中州大道是郑州市中心城区快速路系统的纵轴线，是贯穿城市南北向的一条重要快速通道，也是郑州市的中央生态大道。沈庄北路-商鼎路和纬四路均由于中州大道隔断而成为断头路，由于东西向联络通道较少，为避免流量过于集中于主要道路，均衡城区道路交流量，辟通纬四路和沈庄北路，建设下穿隧道以增加新老城区的连接通道是非常必要的。

1.1  纬四路隧道工程

　　纬四路规划为东西向城市支路，位于郑州中心城区中东部，原道路红线宽度为中州大道以西20m、中州大道以东为30m。规划纬四路下穿中州大道，将纬四路（中州大道以西）拓宽至35m，拓宽商务外环路（纬四路-黑庄路）至54m；在纬四路两侧设置6m宽非机动车（推行）及人行过街通道。

　　纬四路下穿中州大道工程，起点为纬四路金水河桥，沿纬四路向东，下穿中州大道，至CBD商务外环后，再沿CBD商务外环向南，至黑庄路（商务西五街），全长894m。隧道宽16m，净空4.5m，规划隧道全长约为775m。

　　图1为纬四路下穿隧道地理位置。

图1　纬四路下穿隧道地理位置

1.2  沈庄北路隧道工程

　　位于郑州中心城区东部的沈庄北路、商鼎路均规划为东西向城市主干道，沈庄北路—商鼎路下穿中州大道工程，起点为沈庄北路熊儿河桥东侧，沿沈庄北路向东至中州大道西侧，东南向下穿中州大道至商鼎路口，向东至商鼎路通泰路口，全长1021m。沈庄北路（滨河路-中州大道段）红线宽50m，商鼎路（中州大道-通泰路）红线宽56m，图2为沈庄北路下穿隧道地理位置。

图2　沈庄北路下穿隧道地理位置

顶管法作为一种机械化非开挖施工技术，在不影响地表环境的情况下完成施工，圆形顶管已广泛应用于市政管网工程，矩形顶管在城市轨道交通和地下通道等工程方面亦有越来越多的应用，但限于矩形断面尺寸的制约，仍鲜见应用于城市交通隧道。在城市建筑密集的环境，下穿交通繁忙既有道路的隧道工程，面对采用机械化暗挖施工的需求，具有几十米长度后配套设备的盾构掘进机很难满足浅覆土短距离隧道进出口引坡道短的现实条件。在这种条件下，采用超大断面矩形顶管掘进机施工，则具有无可比拟的优势。本文以郑州市下穿中州大道隧道工程为例，介绍超大断面矩形顶管在城市道路隧道工程中的应用。

下穿中州大道段为双向4车道+两侧非机动车道，隧道两侧均设置地面辅道和人行道，在中州大道两侧设非机动车道出入口，与地面辅道相接。图3为顶管隧道标准段内部结构示意图。

图3　顶管隧道标准段内部结构示意图

中州大道下穿隧道技术参数见表1。

表1　中州大道下穿隧道技术参数

3.1  工程地质

根据勘察资料，45m深度范围内的第四系全新统（Q4）地层，表层为人工堆积的杂填土，其下为褐黄色、浅灰黄色的粉土，粉质黏土及细砂层，厚度约21m；第四系上更新统（Q3）地层由黄褐色～褐黄色粉土及粉质黏土组成，其成因为黄河冲洪积沉积物。施工中顶管机主要穿越土层为粉土、黏性土和粉砂。

表2　为商鼎路工作井所处地层的土体特性。

3.2　水文地质

1）工程沿线勘探深度范围内的地下水分为第四系地层孔隙潜水和砂层微承压水。第四系地层孔隙潜水主要埋藏于第③、④、⑤₁、⑥、⑦₁层粉土中，主要补给来源为周围含水层侧向补给，其次为大气降水。水位主要受季节和人为活动影响，年变化幅度在1～3m左右，地下水位埋深约为3.6～8.5m，西高东低。砂层微承压水主要埋藏于第⑧、⑨层细砂层中，主要补给来源为周围含水层侧向补给，其次为地下水的垂直补给；水位受季节和人为活动影响不大，年变化幅度在1m左右；勘察期间砂层承压水平均水位埋深15.0m。

2）根据场地揭露的地层情况，具有存在上层滞水的赋存条件，由于勘探孔间距所限，不排除上部土层存在上层滞水可能，上层滞水主要为雨季雨水下渗及雨污水管道渗泄等原因形成，水量变化大，以蒸发及下渗方式排泄为主，分布不均，基坑开挖施工期间需考虑其的影响，需做好疏排和堵漏准备。

3.3　周边环境

1）拟建隧道两侧多为商铺及居民住宅楼等，周边建筑物距隧道基坑边线和结构距离最近在2m左右；沈庄北路商鼎路隧道，周边高层建筑均有地下室，采用复合地基或桩基，基坑围护结构为锚杆体系，最长的锚杆长度为20m，已经进入隧道暗埋段，需在施工前进行处理。

2）现有地面道路内，地下雨污水管道、通信电缆、燃气及自来水管道等市政设施众多，分布复杂，除雨污水管道埋深较大外，其它管线埋深一般不大于1.5m；

3）顶管机穿越中州大道时，对地面沉降的控制要求极高。

4.1　顶管施工特点

　顶管施工不需要开挖面层，具有断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点，自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环系统等许多管道均采用了顶管施工技术，而不同断面尺寸的矩形顶管更被广泛用于城市交通人行地道、地下共同沟、地铁隧道的施工，见表3。

表3　不同尺寸的矩形顶管应用范围

4.2 矩形顶管机

下穿中州大道隧道工程采用2台全新的大断面顶管机，施工机动车道的为7.5m?10.4m 偏心多轴刀盘矩形掘进机，见图4；施工非机动车道的为4.2m?6.9m偏心多轴刀盘矩形掘进机，见图5。

图4　7.5mx10.4m 偏心多轴刀盘矩形掘进机  

图5　4.2mx6.9m偏心多轴刀盘矩形掘进机

4.3　本工程的特点

　本工程有两大特点：顶进距离长达212m，以往顶进距离最长为76m；矩形隧道截面尺寸大，为10.4m×7.5m，目前最大断面为4.2m×6.9m。

4.4 本工程需研究的技术问题

　　1） 建立大断面矩形掘进机的土压平衡模型，分析纵剖面的土压力分布曲线和施工参数；

　　2） 顶管机正面土体的改良；

　　3） 降低对周围环境影响的技术措施；

　　4） 大断面异形顶管机推进技术；

　　5）大断面异形顶管机自动注浆系统的研究。

郑州下穿中州大道大型顶管隧道工程是在传统顶管施工基础上的一次重大突破，不仅需要设计制造新型顶管机，同时对施工工艺等各个方面提出了许多新的挑战，包括大断面矩形掘进机本体结构的设计、大刀盘加偏心多轴刀盘驱动的设计、大断面异形顶管机施工掘进研究、大断面异形隧道衬砌结构加工制造研究等等。本工程将是国内目前最大断面的顶管穿越隧道，其顺利实施也将填补顶管施工领域的诸多空白，为城市地下空间开发开辟了新的方向。