郑霄峰，李建斌，荆留杰，徐姣姣，龚廷民，李鹏宇

(1.中铁工程装备集团有限公司, 河南 郑州 450016；2.中铁高新工业股份有限公司, 北京 100070)

随着我国越来越多的城市制定了海绵城市、生态城市、智慧城市的发展战略，以综合管廊、过街通道、地下停车场等为代表的地下空间开发需求日益增多。相比于传统圆形隧道，矩形隧道具有空间利用率高、土方开挖量少和覆土浅等优点，已成为地下空间发展的重要方向[1]。

小断面矩形掘进机(边长<4 m)使用灵活、断面适应性强，即可以单独使用于单个隧道的施工，也可以组合应用于超大地下空间的开发，诸如利用小断面矩形掘进机施工作业的口琴工法、管幕工法、装配式工法等在日本已日臻完善。目前已有的适宜于矩形隧道开挖的掘进机开挖系统形式中，以平行中心轴式、偏心多轴式、行星式最为常见。前两者大多使用于大断面矩形隧道施工中[1-2]，也是国内矩形掘进机开挖系统的主要形式。行星式传动结构由于结构紧凑，刀盘做“自转+公转”的复合运动，可以实现复杂断面的仿形开挖[3]，在空间狭小的小断面矩形隧道施工中优势明显。

行星式掘进机的研制方面，日本九州大学开发了采用“三叶草”刀盘的密闭型掘进机[4]，断面尺寸2.4 m×2 m，在日本千叶柏市中央地区下水管道的施工中进行了应用；户田建设与川崎重工等联合研发的PLANETARY掘进机[5]，断面尺寸2.85 m×2.85 m，采用了仿形刀盘与辐条的组合开挖系统，在茨城县筑波市进行了泥土地层的示范掘进。国内中铁装备[6]、扬州广鑫[7]均开发了断面尺寸1 m×1 m，采用勒罗三角形刀盘的方形顶管机，并进行了切削C35混凝土壁的试验。这些开挖系统的轨迹可以一定程度上包络出矩形断面，但仍存在断面超挖欠挖的问题，没有真正实现全断面开挖。日本在小断面矩形掘进机仿形刀盘研究方面成果丰富，但相关设计方法保密。国内仿形刀盘设计多采用试凑法，缺乏系统的设计理论，大大限制了小断面矩形掘进机发展与应用，是亟待填补的空白。

针对以上问题，研究了仿形刀盘的轮廓模型、结构参数选择、刀盘布局与刀具布置方法，为小断面矩形隧道仿形开挖刀盘的设计提供了理论支撑。……