盾构法与顶管法

第二章盾构法与顶管法

盾构是在软岩和土体中进行隧道施工的专门机具，使用盾构机开挖隧道的方法称为盾构法。顶管法是将分节预制好的地下管道（或小型隧道）在土层中顶进，穿越障碍物的一种施工方法。盾构法和顶管法是软土地层中隧道暗挖施工的两类主要方法。

盾构法隧道前进是依靠设在盾尾的一组千斤顶克服盾构机重和周围土体产生的正面和侧壁的摩阻力，千斤顶支撑在已拼装好的环形隧道衬砌上，每拼装一环管片，千斤顶向前推进一个衬砌环间宽度。理论上，盾构法施工隧道，前进阻力不受隧道长度增加而增加。顶管法的推力来自始发工作井内作用在后背井壁上的分组千斤顶，千斤顶将装有切口和支护开挖装置的工具管顶出工作井井壁，以工具管为先导，逐步将预制好的管节按设计轴线顶人土层中，直至工具管后的第一个管节进人目标工作井。顶管法推进的阻力随管道长度的增加而增加。为了克服长距离顶管顶进力不足，常在管道中间设置一个至几个中继接力间或采取其他减少摩阻力措施。这两类工法的共同特点1）除竖井外，地面作业很少，隐蔽性好，因噪声、振动引起的环境影响小；2）隧道及管道施工费用和技术难度基本上不受覆土深浅的影响，适合建造覆土深的隧道；3）穿越河底或湖、海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响；4）穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，周围环境可不受施工影响；5）自动化程度高，劳动强度低，施工速度快、安全。在施工工艺上，两种工法也有许多共同特点：l）都必须先在地面建造始发工作井，进出工作井的封门和土体加固技术；2）开挖工作面采用土压、气压、泥水或机械平台平衡开挖面的技术；3）挖土、土渣材料的运输方式；4）防排水及安全保护措施；5）地面沉降，对环境的扰动。

顶管法一般用于修建排水管、敷设煤气管、输油管、动力电缆和通讯电缆的管道、地下交通隧道及桥梁的墩台等，这些管道的内径一般都在2～3m。内径太大和太小的管道顶进都较困难，因而都是目前顶管技术研究的方向。口径超过4石m的管道，一般自重过大，且在市内输送时超过限量规定，故常在现场预制；口径超过3m的较长距离顶管综合经济效益不如盾构法施工；直径小于0.6m的顶管，人员不能到达工作面，必须借助电视等实行远距离操作、自动控制，习惯称为微形顶管。

顶管法施工与盾构法施工相比有突出的优点：1）管段整体预制，结构强度易保证；2）管段制作、养护工艺在工厂完成，混凝土管壁可有较好的水密闭性能；3）与盾构法隧道相比，接缝大为减少，容易使接缝达到密闭防水要求；4）管道纵向受力性能较好，能适应地层的变形；5）不需要二次衬砌，工序简单；6）内壁光洁，作为输水隧道时，流水阻力减小。

第一节 盾构法施工

一、盾构机的组成与分类

盾构掘进机一般由盾构壳、推进千斤顶、正面支撑机构、挖土及运输组、衬砌拼装机构、液压系统、操作系统、注浆系统和盾尾装置等组成。

盾构机的盾壳是由钢板焊接成壳体，在盾壳掩护下，进行土体开挖、衬砌拼装等隧道施工的工序。盾壳可分为切口环、支承环和盾尾三部分，见图2-1。

1．切口部分。它位于盾构

的最前端，施工时切人地层，

掩护开挖作业。切口环前端设

有刃口，以减少切土时对地层

的扰动。切口环的长度主要取

决于支撑、开挖方法的挖土机

具和操作人员回旋余地大小。

大部分手掘式盾构切口顶部比

底部长，就像帽檐一样，有的

还设有千斤顶操纵的活动前檐，以增加掩护长度。网格式盾构在切口环上装有钢网格，正面支承千斤顶和活动帽檐，机械式盾构则前端装有刀盘和铲斗。在局部气压、泥水加压和上压平衡式盾构中，其切口部分的压力高于隧道内部的常压，故切口与支撑之间需用密闭隔板分开。

2．支承环部分。支承环紧接于切口环后，位于盾构的中部，是一个刚性较好的圆形结构。地层土压力、所有千斤顶的顶力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支承环承担。支承环的外沿布置盾构推进千斤顶。拼装机用于拼装管片衬砌，主要设备有举重臂、真圆保护器等。大型盾构占用空间较大，所有液压动力设备、操纵控制台、衬砌拼装器（举重器）等都往往布置在这里，中小盾构则可把部分设备移至盾构后面的车架上。当切口环内压力高于常压时，在支承环内要布置人行加压和减压闸。

3．盾尾部分。盾尾一般由盾构外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作。盾尾末端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进人盾构内。盾尾密封装置损坏时，还要在盾尾部分进行更换，因此，盾尾的长度要满足以上各项工作的进行。盾尾厚度从结构上考虑应尽可能减薄，但盾尾除承受上压力外，遇到隧道纠偏及弯道施工时，还有一些难以估计的施工荷载，受力情况复杂，所以其厚度应综合上述因素来

确定。

4．盾壳外径与衬砌外径间的建筑空隙，在

满足盾构纠偏要求的前提下应尽量减小。盾尾

密封装置要将经常变化的空隙加以密封，因此

材料要富有弹性，构造形式要求耐磨损、耐撕

裂。以往采用过橡胶板或橡胶板两面加弹簧钢

板的复合板，还试用过充气车胎、尼龙毛刷等，

但均未取得理想的效果。特别是盾尾压注水泥浆的盾构，密封装置更易损坏。目前除了摸索新的密封形式外，一般采用多道、可更换的盾

尾密封装置，如图2-2所示。当前多采用多道弹簧钢板和钢丝刷组成的密封装置，

图 2-1 盾构的构成 图 2-2 盾尾密封装置

同时在钢丝刷上涂满油膏。油膏在盾构推进中有损耗，需不断补充。

盾构机可分为以下四类

1．手掘式盾构

手掘式盾构构造简单，配套设备较少，因而造价低。其开挖面可以根据地质

条件全部敞开，也可以采取正面支撑随开挖随支撑。在某些疏散的砂性地层，还

可以按照土的摩擦角将开挖面分为几层，这时，就把盾构称为棚式盾构。

手掘式盾构的主要优点：

（1）正面是敞开的，施工人员随时可以观察地层变化情况，及时采取应付

措施；

（2）当在地层中遇到桩、孤石等地下障碍物时，比较容易处理；

（3）可以向需要方向超挖，容易进行盾构纠偏，也便于在隧道的曲线段施工；

（4）造价低，结构设备简单，易制造。

它的主要缺点有：

（1）在含水地层中，当开挖面出现渗水、流砂时，必须辅以降水、气压或

地层加固等措施；

（2）工作面若发生塌方和沼气爆炸事故时，易引起危及人身及工程安全的

事故；

（3）劳动强度大，效率低、进速慢，在大直径盾构中尤为突出。

手掘式盾构尽管有上述不少缺点，但由于简单易行，目前在地质条件较好的

工程中仍广泛应用。

2．挤压式盾构

挤压式盾构分为全挤压及半挤压两种，前者是将手掘式盾构的开挖工作面用

胸板封闭起来，把土层挡在胸板外，这样就比较安全可靠，没有水、砂涌人及土

图2-3 挤压式盾构图2-4 网格式盾构

1-盾构千斤顶(推进盾构用); 2-开挖面支撑千斤顶;

3-举重臂(拼装装配式钢筋混凝土衬砌用); 4-堆土平

台(盾构下部土块由转盘提升后落入推土平台); 5-

刮板运输机,土块由堆土平台进入输出; 6-装配式钢

筋混凝土衬砌; 7-盾构钢壳; 8-开挖面钢网格; 9-转

盘; 10-装土车

体坍塌的危险，并省去了出土工序；后者是在封闭上局部开孔，当盾构推进时，

土体从孔中挤人盾构，装车外运，劳动条件比手掘式盾构大为改善，效率也成倍

提高，见图2-3。

挤压式盾构仅适用于软可塑的粘土层，适用范围比较狭窄。全挤压施工由于