矩形隧道掘进机国内外概况和发展趋势

1.1国内外概况和发展趋势

目前世界上绝大多数盾构断面均为标准的圆形,因此我们将非圆形断面盾构称“异形断面盾构”。从历史上看,异形断面盾构的断面形式包括矩形（圆角矩形）、多圆相交的并列圆形、多段弧线相切围合形(日本称复合圆形)。本课题总体设计所选择的就是4段圆弧相切围合的形状，如图3所示。其外观接近椭圆，但数学方程式并非椭圆，我们将其命名为“类矩形”。

图3：类矩形盾构衬砌结构

1.１.１异形断面盾构的重生

图4 历史上第一台盾构机

由法国人Marc Isａmbａｒｄ Bｒuｎelｌ(１８2５年)建造的人类历史上第一台盾构机就是矩形断面的,如图４所示。因为对于使用功能而言,矩形的断面使用效率是最高的,而且从当时掌子面人工开挖的方式看来说,矩形断面最有利于挖掘工人的布置（由于当时施工能力的限制。1843年,采用这台11 m宽、6 m 高的矩形盾构机完成了３9６m长的泰晤士河隧道，开创了盾构法隧道的新天地。由于当时结构设计和施工技术的局限，该隧道的衬砌为砖砌双联拱结构，与

盾构外形并不匹配。

随着技术的发展,自纽约Pneuma ｔic Tr ａnsit 隧道(A ｌfred El ｙ Beach,1870）起,圆形衬砌结构由于受力合理迅速取代了矩形断面,见图5(ａ）；1８90年，连通美国与加拿大边境的S ｔ． Cla ｉr 铁路隧道盾构首次采用液压拼装机面,见图5（b ）;１９26年伦敦地铁首次采用了电驱动大刀盘切削正面土体，实现了全断面机械化开挖,见图5(c)。从此，圆形盾构由于衬砌结构经济性好,便于实现机械化开挖和衬砌拼装，迅速成为主流,矩形盾构在大约１00年的时间里成为被遗忘的技术。

(ａ) (b) (c ）

20世纪90年代以后，随着日本城市逐步由功能优先的现代化建设转向人居为本的后现代化建设，需要在本已拥挤的地下空间中建设地铁，地下化铁路，共同沟,地下道路等，由于《日本民法典》规定50米深度以内地下空间属于地面物业业主所有（２０01年修正案),往往面临狭小的道路无法布置双线隧道的问题，即使开发出40cm 极小间距施工的盾构技术也无济于事,唯一的办法是将两根隧道合为一体。90年代，此类隧道多采用双圆/多圆断面，但这种形式一般需设中柱或采用繁琐的结构托换／置换工艺，空间仍有浪费。因此,9０年代中期以后

,

图5：早期盾构技术沿革

随着异形断面刀盘技术的成熟，断面利用效率更高，结构形式更简洁的类矩形盾构逐步取代了双圆/多圆盾构。2０05年之后,已经检索不到日本双圆盾构的施工案例。

图2 日本并列圆形盾构

上海于2002年引进了日本的双圆盾构技术，并用于轨道交通8号线、6号线、和2号线东延伸段施工。大部分施工效果良好,但也发现其虽然能够达到较高的环境保护标准，但是控制技术相对复杂,对施工管理要求较高，隧道空间使用弹性不大,泵房施工繁琐。台湾也引进了此类盾构,评价与此类似。目前，尚无新的双圆盾构应用计划。

自１994年至今，日本共研发矩形和复合圆形(类矩形)盾构１4种，见附表1所示。其中10、神奈川６号川崎线盾构为MＭST工法所用的超前支护盾构,其主隧道断面为矩形,但超前支护盾构的本质为小型并列多圆盾构，虽然算作矩形盾构,但技术特征与使用方法差异很大。

值得指出的是,目前研发异形断面盾构并付诸实际应用的只有我国和日本。究其原因还是由于东西方城市发展的模式的差异导致市场需求的差异。除纽约外,

美国大多数城市结构比较疏散，地下空间开发的强度并不高；欧洲城市往往面临及其严格的古建筑保护法规,城市核心区地下工程总量也不大，更加趋向于建设新城。

附表1:日本矩形／复合圆形盾构一览表

序号工程图片尺寸/m类型/刀盘机长／

ｍ

年份

１習志野市菊田川

2号幹線管渠建

設工事3.98×４.

３8

土压平衡／

偏心多轴

6．0５19９4

2光辉大街地下通

道建设工程７.81×

4.98

土压平衡/摆

动仿形刀盘

６.551９9７

3鹿儿岛市草牟田

排水管道改建工2.35

╳

２.9５

土压平衡/偏

心多轴

199８

4大堀川右岸第8

号雨水幹線4．52×3．92泥水平衡/滚

筒刀盘

1９99

5宫城县盐灶市雨

水干线3．40×

１.70

敞开/胸板支

护

200０

6京都市今出川分

水管道改建4.３0×

４.9０

土压平衡/仿

形刀盘

200１

７京都市地下鉄東

西線六地蔵北工

区6．8７×１

0.24

土压平衡／

摆动仿形刀

盘

9．33２002

8横断石田地下人

行通道建设工程3.8３×

4.28

土压平衡/行

星刀盘

7.３6

５

2０

０3

9试验机 4.8×２.１

５土压平衡／

双行星刀盘

20０

5

10神奈川6号川崎

线

*用于大断面隧

道周边超前支护3.9×

８.8(卧式)

7.85×3．１

9（立式)

土压平衡/普

通刀盘

1０.09

（卧

式)

９.72

（立

式）

2０

07

１1国道20号新宿

地下步行道工程７．82×４.

７2

敞开式２０

0８