挖洞小盾构，钻地如神龙

——城市管网建设中的中小型盾构机发展概况（一）

整理：陈仁全

引言：最近好几位市政、电力行业的朋友询问地下管廊开挖的设备情况，对于中小直径的管廊开挖采用“盾构机”（Shield Machine）是否合理，技术是否可行，与顶管有何区别，TBM又是针对什么情况采用的……总之，中小直径硐室采用自动化机械化设备开挖，特别在城市基础建设中许多业主决策层和工程师们都有许多疑惑，据此，特地精简整理一些资料分享。从专业角度上讲自己也有许多不熟悉，权当共同学习，共同推动环保化、安全化、自动化施工工艺在建设行业中的应用。如需专业详细资料可留言，将一份考察报告发送供参考。另外，科学网上关于工程建设主题的科普文章不多，编辑MM记得精选，哈哈。

图1 江苏中小型盾构机考察现场

一、国内外发展现状与趋势

随着我国城市轨道交通事业的高速发展，地铁隧道盾构机市场保有量近年来呈爆发式增长，已达到了高峰期。但市政管线盾构机市场应用现仍处在起步阶段，目前国内专用于各类市政工程管线施工的3~5m直径的盾构机数量仅为20台左右（搜狐网，2016-11-21）。应用领域不同市政管线盾构机专门应用于电力、热力、燃气、给水、雨水、污水、再生水、输油管道等各类市政管线工程施工，管径相对较小，埋深也较浅，一般在4~9 m；地铁隧道盾构机专门应用于地铁隧道施工，管径相对较大，埋深也较深，一般10m以上。现在国内地铁普遍应用的是大于6m的隧道，盾构机直径也就6.3m左右，不过也有8m的，以及大直径的11m甚至14m以上的隧道，盾构机直径也就比隧道直径大一点。通常市政管网建设中管道断面直径常规一般小于5m。

目前，对于中小直径盾构机的具体统一分类可能尚无标准，一般说来直径小于1m为超小型盾构机；1~3.5m为小型盾构；3.5~6m为中型盾构，大于6m叫大型盾构和超大型盾构（据石家庄铁道大学）。

二、盾构机分类与区别

1.盾构掘进机

盾构掘进机（Shield Machine）是地面下暗挖施工隧道的专用工程机械，它具有一个可以移动的钢结构外壳（盾壳），内装有开挖、排土、拼装和推进等机械装置，可以进行开挖、支护、衬砌等多种作业的一体化施工，被广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程建设。

目前，市场上有很多不同种类的盾构机，划分类型的依据也有多种。如按掘削地层分类：硬岩盾构（TBM）、软岩盾构、软土盾构和硬岩软土盾构。按掘土出土器械的机械化程度程度分类：人工挖掘式、半机械掘削式和机械掘削式等。不过通常认为，主要区别在于土压力和地下水压力的平衡方式以及工作面的掘进方式不同。由此可以将盾构机分2种最为基本的类型：即闭式盾构机和开放式盾构机。

闭式盾构机为当前最主要盾构机类型，工作面与盾尾之间设有一道压力墙，根据所使用的平衡介质不同，又将其细分为气压平衡盾构机、泥水式盾构机和土压平衡式盾构机等。

图2 广义范围内盾构机分类

盾构机的分类原则：无论是那种盾构机或TBM，不管是圆形的方形的、单圆的多园的、人工的、机械的、半机械的等等，它们都必须具备两种功能：①与围岩的主动土压和水压的平衡方式；②出土方式。盾构作为一种保护人体和设备的护体，其外形（断面形状）随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉，绝大部分盾构还是采用传统的圆形。

（1）土压平衡式盾构机——通过调节出泥舱的土压力稳定开挖面，弃土可以从出泥舱排出，适用于淤泥质土和流塑性大黏性土；

（2）泥水平衡式盾构机——通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面，弃土以泥水方式排出。适用于粉质土和渗透系数较小的砂性土；

（3）气压平衡式盾构机——通过调节出泥舱的气压稳定开挖面，弃土以泥水方式排出。适用于地下障碍物的复杂土层。

图3 盾构机部分主要组成部分

2.顶管机

顶管机（Pipe Jacking Machine），如果单纯从掘进开挖和排土装置讲定义，可能现在与盾构机发展的已比较接近。但从从整体机械装置组成的上讲，至少前进动力的推进装置还是有明显差别。盾构和顶管在管片和管道顶进施工环节有很大差别，但其掘进机的工作原理和施工技术是基本相同的（马保松，2008）。

图4 顶管机掘进作业主要组成部分

3.硬岩掘进机

硬岩掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM），实际上TBM是广义的说法，但在国内习惯性将其针对性指硬岩掘进机，实际工作在全断面岩石地层中。TBM与盾构机（狭义）主要区别就是，TBM不具备承受泥水压力、土压力等维护掌子面稳定的功能，而盾构施工由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成（陈馈等，2016）。

图5 兰州某引水洞TBM掘进施工过程现场（同事杜金龙摄，2016）

4.工艺区别

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。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。

盾构施工与顶管施工的最大区别在于：盾构施工的首节管（片）位于工作坑的洞口，而顶管施工的首节管是随着顶管机向前移动（顶进），管道完成后，位于接收坑的洞口处（马保松，2008）。顶管机的主顶油缸不是位于顶管机内，而是在顶进工作坑的主顶工作站。进一步解释就是：顶管的油缸产生向前的主动推力顶着前面管环前进，盾构机是通过油缸挤压后面已安装的管片所产生向前的反力推动盾构机向前行进施工。

三、盾构工法的主要优缺点

1.盾构法优点

（1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工；

（2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。

2.盾构法缺点

（1）盾构机械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂；在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险极大。

（2）需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、始发接收场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调难；

（3）盾构机的通用性比较差，适应性有限，并非所有地层都适合盾构施工，需要针对地层情况专门进行设计。

尽管有目前现有的许多管道建设可以用顶管法实施或者可以替代盾构法，但盾构法施工前进阻力不受隧道长度增加而增加。顶管法推进的阻力随管道长度的增加而增加。当然，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，通常间隔100m就需要设置1个中继站（IntermediateJacking Station）。所以在遇到地面建筑密集无法设置中间井，或者地层阻力过大，或者有急转弯情况，盾构法可以“一口气”完成，会有明显的施工优势。

总之，盾构机在地铁区间施工中正被越来越广泛的使用，而在市政管网、天然气管道暗挖施工中也逐步开始兴起，虽然造价相对顶管施工工法比贵，但具有其独特的技术、工期和职业安全优势，势必也会快速发展起来。

四、国内已实施典型案例

（1）2004年，重庆市忠县至武汉的天然气输送管道（忠武线）长江盾构穿越工程位于宜昌市红花套镇至云池江段内，工程从长江南岸地表下40米深处向北岸打通直径2.4米的隧道，穿越长度1400米。长江红花套盾构工程同时被命名为“中国石油第一盾”。

（2）2014年，中煤三建承揽的广州市220千伏航云输变电电缆隧道工程建设采用了江苏锐成机械有限公司生产的泥浓式推进盾构机，可进行“小半径三维转弯”、可长距离推进施工等优势。

（3）2012年，南京市雨花台区220kV雨花变-南站变电缆线路工程，由2个工作井、1条隧道段组成，沿途穿越农花河，河面宽25m，之后由绕城高速桥下桩间穿过进入接收井。隧道段采用盾构法施工，全线长828m，坡度为1.7%，隧道转弯半径为360m。

（4）2016年，南京市洪武路污水主干管工程盾构段位于秦淮区外秦淮河河道内，管道近东西向，全长约700米，盾构机内径2.1米，外径2.6米。管道沿秦淮河河流方向，通过河底接通南北管路，线路有S型连续转弯，最小转弯半径R=80米两处，秦淮河底施工覆盖层薄，最小覆土2.4米，隧洞穿越上软下硬的复合地层。

（5）2017年，最近武汉市江夏区清水入江工程（二期）项目在八分山片排水改造工程的盾构机已经始发，4250mm盾构机，80m急转弯。

图6 南京洪武路污水主干管工程盾构始发现场

主要参考资料：

[1]     马保松. 非开挖工程学[M]. 人民交通出版社, 2008.

[2]     陈馈，洪开荣，焦胜军. 盾构施工技术（第二版）[M]. 人民交通出版社，2016

[3]     袁亮亮. 浅谈小曲线半径盾构施工难点[J]. 科技与企业,2013(6):174-174.

[4]     胡辉, 洪赓武, 杜胤平. 试用QC控制小曲率半径盾构推进[J]. 城市道桥与防洪,2005(4):77-80.

[5]     黄雪梅, 钱新. 盾构小曲率半径下穿多轨道铁路特级风险源的技术[C]// 施工机械化新技术交流会.2010.

[6]     刘晓文, 唐小萍, 李术希,等. 广州地铁5号线急转弯段盾构掘进及管片选型[J]. 施工技术, 2010,39(9):47-49.

[7]     苏文渊. 小曲率半径转弯段盾构施工隧道特性研究[D]. 华南理工大学, 2014.

[8]     江苏锐成机械有限公司. 城市管网整体解决方案[R]. 2016

[9]     中石油管道局四公司（穿越公司）. 管道局顶管施工介绍 [PPT]. 2015-05

[10]  中石油管道局四公司（穿越公司）. 管道局深圳福田顶管施工技术汇报[PPT]. 2016-04

[11]  江苏锐成机械有限公司. 小直径盾构工法在我国城市管网的应用 [PPT]. 2016-05-08

[12]  郭京波. 石家庄铁道大学《大型施工机械》——盾构机部分[PPT].

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