往城市地下構(gòu)筑物的建造大多采用明挖的方法進行施工，這種方式耗時長、擾動大、污染高，并且在埋深較大的隧道中施工時這一方法時還存在一定的風(fēng)險。伴隨著科技的持續(xù)進步，頂管、盾構(gòu)、TBM等機械施工方法被研發(fā)而出，并被廣泛地應(yīng)用到城市地下工程施工過程中。而矩形頂管憑借其成本相對較低、斷面利用率高等優(yōu)點，在短距離軟土地層隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用，矩形頂管的應(yīng)用對于加快城市建設(shè)、減輕交通擁堵、提升人民幸福滿意度具有重要的作用。本文對矩形頂管的施工原理、應(yīng)用范圍、特點進行綜合梳理，以幫助人們能夠更加廣泛的了解矩形頂管施工技術(shù)。

2 ?頂管技術(shù)發(fā)展概況

受盾構(gòu)施工技術(shù)啟發(fā)，美國于1896年的北太平洋鐵路建設(shè)中開始使用頂管施工技術(shù)，采用油缸產(chǎn)生的推力推動頂管機及管節(jié)進行前進，其后液壓油缸技術(shù)的發(fā)展又進一步推動了頂管技術(shù)的不斷進步。頂管技術(shù)于上世界中期引入我國，但受我國當(dāng)時科技水平的限制，頂管技術(shù)未得到有效的推廣應(yīng)用及深入研究。直至上世界八十年代，我國研判了頂管技術(shù)的優(yōu)勢及發(fā)展前景之后開始了對于頂管技術(shù)的科研攻關(guān)。1988年，上海成功研制了我國第一臺頂管機，在其后的十年內(nèi)，矩形頂管技術(shù)開始在國內(nèi)得到工程應(yīng)用，用于在上海地鐵3號線陸家嘴站灰色淤泥粉質(zhì)黏土地層中修建地下人行通道，該頂管為組合刀盤土壓平衡矩形頂管機，矩形斷面尺寸3.8*3.8m，頂進距離達62.25m。在其后的2004和2006年，上海市中環(huán)線虹許路北虹路下立交工程和上海軌道交通6號線浦電路站過街出入口工程中又再次使用了頂管技術(shù)進行施工，而后頂管施工技術(shù)逐漸開始在國內(nèi)普及。

3 ?頂管機施工原理及應(yīng)用優(yōu)勢

頂管機的工作原理一般為利用電機驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使刀盤進行旋轉(zhuǎn)切割土體。掉落的土體在土倉內(nèi)不斷被攪拌，經(jīng)過與膨潤土和泡沫的充分混合增加其流動性后，經(jīng)過螺旋出土機帶離土倉，而后經(jīng)過專門的渣土輸送裝置排出頂管機內(nèi)。在刀盤切割土體的同時，管節(jié)在千斤頂?shù)淖饔孟虏粩嘞蚯耙苿?，使得刀盤始終貼近前方土體，保證掌子面前方土體的穩(wěn)定。待頂進距離達到一個管節(jié)的長度之后，千斤頂收回全部行程，并使用龍門吊吊裝下一管節(jié)至千斤頂行程范圍內(nèi)，將新管節(jié)與前一管節(jié)密切貼合，再采用千斤頂進行下一行程的頂進。

相對于傳統(tǒng)的地下工程而言，矩形頂管施工技術(shù)的主要適用環(huán)境如下：（1）松軟的土質(zhì)地層;（2）穿越鐵路、公路等復(fù)雜敏感建筑物時;（3）在人流量較多的地段施工時;（4）地下工程與地鐵、房屋樁基等敏感結(jié)構(gòu)相互近接施工時。同時，對比圓形頂管，矩形頂管具有如下優(yōu)勢：（1）矩形頂管的斷面利用率更大，經(jīng)過計算，相對于圓形頂管隧道，矩形頂管能節(jié)省大約20%左右的空間;（2）矩形頂管在城市各類聯(lián)絡(luò)通道，如下穿鐵路、公路等人行隧道中更加適用;（3）矩形頂管能夠更加適用于淺覆土環(huán)境，可大大降低地下工程施工的深度，降低施工成本。

4 ?頂管機種類

根據(jù)工程經(jīng)驗，通?？梢灾庇^的根據(jù)頂管機的外形、管道截面形狀將矩形頂管機分為三類，平行中心軸式刀盤矩形頂管機、偏心多軸式刀盤矩形頂管機、中心軸偏心軸組合式刀盤矩形頂管。其中平行中心軸式頂管機的刀盤多為多刀盤前后錯開布置和多刀盤在同一切割平面內(nèi)布置兩種形式，偏心多軸式頂管機主要采用的是矩形框架結(jié)構(gòu)，其典型的特征為刀盤的掘進端面及四周均布置有十字刀頭，中心軸偏心軸組合式矩形頂管一般為中心軸式圓刀盤中心布置、偏心軸式仿形擺動刀盤周邊布置。上述三種刀盤的刀盤布置方式和截面形式雖然有較為明顯的區(qū)別，但是其原理基本都為依靠電機帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，從而切削土體創(chuàng)造出一定的地下空間，進行管節(jié)的拼裝。

除開上述三種較為常見的管節(jié)形式之外，我國的科研人員根據(jù)頂管施工的技術(shù)原理及現(xiàn)場施工對于頂管機具的具體要求，在充分研究國內(nèi)外頂管機施工技術(shù)之后，也進行了一定的創(chuàng)新，如中鐵工程裝備集團在行星齒輪式切削矩形頂管方面展開研究，該設(shè)備可在偏心驅(qū)動軸的作用下利用勒洛三角形刀盤直接開挖出正方形斷面，對頂管行業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動作用。

5 ?頂管機發(fā)展展望

在地下空間呈現(xiàn)出如火如荼之勢的今天，矩形頂管在城市建設(shè)過程中有著極為廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合我國地下工程發(fā)展的實際情況，以及頂管施工技術(shù)的現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀，對矩形頂管未來的發(fā)展提出一下幾點展望：

（1）現(xiàn)階段矩形頂管主要應(yīng)用于軟土地層，這與頂管自身存在一定的盲區(qū)這一固有屬性有關(guān)，在硬巖和復(fù)合地層中盲區(qū)的存在會使頂管發(fā)生姿態(tài)偏轉(zhuǎn)、刀盤卡死等一系列問題，影響施工進度。未來矩形頂管的研究應(yīng)逐漸朝著硬巖和復(fù)合地層邁進，加快頂管機對于硬巖和復(fù)合地層的適應(yīng)性。目前莆田市人行通道施工這一項目已在進行積極的探索，莆田站涉鐵預(yù)埋項目部依托中鐵裝備研發(fā)出了適用于復(fù)合地層施工的“天妃一號”矩形頂管，現(xiàn)已運抵項目部進行拼裝，期待該項目能夠大獲成功，為頂管的進一步應(yīng)用開疆拓土。

（2）矩形頂管目前頂進的距離普遍較短，一般不超過兩百米，矩形頂管的這一缺點在很大程度上限制了頂管在城市地區(qū)的進一步應(yīng)用，未來應(yīng)就這一點展開持續(xù)的科研攻關(guān)，減小頂管施工過程中的阻力，增大頂管的推進距離。

（3）以矩形頂管的研究為突破點，逐步開展異形頂管的研究，如馬蹄形頂管、橢圓形頂管等，加快頂管機對于隧道斷面形狀的適應(yīng)性，擴大頂管的使用范圍。

作者簡介：吳運昌（1980-），男，漢族，江西上饒人，交通運輸工學(xué)學(xué)士，任職于中國鐵路南昌局集團有限公司，研究方向：鐵路工程。