矩形隧道掘进机国内外概况和发展趋势

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1、-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MarcIsambardBrunell(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

2、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·-1·-施工能力的限制。1843年，采用这台11m宽、6m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PneumaticTransit隧道（AlfredElyBeach，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St.Clair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

3、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)图5：早期盾构技术沿革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

4、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，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·-2·-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，

5、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·-3·-新

6、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3.98×4.38土压平衡/偏6.0519942号幹線管渠建心多轴設工事2光辉大街地下通7.81×4.98土压平衡/摆6.551997道建设工程动仿形刀盘3鹿儿岛市草牟田2.35土压平衡/偏1998排水管道改建工╳心多轴2.954大堀川右岸第84.52×3.92泥水平衡/滚1999号雨水幹線筒刀盘5宫城县盐灶市雨3.40×1.70敞开/胸板支2000水干线护6京都市今出川分4.30×4.90土压平衡/仿2001水管道改建形刀盘7京都市地下鉄東6.87×土压平衡/摆9.332002西線

7、六地蔵北工10.24动仿形刀盘区·-4·-8横断石田地下人3.83×4.28土压平衡/行7.3652003行通道建设工程星刀盘9试验机4.8×2.15土压平衡/双2005行星刀盘10神奈川6号川崎3.9×8.8（卧土压平衡/普10.092007线式）通刀盘(卧式)*用于大断面隧7.85×3.199.72道周边超前支护（立式）(立式)11国道20号新宿7.82×4.72敞开式2008地下步行道工程12东京地铁副都心9.7×8.4土压平衡/仿2008线新千驮~明治形刀盘神宫前~涩谷区