引言：

在城市发展中，地下空间的有效利用是解决土地资源紧张的关键途径，矩形顶管作为一种先进的非开挖施工技术，允许在繁忙的城市环境中进行地下空间的开发，同时最小化对地面交通和周围建筑的影响，属于住建部推广应用的建筑业10项新技术。然而，工作井的尺寸对顶管机的安拆、顶进、管节的拼装及最终的施工安全均有重大影响，特别是在地形复杂或空间受限的城市中心区域，如何精确计算并设计工作井的净空尺寸成为技术难题。此外，极限工况下的设计更加考验工程师的创新能力和技术决策的合理性。本研究通过深入探索不同始发工况下工作井的净空需求，为设计提供有效参考，以保障顶管施工的顺利进行，进而推动城市地下空间的安全、高效开发。

一、制约工作井设计尺寸的因素

矩形顶管主要应用城市道路下的空间开发，包括不限于市政管网、综合管廊、下穿通道、地铁出入口等。由于这些场景矩形顶管工作井位于道路两侧，工作井的宽度沿道路轴线设置，一般不受影响，但工作井的长度垂直于道路轴线，因用地红线、地下管线、周边建（构）筑物等因素的影响受到了极大的制约，根据国内多个城市的工程案例统计，超过40%的顶管工程遇到了因工作井设计空间不足而导致的施工难题^[1]。此外复杂的地质条件、建设成本的控制等因素也可限制工作井的尺寸。

二、不同工况下矩形顶管工作井净空的探讨

（一）整体始发工况下工作井的净空尺寸分析

整体始发，即采用常规的矩形顶管机及配套设备施工时，顶管机及配套设备在工作井内整体安装、调试、验收，顶管机功能齐备，处于最佳工作状态，洞门凿除后可以快速始发，正常掘进至接收井接收。

常规设备整体始发在工作井内的布置如图1。

图1顶管机整体始发在工作井内的平面布置

注：图中数值标注以9.8m×5.5m矩形顶管为例（余同）。

整体始发工况下各部尺寸参数取值见下表1。

表1 矩形顶管机整体始发工况下各部尺寸参数表

整体始发在工作井内布置如图1所示，井内所需净空长由L_P、L_D、L_H、L_Q、L_K组成，当L_P、L_D、L_H、L_Q、L_K均取小值时，工作井净长最小，即L_min=9.4m；当L_P、L_D、L_H、L_Q、L_K均取大值时，工作井净长最大，即L_max=12m；

故矩形顶管机整体始发时，工作井净空长L取值范围为9.4m～12m。

矩形顶管工作井的净宽为设计管节宽与两侧工作面宽之和，管节宽为a；两侧工作面需满足管节吊装要求，一般可取1m；若还需考虑下井通道A_t，采用斜梯时，可取1m，采用梯笼时，可取2m，即A_t=1m（或2m）。故工作井净宽A一般为1m+a+1m+1m（或2m），（工作井净宽一般不受条件影响，后述工况亦按正常取值探讨）。

矩形顶管工作井的净高由设计管节高、始发轨道和止水装置安装空间组成，现有成熟设计是在预留洞门的上下各加0.5m^[2]（预留洞门净高为管节高h外扩0.15m），即工作井净高H=0.5m+0.15m+h+0.15m+0.5m,（工作井净高一般不受条件影响，后述工况亦按正常取值探讨）。

综上所述，工作井净空在不受建筑结构功能限制条件下，满足常规设备整体始发工况时，其设计宜按表2取值。

表2 矩形顶管整体始发工况下工作井净空尺寸设计建议值

（二）分体始发工况下工作井的净空尺寸分析

分体始发是相对整体始发而言，当采用常规矩形顶管机及配套设备时，在工作井净长设计受限时，顶管机无法满足整体始发，在前盾组装好后，就凿除洞门将前盾推入洞门内，然后再组装、推进中盾和尾盾，依次至顶管机组装完成。

常规设备分体始发时，工作井井内空间应满足洞门凿除、顶管机最长节盾体拼装、主顶装置及后靠背的安装空间，常规设备分体始发在工作井内的布置如图2。

图2 顶管机分体始发在工作井内的平面布置

分体始发工况下各部尺寸参数取值见表3。

表3矩形顶管机分体始发工况下各部尺寸参数表

分体始发在工作井内的布置如图2所示，井内所需净空长由L_P、L_D、L_Q、L_K组成，当L_P、L_D、L_Q、L_K均取小值时，工作井净长最小，即L_min=7.1m；当L_P、L_D、L_Q、L_K均取大值时，工作井净长最大，即L_max=9.3m；

故矩形顶管机采用分体始发时，工作井净空长度L取值范围为7.1m～9.3m。

综上所述，工作井净空在不受建筑结构功能限制条件下，满足常规设备分体始发工况时，其设计宜按表4取值。

表4 矩形顶管分体始发工况下工作井净空尺寸设计建议值

（三）极限工况下工作井的净空尺寸分析

在一些特殊复杂条件下，必须选择顶管法施工，工作井受到条件限制又不具备整体始发和分体始发，为解决这一特殊情况，可以选择定制设备分体始发方案解决。

定制设备分体始发，是以顶管设备和工作井结构设计相结合，考虑在分体始发时充分利用各部的动态空间，在顶管方案可以实施的基础上，以谋求工作井净空尺寸达到最小极限。

1、定制设备分体始发阶段工作井净空分析

极限工况下定制设备分体始发时，井内空间应综合考虑洞口凿除空间、设备各部拆解成最小单元后的动态组装空间、主顶装置动态安装空间、后靠背安装空间，定制设备分体始发阶段在工作井内的动态布置如图3。

图3 定制矩形顶管机分体始发在工作井内的平面布置

定制设备分体始发阶段各部尺寸参数取值见表5。

表5 定制矩形顶管机分体始发阶段各部尺寸取值参数表

注：上述定制设备取值已经国内多家设备制造商确认可行。

极限工况下，为了使始发井净空达到最小极限，分体始发阶段，主顶装置设在顶管机两侧，在盾壳上设置牛腿推进，故不考虑其占用净长。

顶管机前盾组装时在井内布置如图3动态1所示，工作井净长由L_P、L_D、L_k组成，当其均取大值时，所需净长最大，即L_max=4.3m。

顶管机中（尾）盾组装时，洞门已凿除，前盾推进至掌子面，中（尾）盾组装充分利用侧墙和维护结构凿除空间，一般利用空间≥1.4m（若＜1.4m时，则需启动刀盘切土顶进，使之≥1.4m）。此时在井内布置如图3动态2所示，工作井净长由L_d1max-1.4m、L_D2（D3）、L_k组成，当其均取大值时，所需净长最大，即L_max=4.3m。

综上所述，极限工况下，定制设备分体始发所需工作井净长L≤4.3m。

2、管节顶进阶段工作井净空分析

极限工况下管节顶进时，井内空间应满足前一节管节外露长度、后一节管节长、顶环吊装空间、主顶装置及后靠背安装空间。 

极限工况下，管节顶进阶段井净长最小值由L_Lmin=0.2（前一管节最小外露长度）、L_G=1.5m（管节长）、L_H=0.5m、L_Q、L_K组成，当各部分尺寸按表5取极限最小值时，工作井所需净长最小，其值L_min=4.3m。

综前1～2所述，采用定制设备分体始发时，工作井净长最小值受管节顶进阶段限制，因此极限工况下工作井净长不应小于4.3m，即L≥4.3m。

矩形顶管在极限工况下采用定制设备施工时，在不受建筑结构功能的限制情况下，工作井最小设计极限可按表6取值。

表6 极限工况下矩形顶管工作井净空尺寸设计建议值

三、极限工况下矩形顶管实施案例

（一）工程概况

武汉地铁2号线中山公园站已开通运营。预留物业1、2、3号出入口为独立项目单独实施。

原设计出入口下穿解放大道段为暗挖施工（矿山法）。项目实施过程中，武汉市住建局致函业主单位“武汉市轨道交通2号线中山公园站预留出入口工程为住建部重点督办的存在重大安全隐患的工程，需重新论证过街段实施方案”，经相关部门及单位充分论证后，出入口过街段由矿山法施工变更为顶管法施工。

（二）顶管施工总体方案

2号口基坑净空为5m×8.5m，3号口基坑净空为4.2m×8.5m，预留吊装孔尺寸为3m×7.5m，利用现有基坑，通过优化设备和局部结构改造，采用定制设备分体始发方案，满足极限工况条件下的顶管施工要求。

图5 极限工况条件下矩形顶管实施案例

（三）极限工况条件下矩形顶管实践效果

武汉地铁2号线中山公园站预留3号出入口矩形顶管于2022年11月8日进场施工，11月24日召开始发节点验收会， 12月8日完成顶管机分体始发，12月28日顶进至设计终点，于2023年1月6日完成弃壳接收。施工期间未发生任何安全风险，质量进度满足要求，整体符合预期，成功化解了矿山法施工存在的重大安全隐患，充分验证了极限工况下采用定制设备分体始发方案的可行性。

结语：

通过分析探讨与实践验证，我们初步得出三种不同始发工况下矩形顶管工作井净空尺寸的设计建议值如下：

表7 不同始发工况下工作井净空尺寸设计建议值

矩形顶管工作井空间尺寸的设计受多因素影响时，我们可以根据影响情况合理的选择始发方案来调整工作井的尺寸，以保证顶管施工方案得以顺利实施，特别是极限工况下矩形顶管的成功实施，为今后类似复杂环境下的项目采用顶管法建设提供了可靠依据。

参考文献：

[1]陈宏明.软土地层矩形顶管机刀盘地质适应性设计研究[J].建筑机械化,2023,44(02):29-31+47.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.给水排水管道工程施工及验收规范：GB50268—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008