盾構法與頂管法

第二章 盾構法與頂管法盾構是在軟巖和土體中進行隧道施工的專門機具，使用盾構機開挖隧道的方法稱為盾構法。頂管法是將分節(jié)預制好的地下管道（或小型隧道）在土層中頂進，穿越障礙物的一種施工方法。盾構法和頂管法是軟土地層中隧道暗挖施工的兩類主要方法。盾構法隧道前進是依靠設在盾尾的一組千斤頂克服盾構機重和周圍土體產生的正面和側壁的摩阻力，千斤頂支撐在已拼裝好的環(huán)形隧道襯砌上，每拼裝一環(huán)管片，千斤頂向前推進一個襯砌環(huán)間寬度。理論上，盾構法施工隧道，前進阻力不受隧道長度增加而增加。頂管法的推力來自始發(fā)工作井內作用在后背井壁上的分組千斤頂，千斤頂將裝有切口和支護開挖裝置的工具管頂出工作井井壁，以工具管為先導，逐步將預制好的管節(jié)按設計軸線頂人土層中，直至工具管后的第一個管節(jié)進人目標工作井。頂管法推進的阻力隨管道長度的增加而增加。為了克服長距離頂管頂進力不足，常在管道中間設置一個至幾個中繼接力間或采取其他減少摩阻力措施。這兩類工法的共同特點 1）除豎井外，地面作業(yè)很少，隱蔽性好，因噪聲、振動引起的環(huán)境影響小； 2）隧道及管道施工費用和技術難度基本上不受覆土深淺的影響，適合建造覆土深的隧道； 3）穿越河底或湖、海底時，隧道施工不影響航道，也完全不受氣候的影響； 4）穿越地面建筑群和地下管線密集的區(qū)域時，周圍環(huán)境可不受施工影響；5）自動化程度高，勞動強度低，施工速度快、安全。在施工工藝上，兩種工法也有許多共同特點： l）都必須先在地面建造始發(fā)工作井，進出工作井的封門和土體加固技術； 2）開挖工作面采用土壓、氣壓、泥水或機械平臺平衡開挖面的技術； 3）挖土、土渣材料的運輸方式； 4）防排水及安全保護措施； 5）地面沉降，對環(huán)境的擾動。頂管法一般用于修建排水管、敷設煤氣管、輸油管、動力電纜和通訊電纜的管道、地下交通隧道及橋梁的墩臺等，這些管道的內徑一般都在 2～3m。內徑太大和太小的管道頂進都較困難，因而都是目前頂管技術研究的方向?？趶匠^ 4石m的管道，一般自重過大，且在市內輸送時超過限量規(guī)定，故常在現(xiàn)場預制；口徑超過3m的較長距離頂管綜合經濟效益不如盾構法施工；直徑小于 0.6m的頂管，人員不能到達工作面，必須借助電視等實行遠距離操作、自動控制，習慣稱為微形頂管。頂管法施工與盾構法施工相比有突出的優(yōu)點： 1）管段整體預制，結構強度易保證； 2）管段制作、養(yǎng)護工藝在工廠完成，混凝土管壁可有較好的水密閉性能； 3）與盾構法隧道相比，接縫大為減少，容易使接縫達到密閉防水要求； 4）管道縱向受力性能較好，能適應地層的變形； 5）不需要二次襯砌，工序簡單； 6）內壁光潔，作為輸水隧道時，流水阻力減小。第一節(jié) 盾構法施工一、盾構機的組成與分類盾構掘進機一般由盾構殼、推進千斤頂、正面支撐機構、挖土及運輸組、襯砌拼裝機構、液壓系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)和盾尾裝置等組成。盾構機的盾殼是由鋼板焊接成殼體，在盾殼掩護下，進行土體開挖、襯砌拼裝等隧道施工的工序。盾殼可分為切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾三部分，見圖2-1。1．切口部分。它位于盾構的最前端，施工時切人地層，掩護開挖作業(yè)。切口環(huán)前端設有刃口，以減少切土時對地層的擾動。切口環(huán)的長度主要取決于支撐、開挖方法的挖土機具和操作人員回旋余地大小。大部分手掘式盾構切口頂部比底部長，就像帽檐一樣，有的還設有千斤頂操縱的活動前檐，以增加掩護長度。網(wǎng)格式盾構在切口環(huán)上裝有鋼網(wǎng)格，正面支承千斤頂和活動帽檐，機械式盾圖2-1盾構的構成構則前端裝有刀盤和鏟斗。在局部氣壓、泥水加壓和上壓平衡式盾構中，其切口部分的壓力高于隧道內部的常壓，故切口與支撐之間需用密閉隔板分開。2．支承環(huán)部分。支承環(huán)緊接于切口環(huán)后，位于盾構的中部，是一個剛性較好的圓形結構。地層土壓力、所有千斤頂?shù)捻斄σ约扒锌?、盾尾、襯砌拼裝時傳來的施工荷載均由支承環(huán)承擔。支承環(huán)的外沿布置盾構推進千斤頂。拼裝機用于拼裝管片襯砌，主要設備有舉重臂、真圓保護器等。大型盾構占用空間較大，所有液壓動力設備、操縱控制臺、襯砌拼裝器（舉重器）等都往往布置在這里，中小盾構則可把部分設備移至盾構后面的車架上。當切口環(huán)內壓力高于常壓時，在支承環(huán)內要布置人行加壓和減壓閘。3．盾尾部分。盾尾一般由盾構外殼鋼板延長構成，主要用于掩護隧道襯砌的安裝工作。盾尾末端設有密封裝置，以防止水、土及注漿材料從盾尾與襯砌之間進人盾構內。盾尾密封裝置損壞時，還要在盾尾部分進行更換，因此，盾尾的長度要滿足以上各項工作的進行。盾尾厚度從結構上考慮應盡可能減薄，但盾尾除承受上壓力外，遇到隧道糾偏及彎道施工時，還有一些難以估計的施工荷載，受力情況復雜，所以其厚度應綜合上述因素來確定。4．盾殼外徑與襯砌外徑間的建筑空隙，在滿足盾構糾偏要求的前提下應盡量減小。盾尾密封裝置要將經常變化的空隙加以密封，因此材料要富有彈性，構造形式要求耐磨損、耐撕裂。以往采用過橡膠板或橡膠板兩面加彈簧鋼板的復合板，還試用過充氣車胎、尼龍毛刷等，但均未取得理想的效果。特別是盾尾壓注水泥漿的盾構，密封裝置更易損壞。目前除了摸索新的密封形式外，一般采用多道、可更換的盾尾密封裝置，如圖2-2所示。當前多采用多道彈簧鋼板和鋼絲刷組成的密封裝置，同時在鋼絲刷上涂滿油膏。油膏在盾構推進中有損耗，需不斷補充。圖2-2 盾尾密封裝置盾構機可分為以下四類1．手掘式盾構手掘式盾構構造簡單，配套設備較少，因而造價低。其開挖面可以根據(jù)地質條件全部敞開，也可以采取正面支撐隨開挖隨支撐。在某些疏散的砂性地層，還可以按照土的摩擦角將開挖面分為幾層，這時，就把盾構稱為棚式盾構。手掘式盾構的主要優(yōu)點：1）正面是敞開的，施工人員隨時可以觀察地層變化情況，及時采取應付措施；2）當在地層中遇到樁、孤石等地下障礙物時，比較容易處理；3）可以向需要方向超挖，容易進行盾構糾偏，也便于在隧道的曲線段施工；4）造價低，結構設備簡單，易制造。它的主要缺點有：1）在含水地層中，當開挖面出現(xiàn)滲水、流砂時，必須輔以降水、氣壓或地層加固等措施；2）工作面若發(fā)生塌方和沼氣爆炸事故時，易引起危及人身及工程安全的事故；3）勞動強度大，效率低、進速慢，在大直徑盾構中尤為突出。手掘式盾構盡管有上述不少缺點，但由于簡單易行，目前在地質條件較好的工程中仍廣泛應用。2．擠壓式盾構擠壓式盾構分為全擠壓及半擠壓兩種，前者是將手掘式盾構的開挖工作面用胸板封閉起來，把土層擋在圖2-3 擠壓式盾構 圖2-4 網(wǎng)格式盾構1-盾構千斤頂(推進盾構用);2-開挖面支撐千斤頂 ;3-舉重臂(拼裝裝配式鋼筋混凝土襯砌用 );4-堆土平臺(盾構下部土塊由轉盤提升后落入推土平臺 );5-刮板運輸機,土塊由堆土平臺進入輸出 ;6-裝配式鋼筋混凝土襯砌 ;7-盾構鋼殼;8-開挖面鋼網(wǎng)格 ;9-轉盤;10-裝土車裝車外運，勞動條件比手掘式盾構大為改善，效率也成倍提高，見圖 2-3。擠壓式盾構僅適用于軟可塑的粘土層，適用范圍比較狹窄。全擠壓施工由于有較大隆起變形，只能用于空闊的地段或河底、海灘等處；半擠壓施工雖然能在城市房屋、街道下進行，但對地層擾動大，地面變形也很難避免，這是擠壓式盾構的缺點。網(wǎng)格式盾構是一種介于半擠壓和手掘式之間的盾構形式。這種盾構在開挖面裝

胸板外，這樣就比較安全可靠，沒有水、砂涌人及土體坍塌的危險，并省去了出土工序；后者是在封閉上局部開孔，當盾構推進時，土體從孔中擠人盾構，有鋼制的開口格柵，稱為網(wǎng)格。當盾構向前推進時，土被網(wǎng)格切成條狀，進人盾構后運走如圖 2－4。當盾構停止推進時，網(wǎng)格起到擋土作用，有效地防止了開挖面坍塌。這種盾構對土體的擠壓作用比擠壓式盾構小些。網(wǎng)格式盾構也只適用于軟可塑的粘性土層，地層含水時，尚需輔以降水、氣壓等措施。3．半機械式盾構半機械式盾構系在手掘式盾構正面裝上挖土機械來代替人工開挖。根據(jù)地層條件，可以安裝反鏟挖土機或螺旋切削機。如果土質堅硬，可安裝軟巖掘進機的切削頭子。半機械式盾構的適用范圍基本上和手掘式一樣，其優(yōu)缺點除可減輕工人勞動強度外，均與手掘式相似。4．機械式盾構機械式盾構是手掘式盾構的切口部分，安裝與盾構直徑同樣大小的大刀盤，以實現(xiàn)全斷面切削開挖。若地層能夠自立或采取輔助措施后能自立，可用開胸機械式盾構，如果地層較差，則可采用下列幾種闊胸機械式盾構。（1）開胸機械切削盾構。當?shù)貙幽?夠自立，或采用輔助措施后能夠自立時，在盾構切口 部分，安裝與盾構直徑相適宜的大刀盤，以進行全斷 面開胸機械切削。星形的刀盤輻條后面沒有胸板封閉（2）局部氣壓盾構。這種盾構 （見圖 2－5）系在開胸機械式盾構的切口環(huán)和支承環(huán)之間裝上 隔板，使切口環(huán)部分形成一個密封艙，艙中通人壓縮 空氣，以平圖2-5 局部氣壓盾構1-氣壓內出土運輸系統(tǒng) ;2- 皮帶運輸機;3- 排土抓斗;4-出土斗;5- 運土車;6- 運送管片單軌;7- 管片;8- 管片拼裝器;9- 伸縮接頭衡開挖面的土壓力代替在隧道內加壓的全氣壓施工。這樣襯砌拼裝和隧道內其它施工人員就不在氣壓艙內工作，無疑有很大的優(yōu)越性。局部氣壓盾構的一些技術問題，目前尚未很好解決。例如，從密封艙內連續(xù)出土的裝置，還存在漏氣和壽命不長等問題；盾尾密封裝置還不能完全阻止氣壓艙內的壓縮空氣通過開挖面經外殼從盾尾泄露；管片接縫漏氣等，故目前世界各國應用不多。在江、河、海底進行盾構法隧道施工，如果覆蓋土層薄，為防止塌頂和地表水涌人，采用壓縮空氣支撐開挖面常常是必需的。（3）泥水加壓式盾構。局部氣壓盾構的技術難題是連續(xù)出土和壓縮空氣的泄露問題。地層在同樣壓力差及同樣間隙條件下，漏氣量要比漏水量大80倍之多。因此，若在上述局部氣壓密封艙內改通入泥水（泥漿），既可大大減少盾尾的漏氣，同時刀盤切削下來的土，還可利用泥水通過管道輸送到地面處理，這就解決了從密封艙內連續(xù)出土的問題，這些優(yōu)點都是顯而易見的。但泥水盾構的配套設備多，首先要有一套自動控制和泥水輸送的系統(tǒng)，還要有專門的泥水處理系統(tǒng)，所以泥水加壓盾構的設備費用較大。以5m直徑的中型盾構為例，假定泥水盾構本身的投資為100，則其控制系統(tǒng)的投資也需100，地面泥水處理的投資還需100。設備投資比一般機械化盾構高，這是它的主要缺點。（4）土壓平衡式盾構。這種盾構又稱削土密閉式或泥土加壓式盾構（見圖 2－6），是在上述兩種機械化盾構的基礎上發(fā)展起來的。這種盾構的前端也有一個全斷面切削刀盤，盾構的中心或下部有長筒形螺旋運輸機的進土口，其出土口則在密封艙外。所謂土壓平衡，就是用刀盤切削下來的土，如同壓縮空氣或泥水一樣充滿整個密封艙，并保持一定壓力來平衡開挖面的土壓力。螺旋運輸機的出土量（用它的轉速控制）要密切配合刀盤的切削速度，以保持密封艙內始終充滿泥土，而又不致過于飽滿。這種盾構避免了局部氣壓盾構的主要缺點，也省略了投資較大的泥水盾構所需的輸送和處理設備，因此，是一種發(fā)展中的最新型盾構。土壓平衡式盾構機應用比較廣泛，種類也比較多。（5）混合形盾構（ Mixsllield ）。混合形盾構就是把隧道巖石掘進機（ T．B．M，TunnelBoring Machine）與軟土的盾構機相結合，造出既能用于巖石地層，也可用于軟土的新型隧道掘進機，圖 2-7 為有代表性的一種。為了適應軟土層的粉細砂、中砂、粗砂、淤泥、粉質粘土、風化砂巖等多變的地層條件，我國廣州地鐵采用了混合型的泥水平衡盾構和混合形土壓平衡盾構。即通過改進刀盤的刀具型式、刀具開口進土率、泥土排除外運和分離裝置，吸收兩種盾構機特點，以適應不同地質和環(huán)境條件的影響。圖2-6土壓平衡式盾構1-刀盤用油馬達;2-螺旋運輸機;3-螺旋運輸機油馬達;4-皮帶運輸機;5-閘門千斤頂;6-管片拼裝器;7-刀盤支架;8-隔壁;9-緊急用出入口(6)異形盾構。上海隧道股份有限公司使用國產矩形盾構施工完成了黃浦江行人觀光隧道的出人通道，日本東京地鐵12號線使用了三心圓泥水盾構。三心圓泥水盾構是由三臺圓形盾構機排列組合成一體，中心大刀盤直徑為8.846m，兩側盾構機外徑為8．14m，相互交疊后總的高度達17.440m。為適合R＝125m彎曲曲線推進，機器裝有活動鉸接合機構（鉸的角度2°）。機身總長11.020m，工作面單位面積推力為179kN，總推力150000kN。有四臺電機用于盾構機操作管片的拼裝、鋼主柱的架設，設備的總重量達2600t。盾構機身和車架總長約275m，中部為137m，主要用于建造乘客在兩端進出的車站。站臺部分的襯砌由鋼管片組成，乘客的通道由柔性的鋼筋土管片組成，圖2-7 混合形盾構見圖2-8。圖2-8 異形盾構二、盾構法施工工藝過程使用盾構法施工，施工工藝流程如圖2-9。始發(fā)工作井建造盾構吊運、裝配、試車進出工作井洞口土體加固處理管片制作架設后座支撐基座螺栓制作出鑿除封門井現(xiàn)場粘貼開挖、頂進50m后拆除吊環(huán)、100m后調進整施工強度，設定推壓力防水膠帶洞推千斤頂頂進挖土土體改良進調整艙內土壓力拼裝襯砌、注漿聯(lián)絡通道施工姿態(tài)調整，循環(huán)往復最后50m軸線校正、調整盾構出洞進工作井嵌縫、封孔、堵漏裝修、設備安裝驗收圖2-9盾構隧道施工流程（一）盾構的組裝基坑或工作井 在盾構施工段的始端，要布置基坑或井，用以進行盾構的安裝工作。若盾構推進線路特別長時，還應設置檢修工作井，這些井和基坑應盡量結合隧道規(guī)劃線路上的通風井、設備井、地鐵車站、排水泵房以及立體交叉、平行交叉、施工方法轉換處來設置。作為拼裝室用的井，其建筑尺寸應根據(jù)盾構裝施工要求來確定，其寬度一般應比盾構直徑酌情減小，井的長度方向（沿推進方向）要考慮盾構設備安裝的要求。目前，中、小盾構的動力裝置、配電設備大部分布置在盾構后面的設備車架上。若考慮安裝全部設備車架，會使工作井尺寸過長。一般盾構可采用臨時操縱措施安裝部分車架，但確定井的長度時也要考慮將來轉換成全套車架的方便。從施工要求考慮，井的寬度具有盾構安裝尺寸已夠，而長度則要考慮在盾構前面拆除洞門封板和在盾構后面布置后座和垂直運輸所需的尺寸。此外，為方便進行洞門與襯砌間空隙的充填、封板工作及臨時后座襯砌環(huán)與盾構導軌間的填實工作，在盾構下部至少應留有 1m左右高度的空間。工作井可以用沉井（箱）法施工，也可連續(xù)墻支護（樁排墻支護）、錨噴支護明挖法施工，視工程地質和水文地質情況而定。盾構基座 盾構基座在井內用作安裝及穩(wěn)妥地擱置盾構，更重要的是通過設在基座上的導軌使盾構在施工前獲得正確的導向。因此，導軌需要根據(jù)隧道設計、施工要求定出的平面及高程位置進行測量定位?；梢圆捎矛F(xiàn)澆鋼筋混凝土或鋼結構，導軌由兩根或多根鋼軌組成。基座除承受盾構自重外，還應考慮盾構切人地層后，進行糾偏時產生的集中荷載。（二）盾構開挖盾構開挖方式可分為敞開式、機械切削式、網(wǎng)格式和擠壓式等。為了減少盾構施工對地層的擾動，可先借助千斤頂驅動盾構使其切口貫入土層，然后在切口內進行土體開挖與運輸，這是軟土地層盾構掘進的基本過程。1．敞開式開挖手掘式及半機械式盾構均為半敞開式開挖，這種方式適于地質條件好，開挖面在掘進中能維持穩(wěn)定或在有輔助措施時能維持穩(wěn)定的情況，其開挖程序一般是從頂部開始逐層向下挖掘。若土層較差，還可以借助千斤頂加撐板對開挖面進行臨時支撐。根據(jù)切口長度的不同，每環(huán)可分數(shù)次開挖和推進。支撐千斤頂常設計成差壓式， 即在保持支撐力的條件下可以縮回， 以確保支撐效能。采用敞開式開挖，處理孤立障礙物、糾偏、超挖均比其他方式容易。為盡量減少對地層的擾動，要適當控制超挖量與暴露時間，土質較差時尤應注意。2．機械切削開挖這里主要指與盾構直徑相仿的全斷面旋轉切削刀盤（簡稱大刀盤）開挖方式。過去也用過一些由多個小盤組成的所謂行星式刀盤，以及千斤頂操縱的擺動式刀盤，但目前大都采用以液壓或電動機作動力的可雙向轉動切削的大刀盤。根據(jù)地質條件的好壞，大刀盤可分為刀架間無封板的及有封板的兩種。前者適用于土質較好的條件，如我國黃土高原使用的“DW2.5—2”黃土洞掘進機，即為無封板刀盤形式。大刀盤切削開挖配合運土機械（皮帶機、刮板機、轉盤。螺旋運輸機等）可使土方從開挖到裝車運輸部實現(xiàn)機械化。大刀盤開挖方式，在彎道施工或糾偏時不如敞開式便于超挖（有些刀盤裝有周邊超挖刀來彌補其不足）。此外，清除障礙物也顯得困難些，特別是裝有封板的大刀盤更顯不便。使用大刀盤的盾構機械構造復雜，消耗動力較大，但這種盾構是實現(xiàn)隧道施工機械化、減輕體力勞動的必然方向。目前國內外較先進的泥水加壓盾構、土壓平衡盾構，均采用這種開挖方式。3．網(wǎng)格式開挖采用這種開挖方式時，開挖面由阿格梁與格板分成許多格子。開挖面的支撐作用是由土的粘聚力和網(wǎng)格厚度范圍內的阻力（與主動土壓相等）而產生的。當盾構推進時，克服這項阻力，土體就從格子里呈條狀擠出來。要根據(jù)土的性質，調節(jié)網(wǎng)格的開孔面積。格子過大會喪失支撐作用；格子過小則會引起對土層的擠壓擾動等不利影響。我國在大面積使用大、中型盾構過程中，曾在網(wǎng)格后面布置提土轉盤，把土提到盾構中心的刮板機頭部， 然后裝車外運。實踐證明，這種出土方式效率高、 效果好。網(wǎng)格式開挖一般不能超前開挖，全靠調整千斤頂編組進行糾偏。采用網(wǎng)格開挖時，在所有千斤頂縮回后，會產生較大的盾構后退現(xiàn)象，導致地表沉降，因此，施工時務必采取有效措施，防止盾構后退。根據(jù)施工經驗，每環(huán)推進結束后采取維持頂力（使盾構不進不推）屏壓5～10min，可有效防止盾構后退。此外，拼裝管片時，要使一定數(shù)量的千斤頂軸對稱地輪流維持頂力，以防盾構后退。在確定網(wǎng)格式盾構的推力時，應計及開挖面土體主動上壓力引起的阻力以及網(wǎng)格梁、隔板切人土層的阻力。4．擠壓式開挖全擠壓式和局部擠壓式開挖，由于不出土或只部分出土，對地層有較大的擾動，在考慮施工軸線時，應盡量避開地面建筑物。局部擠壓施工時，要精心控制出土量（土質不同，出土量也不同，一般宜作實地試驗），以減少和控制地表變形。全擠壓施工時，盾構把四周一定范圍內的土體擠密實。由于只有上部有自由面，所以大部分上體被擠向地表面，部分土體則擠向盾尾及盾構下部。因此盾尾建筑空隙可以自然得到充填，不需要再進行襯砌壁后注漿。根據(jù)施工的觀察與測量，擠向盾尾的土體對初出盾尾的襯砌產生的環(huán)向荷載是不小的。擠壓施工時，由于可以把開挖面全部封閉起來，在盾尾密封效果良好的條件下，可以不采取其他輔助施工措施，而且不出土、不壓漿，能在土質塑性大、空隙比較大、有流動性的地層中達到較高的施工速度。擠壓推進時，盾構有明顯的上浮趨勢，正面又不能超挖，只能憑調整千斤頂編組來糾偏。遇到糾偏困難時，在正面阻力較大處，可以打開封板擠出部分土來調整阻力。因此，常在正面封板的各個方位設置可啟閉的出土閘門。（三）隧道襯砌的拼裝軟土地層盾構施工的隧道襯砌，通常采用預制拼裝的形式：對于防護要求甚高的隧道，也有采用整體澆注混凝土的。整體澆注襯砌施工繁瑣，進度較慢，目前已逐漸被復合式襯砌取代。復合式襯砌在成洞階段先采用較薄的預制襯砌，然后再澆注混凝土內襯，以滿足防護要求。預制拼裝襯砌是由稱為“管片”的多塊弧形預制構件拼裝而成。管片可采用鑄鐵、鑄鋼、鋼筋混凝土等材料制成的各種構件形式。通常，盾構及襯砌結構確定之后，其拼裝方法也就大致決定了。管片拼裝方法根據(jù)結構受力要求，分為通縫拼裝和錯縫拼裝兩種。通縫拼裝，管片的縱縫要環(huán)環(huán)對齊，拼裝較為方便，易定位，襯砌環(huán)施工應力小，但環(huán)面不平整的誤差容易累積起來，特別是采用較厚的現(xiàn)澆防水材料時，更是如此。若結構設計需要采用襯砌本身來傳遞圓環(huán)內力時，宜采用錯縫拼裝，即襯砌圓環(huán)的縱縫在相鄰圓環(huán)環(huán)間錯開l／2～l／3管片。這種管片的環(huán)縱縫可設計成榨形連接，以利拼裝。錯縫拼裝的隧道比通縫拼裝的隧道整體性強，但由于環(huán)面不平整，常引起較大的施工應力，防水材料也常因壓密不夠面滲漏水。管片拼裝方法按其程序，可分為“先縱后環(huán)”和“先環(huán)后縱”兩種。先環(huán)后縱法是：拼裝前將所有盾構千斤頂縮回，管片先拼裝成圓環(huán)，然后用千斤頂使拼好的圓環(huán)縱向靠攏（與已成環(huán)連接成洞）。這種方法拼裝的環(huán)面較為平整，縱縫拼裝質量好，但對易產生后退現(xiàn)象的盾構，不宜采用。先縱后環(huán)的拼裝方法可以有效地防止盾構后退，即拼裝某一塊管片時，就只縮回該管片部分的千斤頂，其它千斤頂則軸對稱地支撐或升壓。這樣逐塊輪流縮回與伸出部分千斤頂，直至拼裝成環(huán)。在整個拼裝過程中，要求控制盾構位置不變。管片拼裝常用舉重臂來進行。舉重臂可以根據(jù)拼裝要求完成旋轉、徑向伸縮、縱向移動等操作，有的還裝有可以微動調節(jié)的裝置。無論是采用先縱后環(huán)還是先環(huán)后縱的方法，舉重臂均能迅速、方便地完成作業(yè)，其操作順序是：自上而下，左右交叉，最后封頂成環(huán)。若采用將襯砌管片縱向插入拼裝的方法，舉重臂沿隧道軸向的移動距離要加長。（四）襯砌壁后壓漿為防止地表沉降，必須將盾尾和襯砌之間的建筑空隙及時壓漿充填。壓漿還可以改善隧道襯砌的受力狀態(tài)，增強襯砌的防水效能，因此，是盾構施工的關鍵工序。壓漿有以下幾種方法，主要應根據(jù)地層條件選用。1．二次壓注。這種壓注工藝是當盾構推進一環(huán)后，立即用風動壓注機通過管片的壓注孔，向襯砌壁后的建筑空隙注人豆粒砂，以防止地層的坍塌。繼續(xù)推進數(shù)環(huán)（5～8環(huán)）后，再用壓漿泵將水泥類漿體灌人砂間空隙，使之團結。二次壓注法施工繁瑣，壓注豆粒砂不易保證密實，尤其是拱頂部分，此外灌注水泥漿時也難填滿。地表沉降量略大，后期常需進行補充壓漿，但這對保護盾尾密封裝置有利。2．一次壓注。若地層條件較差，盾尾空隙一出現(xiàn)就會發(fā)生坍塌時，則希望盾尾空隙內始終保持一定的壓力。在這種情況下宜采用一次壓注法，即隨著盾尾空隙的出現(xiàn)，立即壓注水泥村漿，并保持一定壓力。一旦壓漿出現(xiàn)故障，盾構也要暫停推進。這種工藝對盾尾密封裝置要方較高，易產生盾尾漏漿，必須準備采取有效的堵漏措施。3．三次壓注。同步壓漿填充盾尾間隙，管片脫出盾尾過程中快速壓漿；二次壓漿在3d后，防止?jié){液失水、流失，土體壓縮變形引起沉降；三次壓漿發(fā)現(xiàn)明顯的地表沉陷趨勢或隧道嚴重滲漏時，可在相應區(qū)間進行補充壓漿。根據(jù)施工經驗，壓漿數(shù)量同注人壓力及要求控制的地表沉降有關，一般為理論計算建筑空隙體積的110％～180％。壓漿要對稱于襯砌環(huán)進行，盡量避免單點超壓注漿，以減少襯砌環(huán)的不均勻施工荷載。注漿壓力一般為0.5～1.OMPa。（五）盾構法施工的運輸、供電、通風和排水1．運輸。隧道內需運輸?shù)牟牧嫌虚_挖的土方、管片、壓漿材料，以及隧道延伸所需的枕木、鋼軌、走道板、管道等。運輸方式分為水平運輸和垂直運輸。水平運輸大都采用輕型窄軌（軌距a刀mm），以蓄電池式電機車牽引。在運距長、坡度陡戰(zhàn)情況下，可采用內燃機車。隧道內的水平運輸線，可通過豎井內的罐籠或貨運電梯等垂直運輸工具與地面聯(lián)系。整個運輸系統(tǒng)要根據(jù)施工現(xiàn)場的具體條件，進行合理的設計與布置。2．供電。盾構施工時，除了要重視盾構本身及井下設備的供電外，對地面降水用水泵、氣壓用空壓機等的供電也務必充分保證，否則會因斷電招致重大工程事故。供電系統(tǒng)要考慮足夠的備用系數(shù)，還應采用多路電源供電的辦法。供電線路及設備要有良好的安全措施，并經常維修檢查。如果外電源供電參數(shù)不足時，工地上要采取補償措施，必要時要布置臨時發(fā)電站，其發(fā)電量以保證工程及人身安全為主。例如，維持降水的水泵用電量；氣壓盾構維持工作面氣壓的空壓機電量；隧道內照明以及維持工程安全的設備用電量，以及保證撤出施工人員的電梯、罐籠、訊號用電量等。這些保證供電項目，要明確地反映到工程的施工組織設計中去。3．通風。盾構施工均為獨頭巷道的形式，為此，應根據(jù)工作面實際操作人數(shù)，供給新鮮空氣，并注意調節(jié)工作面的溫度與濕度。隧道內使用電焊、氣割、化學灌漿堵漏時應加大通風量。一般采用礦用通風機，考慮一定距離的接力，送到開挖面。氣壓式盾構直接利用加壓管路接往開挖面，以保證空氣清新。大斷面隧道的工作面還可以布置若干排風扇。氣壓盾構隧道的排氣管宜布置在隧道后部，以利隧道內換氣。地層中含有沼氣、瓦斯等易燃、易爆氣體時，除加強盾構機密閉措施外，還應加強通風。對有害氣體應進行監(jiān)測，并降低到可能爆燃的濃度以下。4．排水。隧道施工用水、滲漏水以及工作面涌水應迅速排除，以保證盾構機械的安全操作。隧道內積水一般先排人工作井，再用專設的抽水系統(tǒng)排至地面。為減少隧道施工所需的排水設備可將盾構推進的線路設計成上坡推進，使積水能自動流人工作井的集水坑。對于有上下縱坡轉換的隧道，要在最低點布置臨時水泵，通過管道將水排往工作井的集水坑。使用氣壓式盾構時，可利用壓力差排除氣壓段積水。若閘墻處于隧道低端，要在常壓段閘墻附近另設排水設施。盾構施工的排水，是保證工程質量和進度的重要環(huán)節(jié)進行施工組織設計時房必進行周密的籌劃和安排。三、盾構法存在的問題盾構法隧道建設對地面干擾小，施工速度快、安全、機構化和自動化程序高等優(yōu)點是顯而易見的，也是今后城市軟土地層隧道建設的發(fā)展方向。但盾構法隧道也存在一系列的缺點和施工難點，主要表現(xiàn)在：1）盾構掘進機引起土體的變形走動、孔隙水壓力波動、過大的地面沉降和隆起；2）盾構在地下“蛇行”前進，方向控制不準，糾偏困難；3）超大直徑、超小直徑、矩形、異形、雙圓形、球形盾少見，無法適應各類交通、上下水、熱力等市政工程的隧道建設需要。4）缺少高精度、高度自動化機械化、適用于長距離快速施工、易于操作和使用的盾構。缺少適應于巖層、軟弱土層、流砂、沼氣等復雜工程地質和水文地質條件的盾構機。5）盾構機造價昂貴；6）盾構法隧道襯砌和接縫滲漏水，隧道后期沉降過大。第二節(jié) 頂管法施工一、常用機具設備頂管法施工常用機具設備有工具管、液壓千斤頂、頂鐵、工作臺與棚架。1．工具管的形式目前較常使用的頂管工具管有手掘式、擠壓式、局部氣壓水力挖土式、泥水平衡式和多刀盤土壓平衡式等幾種。手掘式頂管工具管為正面敞胸，要用人工挖土，如圖2-10所示。擠壓式頂客工具管正面有網(wǎng)格切土裝置或將切口刃腳放大，由此減小開挖面，采用擠土頂進，如圖 2-11所示。切土刃腳 糾偏千斤頂 法蘭圈 糾偏千斤頂 法蘭圈工具管長度約 1m圖2-10 手掘式頂管工具管

圖2-11 擠壓式頂管工具管L-工具管長度約 1.6m；D-工具管外徑；l-喇叭口長度； h1-土斗車輪高度； d-喇叭口小口直徑； h2-糾偏千斤頂高度局部氣壓水力挖土式頂管工具管正面設有網(wǎng)格并在其后設置密封艙，在密封艙中加適當氣壓以支承正面土體，密封艙中設置高壓水槍和水力揚升機用以沖挖正面土體，將沖下的泥水吸出并送入通過密封艙隔墻的水力運泥管道排放至地面的貯泥水池，如圖2-12所示。圖2-12 局部氣壓水力挖土式頂管工具管1-刃腳；2-格柵；3-照明燈；4-胸板；5-真空壓力表；6-觀察窗；7-高壓水倉；8-垂直鉸鏈；9-左右糾偏油缸；10-水槍；11-小水密門；12-吸口格柵；13-吸泥門；14-陰井；15-吸管進口；16-雙球活接頭；17-上下糾偏油缸；18-水平鉸鏈；19-吸泥管；20-氣閘門；21-大水密門；22-吸泥管閘閥；23-泥漿環(huán)；24-清理陰井；25-管道；26-氣壓定正面土體的護壁泥漿，刮土刀盤刮下的泥土沉入密封艙下部的泥水中并通過水力運輸管道排放至地面的泥水處理裝置，如圖2-13所示。

泥水平衡式頂管工具管正面設置刮土刀盤，其后設置密封艙，在密封艙中注入穩(wěn)多刀盤土壓平衡式頂管工具管頭部設置密封艙，密封隔板上裝設數(shù)個刀盤切圖2-13泥水平衡式頂管工具管土器，頂進時螺旋器出土速度與工具管推進速度相協(xié)調，如圖2-14所示。3．頂鐵頂鐵是頂管過程中傳遞頂力的工具，它呆延長千斤頂?shù)男谐?，并且擴大管節(jié)端部的承壓面積；頂鐵由各種型鋼制成，其強度和剛度應經過核算。頂鐵根據(jù)安放位置與使用作用的不同，可分成順鐵、橫鐵和立鐵。順鐵在頂進過程圖2-14中與頂鎬的行程長度配合傳遞頂力，在頂鎬多刀盤土壓平衡式頂管工具管與管子之間陸續(xù)安放。頂鐵的形式一般有矩形、圓形、弧形等，其斷面參見圖2-15。a)b) c)圖2-15頂鐵示意圖矩形頂鐵；b)圓形頂鐵；c)弧形頂鐵

4．工作臺與棚架工作臺搭設在工作井的頂面，主梁采用型鋼，上面鋪設15cm×15cm方木，作為承重平臺，中間留有下管和出土的方孔為平圖2-16卷揚機起重臺與棚架示意圖臺口，在平口上設活動蓋板，裝有滾動輪與導軌。2-16。1-棚架；2-卷揚機；3-活動蓋板；4-滾輪軌；棚架是在卷揚機起重架外面罩以防雨棚，見圖5-方木；6-槽鋼；7-工字鋼；8-工作坑撐木二、頂管法施工程序頂管法施工過程如下：先在管道設計路線上施工一定數(shù)量的小基坑作為頂管工作井（大多采用沉井），作為一段頂管的起點與終點，工作井的一面或兩面?zhèn)缺谠O有圓孔作為預制管節(jié)的出口與入口。頂管出口孔壁對面?zhèn)葔槌袎罕?，其上安裝液壓千斤頂和承壓墊板。千斤頂將帶有切口和支護開挖裝置的工具管頂出工作井出口孔壁，然后以工具管為先導，將預制管節(jié)按設計軸線逐節(jié)頂入土層中，直至工具管后第一段管節(jié)的前端進入下一節(jié)作井的井口孔壁，這樣就施工完了一段管道，繼續(xù)上一施工過程，一條管線就施工完畢。圖 2-17為普通頂管施工布置示意圖。（一）設置1．工作井選址 頂管工時在現(xiàn)場設置包括后背、導軌井是人、機械、動場所，因此，置應考慮以下原1）有可利用后背；2）盡量選屬構筑物如檢查3）工作井出土和運輸，并材及暫存土的場（4）工作井物；5）單向頂在下游一側。種類從工

中心樁鋼絲繩撐木(接起重設備)立板兼作后背管子圓形頂鐵頂鎬機（或墊鋼板）內漲圈后背方木挖運土機順鐵后背頂鐵土導軌坑道板橫鐵木軌基排水層混凝土基坑工作井斷面立板方木管子撐鐵順鐵立鐵撐木頂鎬混凝土基礎水準點排水層工作井底部平面工作井長度L圖2-17 普通頂管施工布置示意

工作井及后背墻的設置工作井是頂管施的臨時性設施，和基礎等，工作材料較集中的活選擇工作井的位則：的坑壁原狀土作擇在管線上的附并處；處應便于排水、具有堆放少量管地；盡量遠離建筑進時工作井宜設作井的使用功能上有單向頂進井、雙向頂進井、多向頂進井及轉角頂進井，見圖2-18。152534工作井實質上是一方形或圓形小基坑，其支護類型同普通基坑一樣有多種形式，包括地下連續(xù)墻、柱列式鉆孔灌注樁、鋼板樁、樹根樁和攪拌柱等形式，與一般基圖2-18工作井種類坑不同的是因其平面尺寸較小，其支護還經1-單向頂進井；2-雙向頂進井；3-多向頂進井；4-轉角頂進井；5-接受常采用鋼筋混凝土沉井。在管徑大于等于井1.8m或頂管埋深大于等于5.5m時普遍采用鋼筋混凝土沉井作為頂進工作井。采用沉井作為工作井時，為減少頂管設備的轉移，一般采用雙向頂進儷當采用鋼板樁工作井時，為確保后座土體穩(wěn)定，一般采用單向頂進。尺寸一般開挖工作井，其底部的平面尺寸應根據(jù)管徑大小、管節(jié)長度、操作設備、出土方式及后背長度等不同情況而定。當上下游管線的夾角>170°時，一般采用直線頂進工作井，即矩形工作井，普遍采用的矩形工作井平面尺寸根據(jù)表2-1選用；當上下游管線的夾角≤170°時，一般采用圓形工作井。表2-1 矩形工作井平面尺寸選用表（ m）頂管內徑(mm) 頂進井(寬×長) 接收井(寬×長) 頂管內徑(mm) 頂管井(寬×長) 接收井(寬×長)800~1200 3.5~7.5 3.5×4.0~5.0 1800~2000 4.5~8.0 4.5×5.0~6.01350~1650 4.0~8.0 4.0×4.0~5.0 2200~2400 5.0~9.0 5.0×5.0~6.0注：采用泥水平衡頂管施工時，其頂進井的寬度應在其一側增加 1m寬度以布置泥水旁通裝置工作井的平面位置應符合設計管位要求，盡量避讓地下管線，減小施工擾動后的影響。工作井與周圍建筑物及地下管線的最小平面距離應根據(jù)現(xiàn)場地質條件及工作井施工方法而定。 采用鋼板樁或沉井法施工的工作井，其地面影響范圍一般按井深的 1.5倍計算，在此范圍內的建筑物和管線等應采取必要的技術措施加以保護。基礎 基礎的形式取決于基底的土質、管節(jié)的重要性以及地下水位的情況，一般有以下 3種形式可供參考：1）土槽木枕基礎。適用于土質較好，又無地下水的工作井。這種基礎施工操作簡便、用料少，可在方木上直接鋪設導軌，見圖2-19。2）卵石木枕基礎。適用于地下水位不高，但地基土為細粉砂或亞砂土近飽和狀，安裝過程中有可能被擾動，可采用卵石木枕基礎，見圖2-20。（3）混凝土木枕基礎。適用于地下水位高，同時地基土質又差的工作井?；炷恋膹姸鹊燃壊坏陀?C18級，厚度為 20cm（不應小于該處井室的基礎加墊層厚度），澆注寬度較枕木長 50cm為宜，并在混凝土內部埋設15cm×15cm的方木作軌枕（方木埋人混凝土的一面包油氈一層）。這種基礎不擾動地基土，能承受較大的荷載，見圖2－21。115．導軌22導軌安裝是頂管施工中的一項40cm40cm重要工作，卵形基礎粗砂填縫安裝的準確圖2-19土槽木枕基礎圖2-20卵石木枕基礎與否直接影1-導軌；2-方木1-導軌；2-方木響管子的頂導軌>C10混凝土基礎進質量，因此導軌宜選用鋼頂進方向質材料制作，409并應有足夠的木軌基150×150與混凝1必要時加鋪卵石100~1500剛度，其安裝土接觸面處包油氈一層要求如下：a)2導軌釘>C10混凝土基礎（1）兩導導軌3軌應平行、等頂進方向80高，或略高于150該處管道的設必要時加鋪卵石100~150木軌基150×150與混凝c)計高程，其坡土接觸面處包油氈一層度應與管道坡b)圖2-21度一致。混凝土木枕基礎（2）安裝a)縱鋪混凝土軌枕基礎；b)橫鋪混凝土軌枕基礎；c)木軌枕臥入混凝土的高度后的導軌應牢固，不得在使用中產生位移，并應經常檢查校核。（3）兩導軌的間距可按下式計算（見圖2-22）：A=A+a0式中：A0——兩導軌的中距(mm)A——兩導軌上部的凈距(mm)A——導軌的上頂寬度(mm)D——管外徑(mm)13h——導軌高度(mm)2e——管外底距枕木的距離(一般為10～25mm)原52．后背墻的設置4土6可以利用坑壁原土作后背墻，但要滿足以下要求：圖2-22導軌安裝間距計算圖（1）后背土壁應鏟修平整，并使壁面與管道頂進方向垂直。789（2）在平直的土壁或撐板前橫排15cm×15cm方木，與土壁或撐板貼緊，方木前可設置立鐵，立鐵前再橫向疊放15cm×40cm橫鐵，>500mm10圖2-23 后背墻裝配圖1-撐板（木板或鋼板）；2-支撐方木；3-撐杠；4后背方木；5-立鐵；6-橫鐵；7-木板；8-護木；9-導軌；10-軌枕見圖2-23。（3）方木應臥到工作井以下一定深度，使頂鎬的著力中心高度不小于方木后背高度的 1/3。（4）靠坑壁橫排方木的面積（ F），可根據(jù)土質允許承載力 [σ]（一般土： 150kPa；濕度較大的粉砂：100kPa；比較干的粘土、亞粘土及密實的砂土： 200kPa）計算。（二）安裝頂管工具管選擇合適的頂管工具管并安裝就位，工具管的形式請參閱本節(jié)前面部分。（三）挖土與頂進管前挖土是控制管節(jié)頂進方向和高程、減少偏差的重要作業(yè)，是保證頂管質量及管上構筑物安全的關鍵。因此管前挖土頂進有如下要求：（1）關于管前挖土的長度a.在一般頂管地段，土質良好，可超前管端 30～50cm；b.在鐵路道軌下不行超前管端以外 10cm，并隨挖隨頂，在道軌以外最大不得超過 30cm，同時應遵守管理單位的規(guī)定。（2）關于管子周圍的超挖在不允許土體下沉的頂管地段（如上頂有重要構筑物或其他管道），管子周圍一律不得超挖；在一般頂管地段，上面允許超挖1.5cm，但在下面135°范圍內不得超挖，一定保持管壁與土基表面吻合，參見圖2-24。（3）安裝管帽在土層松散或有流砂的地段頂管時，為了防止土方坍落，保證安全和便于挖土操作，在首節(jié)管前端可安裝管帽見圖2-25，將管帽頂入土中后便可在帽檐下挖土。帽檐的長度 L，應根據(jù)土質情況而定，有關的經驗計算公式為：圖2-24超挖示意圖圖2-25管帽示意圖L=D/(tan ψ)式中：L——帽檐的長度 (mm)D ——管子的外徑 (mm)ψ——土壤的內摩擦角（°）（4）頂進頂進開始時，應緩慢進行，待各接觸部位密合后，再按正常頂進速度頂進；頂進中若發(fā)現(xiàn)油路壓力突然增高，應停止頂進，檢查原因并經過處理后方可繼續(xù)頂進，回鎬時，油路壓力不得過大，速度不得過快；挖出的土方要及時外運，及時頂進，使頂力限制在較小范圍內。（5）安裝工具脹圈（臨時連接）為了防止鋼筋混凝土管在頂管中錯口，有 利于導向