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
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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396 m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
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形并不匹配。
随着技术的发展，自纽约Pneumatic Transit隧道（Alfred Ely 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，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
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图5：早期盾构技术沿革
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，
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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 1 工程 習志野市菊田川2号幹線管渠建設工事 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 6.55 1997 图片 尺寸/m 3.98×4.38 类型/刀盘 土压平衡/偏心多轴 机长/m 6.05 年份 1994 3 鹿儿岛市草牟田排水管道改建工 2.35 ╳ 4 大堀川右岸第8号雨水幹線 2.95 4.52×3.92 泥水平衡/滚筒刀盘 1999 土压平衡/偏心多轴 1998 5 宫城县盐灶市雨水干线 3.40×1.70 敞开/胸板支护 2000 专业文档供参考，如有帮助请下载。
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 6.8710.24 ×土压平衡/摆动仿形刀盘 9.33 2002 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 7.365 2003 9 试验机 4.8×2.15 土压平衡/双行星刀盘 2005 10 神奈川6号川崎线 *用于大断面隧道周边超前支护 11 国道20号新宿地下步行道工程 12 东京地铁副都心线新千驮~明治神宫前~涩谷区间 9.7×8.4 土压平衡/仿形刀盘 2008 3.9×8.8（卧式） 7.85×3.19（立式） 7.82×4.72 敞开式 土压平衡/普通刀盘 10.09 (卧式) 9.72 (立式) 2008 2007 专业文档供参考，如有帮助请下载。
13 东京私铁東急東横線渋谷～代官山駅区间地下化 10.300X7.1 土压平衡/APORO刀盘 8.95 2009 14 东京相模纵贯川尻隧道工程 8.2411.96 ×敞开式 2011 15 东京地铁有乐町线小竹向原~千川联络线 6.8X5.7 土压平衡/行星刀盘 2012
1.1.2 日本矩形盾构主要关键发展趋势
由于建设体制和计价方式不同，日本异形断面盾构技术发展体现出高度的灵活性和针对性，基本每一款异形断面盾构都紧密结合相应的工程项目量身定做，在二十余年的发展过程中取得了很多独树一帜的技术，其中最为关键的两项是异形全断面切削技术和异形衬砌结构机械化拼装技术。
1）异形全断面切削技术
除了部分应用于软岩和自立性硬土的盾构采用敞开式开挖以外，日本所有应用于软土地区的异形断面盾构都采用了全断面切削技术，从未采用过以往用于小直径盾构的多刀盘部分切削方案，见附图6。这是由于在软土中，部分切削意味着正面有挤压效应，产导致切口前方隆起、通过后沉降。这一问题往往会被误认为盾壳背土，采取错误的措施，更加剧了地层的扰动与沉降。
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图6：多刀盘部分断面切削方案
表2为日本目前矩形盾构所用过的主要切削方式。
表2 矩形盾构主要切削方式
序号 1 2 3 4 5 扩展切削 类型 偏心切削 行星刀盘 APORO刀盘 圆周仿形刀盘 软土 多种形状 软土 矩形 形式 横轴滚动多刀盘 偏心多轴刀盘 适用地质 软岩/硬土 适用断面 矩形 多种形状 6 摆动仿形刀盘 其中“偏心多轴(DPLEX)刀盘”是在数台驱动轴的前端偏心支承切削器，当按同一方向旋转驱动轴时，切削器机架作平行环运动，以此掘削和这个切削器形状大致相似的隧道断面。因此，只要变换切削器机架的形状，就可以筑造出矩形、椭圆形、马蹄形、带有突起的圆形以及圆环形等多种多样化断面的隧道。如图1.2.1-1所示。
磨盘式偏心轴
图1.2.1-1 掘削机构模式及实体盾构机图
“阿波罗刀头（All Potential Rotary Cutter）”由刀盘、摇动构架、公转圆筒三部分组成。如图1.2.1-2所示。在刀头高速旋转（自转）的同时，通过摇
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动构架及公转圆筒的旋转使刀盘在所要求的轨迹上移动（使其公转）进行任意断面的掘削。
图1.2.1-2 刀盘旋转及轨迹示意图
“仿形刀盘”在旋转时进行伸缩（辐条6根中的4根），来切削复合圆形断面。此外，随着伸缩刀盘的伸缩产生土仓内容积的变动，为了防止开挖面土压平衡的失衡，在2处安装了土压变动控制装置。如图1.2.1-3所示。
图1.2.1-3 仿形刀盘的配置图及实体盾构机图
仿形刀盘也有采用千斤顶驱动的摆动刀盘方案，其特点是低成本，见图1.2.1-4所示。
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图1.2.1-4 摆动仿形刀盘的配置图及实体盾构机图
2）机械化拼装技术
普通盾构断面为圆形，拼装机回转与拼装位置是同心圆，所需径向行程一般较小，而矩形或类矩形断面无法按同心布置，需要大得多的工作范围。同时，拼装机的设计还必须考虑中盾部位螺旋机、铰接等其它系统的布置，对于大断面矩形盾构而言，单块管片的重量在机器人设计领域也是超出一般数量级的，而其定位精度则要求相当。
图1.2.1-5 几种日本拼装机专利图
日本对于异形断面的拼装机有近10种专利方案，如图1.2.1-5所示，但投入使用的大致有三种类型：
（1）加大部分自由度行程的传统拼装机
在扁平的异形断面盾构中，在传统拼装机的加设机械手平移结构，使之“够得到”角部。机构原理和工作方式如图1.2.1-6、图1.2.1-7所示。此类拼装机在常规拼装机上略作改动即可，但是受基本结构限制，单机工作范围无法扩展太
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多。
图1.2.1-6 矩形盾构的拼装机
图1.2.1-7 矩形管片的拼装顺序实例
此类拼装机有一个变种，成为立柱式拼装机。其基本构想是将传统拼装机的回转盘体缩小，安装在盾体内的立柱上，回转盘体可以沿立柱上下移动，从而大幅度提高垂直方向行程，如图1.2.1-5右下图所示，日本相关专利公开号为1994-330693。此方案结构轻巧简单，但对盾构机总体布置不利，螺旋机出口只能布置在立柱之间，不利于高效施工。对于设立柱的矩形盾构，空间更加难以满足要求。
（2）轨道式拼装机
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针对矩形管片的特点，日本企业还设计了新型管片拼装装置，其设置了和盾构机开挖面形状相似的运行轨道，在轨道上运作的拼装装置一边抓取管片一边完成拼装。装置T字断面形状的运行轨道由上下左右的导航滚轮夹持，并与轨道上的齿条实现咬合来完成行驶。如图1.2.1-6、图1.2.1-7所示。
图1.2.1-6 拼装装置概要图 图1.2.1-7 T字断面形状的运行轨道 在实际运用中，拐角部管片与平行管片的重心抓取位置存在巨大差异，但是各动作都能达到要求。如图1.2.1-8所示。
图1.2.1-8 拼装管片情况
这一类型拼装机动作比较简单，但是难以在当中空间设置双螺旋机排土，对
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于总体方案是不利的。日本也仅用于东京相模纵贯川尻隧道工程的敞开式盾构。
图1.2.1-9 串联式机械臂
（3）串联式机械臂
在国道20号新宿地下步行道工程中（2008年），日立采用了一种新型的串联机械臂取代了传统拼装机的各自由度并联的机械臂，如图1.2.1-9所示。此类拼装机具有工作幅度范围大，结构刚度大，容易与总体布置协调等优点，是一种非常有潜力的异形断面盾构拼装机方案。但它的确定是无论是垂直、水平运动，还是径向运动，精确定位都必须通过盘体回转与大、小臂回转三轴联动来实现，人工操纵非常繁琐，若采用三轴联动控制则难度很大。在该工程中，由于掘进长度很短，拼装机完全是依靠人工控制的。
3）轨道交通工程的应用案例
日本的矩形盾构法应用于轨道交通工程的案例共有4个，其中包括：京都地铁东西线醍醐至六地藏延伸工程（2002）和东京地铁副都心线新千驮~明治神宫前~涩谷区间（2008）、东京私铁東急東横線渋谷～代官山駅区间地下化工程(2009)、东京地铁有乐町线小竹向原~千川联络线工程（2012）。
其中京都地铁东西线醍醐至六地藏延伸工程不仅是第一例矩形盾构施工轨道交通单峒双线的工程，而且还首次实现了矩形盾构施工无立柱的渡线段，展示了充分展示了矩形盾构技术的发展潜力。
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京都地铁东西线醍醐至六地藏延伸工程矩形隧道断面外径为9.9×6.5m，适应东京地铁东西线所用的车辆双线运营。该区间是在道路宽度为15m狭窄路况且交通流量大、 地下有外径3.2m下水道管线以及引水管大规模埋设物的外环线下进行的工程。隧道总长753.2m，其中道岔部分（crossover section）57m，渡线部分(transition section)5m，一般行车部分(running track section)691.2m。衬砌管片外尺寸9.9×6.5m。如图1.2.1-9所示。
图1.2.1-9 隧道横断面图
工程采用了小松设计制造的加泥式土压平衡矩形盾构机，刀盘为摆动式（Wagging Cutter）。如图1.2.1-10所示，刀盘在一定的角度内边进行摆动边进行掘进的盾构；其通过兼用强力超挖刀，就能运用到各种掘削断面形状中。
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图1.2.1-10 辐条伸缩摆动矩形盾构
摆动掘削方式由介入转矩臂的液压千斤顶将刀盘在95°范围内进行摆动。与以往由马达与齿轮驱动的高精度结构相比，由液压千斤顶、连接环及销子构成的驱动部，结构相对简单化。
在主辐条未能掘削区域，则采用内置的液压千斤顶伸缩式仿形刀进行掘削。仿形刀将配合刀盘摆动角度的液压千斤顶进行伸缩，并由其前端的刀头沿着盾构壳体外形线进行掘削，如图1.2.1-13所示。
图1.2.1-13 超挖刀运行状态
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该隧道建设于2002年，取得了良好的效果。如图1.2.1-14所示。
图1.2.1-14 运营中的矩形隧道（渡线段）
1.1.3 国内概况
我国对矩形盾构装备技术的研究科追溯到上世纪九十年代矩形顶管的研发，此后，在。 1.1.1.1
矩形顶管技术
1）类矩形顶管技术发展
对于顶管法矩形隧道，在1999年上海的地铁2号线陆家嘴站五号出入口首次运用3.8m×3.8m组合刀盘土压平衡式矩形顶管技术，并完成了十多例工程实例。2003年，宁波首次使用了一台4m×6m偏心多轴刀盘式矩形掘进机，建造了地下人行通道，此后该断面的顶管建成了众多人行通道。2004年，新疆乌鲁木齐采用了20m×6.2m×7.8m三联体组装形式的矩形盾构机、履带式行走模板拼装机和现浇衬砌箱体钢模施工了超大断面矩形隧道。2008年，国内研制了4.2m×6.9m多刀盘矩形顶管掘进机，截至目前完成近30条隧道工程，总里程超过1500m。
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如图1.2.2-1所示。
图1.2.2-1 国内矩形隧道掘进机及工程1
2013年，郑州使用了7.5m×10.4m大刀盘+偏心多轴组合式矩形顶管掘进机建造地下车行顶管通道，目前已经完成两条110m和两条212m长的隧道。
图1.2.2-2 国内矩形隧道掘进机及工程2
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1.1.1.2 乌鲁木齐ECL矩形盾构
1.1.1.3
上海建工矩形盾构
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1.1.1.4
矩形盾构前期研究
2010年上海隧道工程股份开展了10.95m×6.95m矩形盾构机的前期研究，如图1.2.2-3所示，矩形盾构主机由刀盘、壳体、土仓、刀盘驱动、拼装机及螺旋输送机等部分组成，所包括的系统大致与普通圆形盾构相类似，但其壳体为矩形，因而导致刀盘形状、驱动形式及拼装机的布置上与圆形盾构有较大差异。本矩形盾构的设计适应土层为粘土、砂土及粉质粘土，为土压平衡盾构，壳体最大外缘尺寸为10950mm×6950mm。管片外缘尺寸为10670mm×6670mm，内缘尺寸为9800mm×5800mm，管片宽度1200mm。
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图1.2.2-3 矩形盾构主机示意图
对矩形盾构机全断面切削方案进行了较为深入的研究，对比了大刀盘+仿形
刀组合刀盘式和偏心多轴双刀盘式方案，
结论见表1.2.2-1
图1.2.2-4两种全断面切削方案
表1.2.2-1 刀盘方案比较表
大刀盘+仿形刀组合刀盘式 偏心多轴双刀盘式 专业文档供参考，如有帮助请下载。
矩形全断面切削 开挖面支护性 地层适应性 左右转角控制性能 所配备的总功率 价格 能 较高 较好 一般 最大 最高 能 高 一般 一般 最小 低 该盾构采用2台环臂式双头拼装机，主拼装臂为串联式机械臂，设立柱专用的拼装机构，回转范围为±170°，作业过程如下。
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图1.2.2-6 管片拼装过程示意图
1.
当前，国内虽未有严格意义上的矩形盾构法隧道，但工程界已针对矩形盾构技术的难点开展了相关的研究和工程实践活动。具体如表1.2.2-1所示。
表1.2.2-1 矩形盾构技术难点的类似相关技术分析表
序号 矩形盾构技术难点 类似相关技术研究 备注 能够解决矩形、异形全断面切削要求 1 矩形盾构机设备 矩形全断面切削刀盘 矩形顶管技术（偏心多轴刀盘、行星轮刀盘及多刀盘组合式） 专业文档供参考，如有帮助请下载。
异形管片拼装机 双圆盾构管片拼装机 技术类似，基本解决。 矩形管片设计2 大断面矩形隧道管片结构设计 5.84m×3.84m矩形管片设计研究、超大直径盾构管片设计研究 已有一定基础 矩形顶管技术（新型土体改良技术） 矩形顶管姿态控制 切削排土 矩形盾构施工技术 基本解决 3 姿态控制 基本解决 技术类似，基本解决。 管片拼装 双圆管片拼装 4 环境影响 矩形顶管技术（新型减摩技术和新型非置换固化技术） 双圆隧道稳定控制技术、矩形顶已有一定基础 5 隧道稳定控制 管隧道稳定控制技术、超大直径隧道稳定控制技术 已有一定基础 本项目主要解决第1项矩形盾构机设备难题。
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