鄭永光， 薛廣記， 陳金波， 龐文卓

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州　450016)

0　引言

隨著我國海綿城市、城市立體交通、人防工程等基礎設施建設的深入推進，隧道斷面呈現(xiàn)多樣化需求。未來幾年，國內綜合管廊、地下停車場、地鐵、公路和鐵路等建設領域將有大量異形斷面(非圓形斷面)空間開發(fā)需求。以往，異形隧道多采用礦山法或明挖法施工，不僅安全性差、施工效率低(僅為盾構法的1/3)、施工環(huán)境惡劣，而且嚴重影響民眾日常生產(chǎn)和生活；另一方面，常規(guī)圓形盾構難以滿足狹窄地下空間、淺覆土和高空間利用率的隧道施工要求。為克服傳統(tǒng)異形隧道施工工法與設備的不足，滿足巨大的市場需求，異形斷面掘進機應運而生，目前已成功應用于城市地下綜合管廊、城市過街通道、地鐵正線、地鐵出入口、地下停車場、山嶺公路、鐵路雙線隧道建設等領域[1-3]。

異形掘進機源于圓形隧道掘進機，主要包括矩形、馬蹄形、雙圓形等類型，是集機、電、液、傳感、通訊于一體，涉及多學科領域的高端智能裝備； 但其又不同于圓形隧道掘進機，隧道斷面由圓形到非圓形的改變，將面臨異形全斷面切削、異形護盾結構設計、復雜位姿測控、異形管片拼裝、異形掘進機施工等諸多難題[4-7]。對此，國內通過“政產(chǎn)學研用”協(xié)同科研攻關，開啟了異形掘進機研發(fā)之路，自1995年國內首臺矩形隧道掘進機(網(wǎng)格式，2.5 m×2.5 m)問世以來，到2013年的超大斷面矩形頂管機(10.12 m×7.27 m)和2015年的類矩形盾構(11.83 m×7.27 m)，再到2016年的超大斷面馬蹄形盾構(11.90 m×10.95 m)，經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國異形掘進機已形成一套全面的技術體系，并孵化出眾多創(chuàng)新產(chǎn)品。

本文主要回顧我國異形掘進機的發(fā)展歷程和取得的成就，闡述取得的關鍵技術突破，介紹異形掘進機在我國隧道建設中的應用情況，并對異形掘進機發(fā)展的局限性及未來發(fā)展方向提出幾點思考。鑒于雙圓盾構已比較成熟，且在我國近年來的發(fā)展較為緩慢，故不做介紹。

1　國內異形掘進機發(fā)展歷程

20多年來，我國異形掘進機研發(fā)取得快速發(fā)展，并取得可喜成果。目前國內異形掘進機生產(chǎn)廠家主要有中鐵裝備、上海隧道、揚州廣鑫等，立項縱向課題和橫向課題20余項。我國異形掘進機的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個階段。

1.1　第1階段： 模仿跟隨階段

1.1.1“變網(wǎng)格式矩形頂管機研制”(1995—1999年)

網(wǎng)格式矩形頂管機如圖1所示，通過前端網(wǎng)格的開閉控制進土量，進而實現(xiàn)土艙壓力平衡，并由主頂裝置推動機頭向前運動。機頭分成前后2段，中間由糾偏油缸連接，在殼體兩側裝有糾轉裝置。網(wǎng)格中包含4個可變網(wǎng)格，可以調整機頭正面的進土量，有利于控制正面土體的穩(wěn)定性。該設備為矩形頂管的原型機，應用案例見表1，樣機完成后在上海市南匯縣航頭鎮(zhèn)的原上海隧道試驗基地的試驗工程中取得成功應用，后期成果應用在南京地鐵聯(lián)絡通道中。

圖1　網(wǎng)格式矩形頂管機

工程項目名稱年份隧道用途掘進里程/m地質條件頂管機類型頂管機尺寸/(m×m)　上海南匯縣航頭試驗工程1995試驗60　淤泥質黏土、砂質粉土網(wǎng)格式2.5×2.5

1.1.2“大斷面土壓矩形隧道掘進機研究與應用”(2003—2012年)

在科研項目“矩形頂管機及矩形隧道的研究與應用”的支持下，1999年國內完成首臺3.8 m×3.8 m組合刀盤式矩形頂管機的研制，并成功用于上海地鐵2號線陸家嘴5號出入口施工。此后，國內立項多個“大斷面土壓矩形隧道掘進機及應用技術研究”科研項目，在大斷面(6～7 m級)矩形頂管領域取得眾多成果，并在寧波市藥行街地下通道等項目中得到成功應用，如表2所示。

表2中4種大斷面土壓矩形頂管機具有相似結構，均在盾體系統(tǒng)的支護下通過切削系統(tǒng)切削土體，渣土通過螺旋輸送機排出隧道，并利用工作井內頂推系統(tǒng)推動頂管機和管節(jié)前進，從而達到鋪設管道的目的。其區(qū)別主要在于切削系統(tǒng)，前3種均可直接通過刀盤切削實現(xiàn)全斷面開挖，第4種則通過多刀盤聯(lián)合切削輔以盾體切刀實現(xiàn)全斷面開挖。

1.1.3“大斷面泥水平衡式矩形頂管機研究與應用”(2010—2012年)

除土壓平衡頂管機外，國內在泥水平衡矩形頂管機領域也取得了一定成果，其區(qū)別主要在于出渣系統(tǒng)由螺旋輸送機出渣變?yōu)槟嗨h(huán)流出渣。此類設備較為適應我國南方地下水豐富的地區(qū)[8]，但同時也需要額外配置泥水分離系統(tǒng)，帶來施工成本的增加。

目前，泥水平衡矩形頂管機有廣佛地鐵南桂路站、桂城站地鐵出入口施工的6.04 m×4.34 m矩形頂管機和深圳地鐵9號線梅景站北環(huán)過街通道、深圳華為坂田基地K區(qū)至G區(qū)地下通道項目施工的 7.7 m×4.5 m 矩形頂管機(見圖2)。

1.2　第2階段： 同步突破階段

1.2.1“超大斷面矩形頂管機研制”(2012—2013年)

在河南省重大專項“超大斷面矩形盾構頂管機研制”及中鐵裝備企業(yè)自立項“超大型全斷面矩形頂管掘進施工關鍵技術研究”等課題的引導和資助下，研制出具有完全自主知識產(chǎn)權、性能優(yōu)良的超大斷面矩形頂管機，如表3所示。項目突破了超大矩形頂管機全斷面開挖技術、超寬矩形薄殼體設計、矩形頂管機位姿測控技術、超大矩形斷面土艙渣土改良技術、超淺覆土超小間距施工適應性設計等關鍵技術[5]，研制出世界最大斷面矩形頂管機，解決了超大斷面矩形隧道施工全斷面開挖、矩形隧道高精高效掘進、機頭及管節(jié)“背土”、淺覆土施工沉降等一系列問題。

表2　大斷面土壓矩形頂管機案例

圖2　泥水平衡矩形頂管機

1.2.2“適用于富水砂卵石層矩形頂管機的研制”(2015—2016年)

依托該項目，國內在適應砂卵石層的矩形頂管機的相關研究方面也有所突破，在矩形斷面小直徑復合式多刀盤同平面開挖技術、大粒徑雙帶式螺旋輸送機出渣技術等方面實現(xiàn)創(chuàng)新突破，并首次提出基于正交試驗的渣土改良工藝方法[9]，填補了國內外富水砂卵石層矩形頂管機技術的空白。項目成果——6.02 m×4.52 m矩形頂管機(見圖3)成功應用于成都川大停車場下穿人民南路矩形隧道項目，并進一步推廣至其他多個項目。

1.2.3“大斷面矩形盾構研制”(2011—2015年)

在矩形頂管機快速發(fā)展的同時，國內也開始了在異形盾構領域的探索，如上海市科委科技攻關課題“淺覆土大斷面矩形盾構隧道設計及掘進設備研制”(2011-12—2013-12)、上海市國資委企業(yè)技術創(chuàng)新和能級提升項目“大斷面矩形隧道盾構法施工設備及施工關鍵技術研究”(2013-06—2016-05)。在科研項目支持下，對矩形斷面開挖、矩形盾構管片拼裝設備和拼裝技術等方面展開研究[10]，研制出8前+3后平行軸多刀盤切削系統(tǒng)、立柱起重機式管片拼裝機，掌握了雙拼裝機同步拼裝控制技術[11]。項目成果(見圖4)成功應用于上海虹橋臨空區(qū)域地下車庫連接通道工程。

1.3　第3階段： 創(chuàng)新引領階段

1.3.1“城市軌道交通類矩形盾構法隧道裝備技術研究”(2014—2016年)

該項目為地鐵業(yè)主單位與施工制造單位及科研院所聯(lián)合攻關的“技術研發(fā)與試驗應用一體化重大專項”，開啟了國內異形掘進機科研開發(fā)新模式。項目在雙X同面+偏心多軸刀盤、回轉式單臂雙拼裝機及其自動軌跡拼裝控制、可調試鉸接密封系統(tǒng)等方面取得創(chuàng)新成果[6,12-13](見圖5)。項目成果成功應用于寧波市軌道交通3號線1期工程，標志著我國類矩形盾構技術取得重大突破并處于世界領先水平。

表3　超大斷面矩形頂管機案例

圖3　砂卵石層矩形頂管機

(a) 矩形盾構

(b) 拼裝機

圖5　類矩形盾構

1.3.2“超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構的研制與應用”(2015—2016年)

依托該項目，國內自主研制出世界首臺超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構(見圖6)，采用盾體梭式結構，為雙螺旋輸送機出土，采取9刀盤“前后交錯、左右對稱”布置方式，在全斷面多刀盤聯(lián)合分步開挖技術、異形土艙壓力平穩(wěn)性和均衡性控制、超大斷面馬蹄形多曲率管片拼裝技術、姿態(tài)滾轉糾偏控制技術等方面實現(xiàn)創(chuàng)新突破[14]。該項目開創(chuàng)了超大馬蹄形斷面隧道盾構施工一次開挖成型的成功先例，為大型山嶺公路、鐵路雙線隧道施工起到了引領示范作用。

圖6　馬蹄形盾構

1.3.3“機械化建造裝配式大型矩形斷面地下工程綜合技術研究”(2016—2017年)

依托該項目研究了可變截面分體組合式矩形頂管機及其分步營造工法(見圖7)。在設備方面，實現(xiàn)了合體限位、拆分密封、管線互通等分體組合結構適應性設計以及分體組合糾偏技術等方面的突破。項目成果成功應用于中鐵裝備鄭州基地地下停車場項目建設，開創(chuàng)了盾構工法施工地下停車場的成功先例，也是新裝備引領新工法進行地下空間開發(fā)的一次重要嘗試，對實現(xiàn)城市綠色建造具有重要意義。

1.4　科研成果獲科學技術獎情況

我國異形掘進機的發(fā)展取得了顯著成績，同時也得到了政府和行業(yè)協(xié)會的充分肯定，近年來異形掘進機所獲省部級以上政府獎勵、社會力量獎勵情況見表4。

(a) 分體組合式頂管機

(b) 裝配式管節(jié)

Fig. 7Pipe jacking machine of split type and its assembly pipe joint

表4　科研成果獲科學技術獎情況

2　異形掘進機關鍵技術

2.1　異形掘進機全斷面開挖技術

2.1.1刀盤類型

單一圓刀盤旋轉切削無法實現(xiàn)非圓形斷面的開挖，異形掘進機多采用組合刀盤聯(lián)合切削實現(xiàn)異形斷面開挖。目前，異形掘進機的刀盤可分為中心軸驅動刀盤、偏心多軸驅動擺動刀盤、行星輪驅動刀盤[15-16]，其特征對比如表5和圖8所示。

表5　常用異形掘進機刀盤對比

(a) 中心軸刀盤　　　　　　　　　　(b) 偏心擺動刀盤　　　　　　　　(c) 行星輪驅動刀盤

2.1.2切削系統(tǒng)

通過上述刀盤的自身組合及相互組合又可構成多種異形斷面切削系統(tǒng)，主要包括偏心擺動組合刀盤、中心軸刀盤+偏心擺動刀盤、中心軸刀盤+行星輪驅動刀盤、平行軸多刀盤形式，其特征對比和適應工況如表6所示。

2.2　異形管片拼裝技術

隨著綜合管廊、地下交通隧道建設的加快發(fā)展，對長距離異形隧道的需求與日俱增，而異形隧道管片拼裝機是異形掘進機成套裝備系統(tǒng)中的關鍵部件。異形隧道管片形狀呈矩形、馬蹄形或其他非圓形，管片拼裝作業(yè)空間隨管片斷面形狀的變化而變化，無法采用常規(guī)單一圓形拼裝機通過簡單的回轉運動實現(xiàn)管片拼裝。目前，國內展開研究的異形管片拼裝機大致可分為回轉式拼裝機、立柱式拼裝機、上下半管節(jié)式拼裝機和環(huán)軌式拼裝機(理論研究階段)4類。

2.2.1回轉式管片拼裝機

回轉式管片拼裝機的操作方法與圓形盾構管片拼裝機基本類似，但是，由于采用回轉方式拼裝管片，要求管片的形狀與管片拼裝機外形相近，應為圓形或接近圓形(如馬蹄形、類矩形)，否則在管片拼裝機抓取管片后旋轉到相應位置拼裝時，無法將管片伸長至設定位置，導致管片拼裝作業(yè)困難?；剞D式拼裝機根據(jù)單臺掘進機配置拼裝機數(shù)量分為回轉式單拼裝機和回轉式雙拼裝機。

表6　常用異形掘進機切削系統(tǒng)對比

對于馬蹄形隧道，斷面為三心圓形狀，上部為圓拱，下部稍扁，左右兩翼下側的弧度較小。其拼裝系統(tǒng)采用雙提升臂單拼裝機形式，見圖9。管片拼裝機通過繞掘進軸線的旋轉運動與雙提升臂的伸縮運動實現(xiàn)管片在隧道斷面內的定位。同時，馬蹄形管片拼裝機特殊設計了自適應變曲率管片抓取機構，在常規(guī)六自由度基礎上，增加了機械雙點抓持的冗余自由度微調機構，實現(xiàn)了變曲率管片的拼裝。

對于類矩形斷面，受狹小空間限制，莊欠偉等[12]提出一種單機械臂管片拼裝機(見圖10)，采用類似于挖掘機鏟斗驅動臂的機構實現(xiàn)管片在隧道斷面內的定位，具有結構緊湊、管片移送距離長和管片姿態(tài)調整靈活的特點。此外，針對該類拼裝機拼裝控制方面，陶建峰等[13]通過對其運動學逆解計算，得出拼裝運動路徑，運用PID控制實現(xiàn)管片拼裝軌跡自動控制。寧波地鐵4號線類矩形盾構左右各布置了1臺上述單臂管片拼裝機，取得了良好的應用效果，但其缺點也比較明顯，由于布置的2臺回轉式管片拼裝機占用了大量的盾體空間，給盾構內的管線、管路、螺旋輸送機和設備橋的布置帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

(a) 管片拼裝機

(b) 管片拼裝示意圖

(a) 管片拼裝機

(b) 管片拼裝示意圖

2.2.2立柱式管片拼裝機

上海虹橋臨空區(qū)域地下連接通道項目的矩形盾構采用立柱式管片拼裝機[10]，見圖11。拼裝機由立柱基座、上下移動機構、橫臂伸縮機構、回轉機構和管片抓取機構等組成。針對立柱式管片拼裝機拼裝拱頂塊和拱底塊時需要同步控制2臺機械手的問題，卞永明等[11]設計了基于CAN總線的同步控制系統(tǒng)，并采用同步PID算法實現(xiàn)了對同步誤差的控制。該拼裝機具有結構簡單、單環(huán)拼裝次數(shù)少的優(yōu)點，但同樣面臨盾體內空間占用較大的問題，易與設備內其他元氣件發(fā)生干涉。

(a) 管片拼裝機

(b) 管片拼裝示意圖

2.2.3半管節(jié)式拼裝機

濟寧市市北電纜隧道工程采用較小斷面的矩形盾構，其管節(jié)形式為上、下分半式，每環(huán)拼裝僅2次，拼裝系統(tǒng)采用簡單的油缸伸縮實現(xiàn)下管片的吊裝和上管片的托舉(見圖12)，并輔以人工旋轉，具有操作簡單、設備成本低的優(yōu)點，但同時也有自動化程度低的缺點。

(a) 油缸吊裝下管節(jié)　　　　　　　(b) 油缸頂升上管節(jié)

2.2.4環(huán)軌式管片拼裝機

環(huán)軌式管片拼裝機包括行走機構和拼裝機構2部分，見圖13。管片拼裝機安裝在盾構盾體的固定環(huán)形軌道上，通過行走機構可以在軌道上行走，通過拼裝機構完成管片拼裝，其操作方法與圓形盾構管片拼裝機類似，管片拼裝機內部空間較寬裕，布置管線、管路、螺旋輸送機等較為方便，并且軌道的形狀可根據(jù)斷面的形狀進行加工，具有較強的斷面適應性。但是，該類型管片拼裝機結構設計復雜，目前僅日本的技術人員對其進行過研制，并應用在東京首都圈中央聯(lián)絡車輛道路相?？v貫川尻隧道工程中，但其所應用項目為敞開式矩形盾構，盾構內部結構較為簡單，對拼裝機空間大小要求較低，因而其在封閉式矩形盾構中的適用性需進一步拓展。國內顧旭瑩[17]和鄭中山等[18]對該類型拼裝機進行了初步研究，但均未制作樣機，研究有待深入。

(a) 行走機構

(b) 拼裝機構

2.3　異形掘進機測控技術

2.3.1沉降測控技術

異形掘進機沉降主要是由于土艙壓力波動和背土，與圓形掘進機類似，但又存在其特異性。

2.3.1.1土艙壓力控制

針對異形斷面土艙渣土流動性差、滯排造成的土壓分布不均衡、易波動等問題，異形掘進機通過土壓傳感器進行實時測量的同時，多采用雙螺旋輸送機聯(lián)合出渣，通過雙螺旋輸送機耦動互饋出渣控制，實現(xiàn)左右土艙壓力均勻性控制。另一方面，為確保土艙壓力與掌子面壓力的時刻平衡，國內開發(fā)了基于參數(shù)在線自調整的PID閉環(huán)控制技術，實現(xiàn)了異形掘進機頂推載荷順應性控制[6]； 同時，部分異形掘進機在土艙隔板處還設計有油缸驅動的土壓調節(jié)裝置，以輔助穩(wěn)壓。通過上述技術措施的綜合利用可有效提高土艙壓力的控制精度，解決由土艙壓力波動引起的沉降問題。

2.3.1.2防背土控制

在理論方面，榮亮等[19]通過分析異形掘進機施工背土產(chǎn)生的原因，提出背土產(chǎn)生的邊界條件和防背土措施，并初步形成異形掘進機沉降控制理論。在設備針對性設計方面，國內異形掘進機也完成了多項防背土創(chuàng)新設計，如盾體前大后小錐形殼體設計、新型帽檐減摩結構設計和壓力流量雙控自動減磨控制等。

2.3.2位姿測控技術

圓形隧道施工只需確保軸線控制精度，但異形隧道對掘進機軸線偏離、滾轉偏離等提出了更高要求。對于軸線偏差，同常規(guī)圓形盾構類似，利用糾偏油缸實現(xiàn)掘進設備的上、下、左、右糾偏； 對于異形掘進機存在的滾轉問題，張春草等[20]提出了多傳感器信息融合的位姿實時測量方法。防滾、糾滾技術措施主要包括： 1)多刀盤位置合理布置和多刀盤轉向協(xié)同控制，通過刀盤支反力作用，達到穩(wěn)態(tài)、糾態(tài)的作用； 2)掘進機周向多點黏土加壓控制； 3)盾體內設備合理布置，盡量保證左右質量相當，也可通過配重方式，做到不偏重； 4)盾體設置防滾限位裝置。

2.4　異形掘進機施工技術

隨著國內異形掘進機的快速發(fā)展，國內異形掘進機施工案例也逐步增多，施工技術不斷提升。除注漿減磨、渣土改良、始發(fā)接收、沉降檢測、導向糾偏、出渣、異形管片拼裝等常規(guī)掘進機施工技術外，對異形掘進機的特殊工況施工技術也有諸多探索，例如： 超淺覆土、超小間距、超小空間等復雜工況施工技術，洞內接收、壓力接收等接收技術，分步施工地下空間技術等，如表7所示。

3　異形掘進機在隧道建設中的應用

3.1　矩形頂管機在隧道建設中的應用

依據(jù)國內公開報道的57個項目、76條矩形頂管隧道工程進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

在矩形頂管機設備方面，目前國內生產(chǎn)廠家仍然較少，主要有中鐵裝備、揚州廣鑫、上海隧道等。除中鐵裝備砂卵石層矩形頂管機2016年在成都下穿人民南路人行通道中成功應用外，其他設備適用工況均為粉土、粉質黏土、粉細砂、淤泥質黏土等軟土地層；而在硬巖地層矩形頂管機施工尚無工程案例，但國內已開展相關研究，并取得一定突破，如中鐵裝備和揚州廣鑫對行星齒輪驅動勒洛三角形刀盤切削正方形斷面試驗裝置的研究已取得突破性進展，為硬巖矩形頂管機的研發(fā)提供了技術儲備。

表7　異形隧道特殊工況施工技術匯總

通過對矩形頂管機歷年施工項目進行統(tǒng)計(見圖14)，可以看出： 矩形頂管機自1999年在上海地鐵2號線陸家嘴站5號出入口首次運用以來，1999—2015年為平穩(wěn)發(fā)展期，頂管機產(chǎn)品及施工技術逐步成熟，其社會了解度得到逐步提高；進入2016年以來，隨著矩形頂管機市場保有量的提升，矩形隧道機械化施工進入快速發(fā)展期。截至2017年底，國內已完成76條矩形頂管隧道工程建設，總里程超過2 500 m。

隨著國內矩形頂管機的迅速發(fā)展，其應用領域也日漸增多，除最常見的地鐵出入口、人行過街通道外，已逐步拓展到了新領域，如中鐵裝備2017年在地下停車場、綜合管廊施工中的嘗試，均取得了不錯的應用效果。矩形頂管機應用領域統(tǒng)計見表8。

圖14　矩形頂管機施工項目歷年統(tǒng)計

Fig. 14Statistics of construction projects of rectangular pipe jacking machine

表8矩形頂管機應用領域統(tǒng)計

Table 8Application field statistics of rectangular pipe jacking machine

隧道用途工程數(shù)量典型案例地鐵出入口26　武漢地鐵7號線小東門站地鐵出入口項目人行過街通道13鄭州市紅專路下穿中州大道項目綜合管廊6杭州市下穿杭甬高速綜合管廊項目機動車道4鄭州市紅專路下穿中州大道項目聯(lián)絡通道2　南京地鐵1號線中山路(長江路、華僑路交匯以北20m處)聯(lián)絡通道項目地鐵正線1　廣州地鐵3號線北延段機場南—機場北區(qū)間地下商場+機動車道1　佛山南海區(qū)星匯云錦下穿南海大道商業(yè)空間項目地下停車場1　中鐵裝備鄭州基地裝配式地下停車場項目總計54

矩形頂管機施工隧道尺寸和臺數(shù)統(tǒng)計如表9所示。可以看出，矩形頂管機施工隧道尺寸大小不一，但多集中在6～8 m，該區(qū)間隧道用途多為人行通道；其次，尺寸多分布在10 m左右，其用途多為車行通道(2車道)。尺寸大小的多樣造成了頂管機設備的通用性減弱，其原因主要是由于各地區(qū)、各隧道設計院之間無統(tǒng)一的設計標準，造成管節(jié)各異；其次，各矩形頂管機設計制造單位也無統(tǒng)一標準，致使在管節(jié)一致的情況下設備尺寸也不盡相同。

表9矩形頂管機施工隧道尺寸(外徑)和臺數(shù)統(tǒng)計

Table 9Statistics of tunnel size (outer diameter) bored by rectangular pipe jacking machine and machine number necded

長邊尺寸/m≤11～22～33～44～55～66～77～88～99～10>10臺數(shù)2022112811243

3.2　矩形盾構在隧道建設中的應用

在矩形盾構方面，較日本自1994年以來接近20臺的矩形盾構數(shù)量而言，國內矩形盾構發(fā)展較慢，截至目前僅有4臺(見表10)，施工總距離為5 037 m，適應地層和矩形頂管機類似，均為軟土地質；除新疆辰野名品廣場2期地下商場施工用矩形盾構為開敞式外，其余3臺均為封閉式土壓平衡盾構。表10中案例1矩形盾構結構簡單，但也僅適應較為穩(wěn)定的地質工況，其開挖系統(tǒng)采用挖機形式，支護系統(tǒng)采用鋼模板現(xiàn)澆襯砌形式； 案例2為國內首臺土壓平衡矩形盾構；案例3為國內首臺半管節(jié)矩形盾構；案例4為國內首臺運用在雙線地鐵建設中的類矩形盾構。

表10　矩形盾構案例統(tǒng)計

3.3　馬蹄形盾構在隧道建設中的應用

國內自主研制的世界首臺超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構(見圖6和表11)于2016年11月11日在蒙華鐵路白城隧道工程始發(fā)，至2018年1月26日完成整條隧道3 345 m的掘進任務，開啟了山嶺公路、鐵路隧道開挖的新模式。

表11　馬蹄形盾構案例統(tǒng)計

4　討論

隨著我國掘進機裝備整體水平的提升，國內異形掘進機已朝著需求引領裝備的方向發(fā)展，雖然目前國內有了一定的技術儲備，基本可以滿足各種工程設備制造需求，但異形掘進機仍然存在一定的局限性，尚需廣大科研工作者繼續(xù)進行技術攻關和深入研究。

1)目前國內異形掘進機多適應于軟土地層或砂卵石、軟巖(30 MPa以內)地層，適應全斷面硬巖或軟硬不均復合地層的異形掘進機尚待研制。針對此問題，應開拓思維，利用跨行業(yè)新技術，如高壓水射流、化學腐蝕、激光、超聲波等先進技術，對硬巖隧道開挖技術展開探索。

2)目前頂管推進增加管節(jié)時存在重復拆裝管線工序，且無法做到連續(xù)出渣掘進，造成頂管施工效率較低。針對此問題，應轉變思維，探索如“管線外置+增加管節(jié)時利用糾偏油缸輔助推進”等連續(xù)施工新方法。

3)異形隧道截面形狀各異，異形掘進機通用性不好。目前在異形掘進機領域，矩形頂管機發(fā)展較快，但其截面大小各異，造成設備的通用性不好以及大量的設計資源浪費。包括綜合管廊在內的各種功用的隧道標準化將是土建設計院、設備制造商和政府相關部門的重要研究方向。

4)異形掘進機造價較高，給施工單位帶來較大的成本負擔，降本增效、發(fā)展再制造、提高設備重復利用率等是研發(fā)人員需要進一步考慮的問題。

5　展望

異形掘進機以其特殊的優(yōu)勢在越來越多的隧道施工領域得到應用，新裝備引領新工法已成為地下空間創(chuàng)新開發(fā)的新途徑，針對異形掘進機在新領域的應用探索，筆者有如下思考。

1)地鐵車站過路段非開挖施工。首先采用大斷面矩形頂管機并行施工，再采用小矩形頂管機施工聯(lián)絡通道，在不阻斷地面交通情況下實現(xiàn)道路下方車站快速建造，如圖15所示。

圖15　矩形隧道段車站示意圖

2)地鐵車站需要設置存車線或折返線，參考中鐵裝備鄭州基地裝配式地下停車場施工工法，首先采用分體組合式頂管機并行施工4條隧道，然后分步營造梁柱支撐結構，可實現(xiàn)地鐵3車道的非開挖施工，如圖16所示。

圖16　分步營造工法修建3線地鐵示意圖

Fig. 16Sketch of constructing three-track metro by stepped construction method

3)超大斷面馬蹄形盾構在地下站場機械化施工中的應用，如圖17所示。采用多刀盤組合開挖，三圓仿形盾體支護，以及環(huán)軌式拼裝機進行鋼箱管片拼裝支撐，利用輔助模板臺車襯砌現(xiàn)澆成型。

(a) 馬蹄形盾構　　　　　　　　(b) 地下站場

Fig. 17Sketch of underground station constructed by horseshoe-shaped shield

綜合來看，20多年來我國異形掘進機已得到長足發(fā)展，部分領域已經(jīng)走在了世界前列，而在實現(xiàn)設計數(shù)字化、制造模塊化、感知智能化、控制無人化、管理網(wǎng)絡化和結構多樣化等方面還需要進一步開拓創(chuàng)新。