聚焦日本 | 地下管线的暗挖技术综述（一）——顶管与盾构工艺对比

小编语：

在日本，顶管法与盾构法是常规的地下管线施工工艺工法，除去小规模的明挖工程和推进工程，两者约占八到九成。本期内容小编将主要带大家了解日本的地下管线施工，并对顶管法和盾构法之间进行比较。

#1

日本的地下管线施工

地下管线，不仅仅指与生活密切相关的下水道管、燃气管、电线和通信线等横截面较小的管线（一般在Φ50mm到Φ2m之间），还包括主下水管道、共同沟等中大型隧道。无论其大小形状，凡是设置在地表以下、具有一定空间的线状构造物都被统称为地下管线，是保障城市运行的重要基础设施。

地下管线的施工方法因地基条件的不同大致分为两种，一是硬质地基，通常采用新奥工法；二是未成型的砂土地基，通常采用明挖法、盾构法和顶管法等。

在砂土地基的情况下，施工方法因地下管线的大小、深度和长度的不同而各异，一般来说，从地表向下5m左右比较浅的深度，会采用明挖法；深度更大或不适合采用明挖法的情况下，会采用盾构法和顶管法等非明挖法。

#2

顶管法和盾构法工艺对比

日本隧道技术协会发行的《隧道年报2019》统计了采用盾构法、顶管法和明挖法三种工法进行施工的大规模隧道工程数量的年度变化，统计中的隧道横截面多在0.5m（在顶管法中为公称直径 800mm）以上。2007年以来，盾构法的占比一直在五成以上，并呈上升的趋势，顶管法则占两到三成左右。

▲ 应用各工法施工中的隧道工程数量的变化

（截至2018年底）

采用盾构法建成的隧道是可承受土水压力的管片结构，而顶管法中使用的是顶管（一般为钢筋混凝土管），两者有较大差异。

其次，盾构法和顶管法在施工上也有很大不同，衬砌管片采用盾构机内搭载的拼装机拼装而成，顶管中的衬砌结构则采用固定油缸顶入管节形成。顶管法适用的直径一般为内径Φ15cm至Φ5m之间，而盾构法则是外径Φ2m至Φ16m以上。

此外，过去顶管法很难应对急曲线施工，但现在已经实现了和盾构法几乎相同的R=10m的成绩。

▼ 盾构法和顶管法的比较

	盾构法	顶管法
开发年代	世界：1818年（英国） 日本：1920年（铁道隧道）	世界：19世纪末（美国） 日本：1948年（燃气管用套管）
工法概要	是一种能够在对抗工作面的泥土或泥水产生的土水压力和保证工作面的稳定的同时，通过装配在盾构机上的盾构千斤顶顶住管片以获得反作用力实施掘进的隧道工法。	是一种能够在对抗工作面的泥土或泥水产生的土水压力和保证工作面的稳定的同时，通过在井内设置的油缸向地中顶入顶管并实施掘进的隧道工法。
适用地质	从软弱冲积层到粗石层，适用范围很广。近来被用于岩石地质的实例也很多。	从软弱冲积层到粗石层，适用范围很广。近来被用于岩石地质的实例也很多。
深 度 (最小覆土)	最小覆土一般为0.5D左右，在始发井 、接收井等部分区间，覆土也有为0的实例。	最小覆土从实际实例来看，一般在1.0~1.5D之间。
深 度 (最大覆土)	最大覆土可达到200m以上，最大水压在1.25MPa左右。	最大覆土在40m以下，最大水压在0.3MPa左右。
断面形状	开挖直径2~16m左右 圆形，复圆形，椭圆形，矩形	公称直径0.15~5m左右 圆形，矩形
衬砌材料	管片 （RC/钢制/合成）	顶管 （RC/铸铁/合成）
尾部间隙	填充同步注浆材料	施工时：注入润滑剂 到达后：填充同步注浆材料
施工总长	有超过9km的超长距离施工实例	与盾构法相比施工总长较短，但有1.4km的实例
曲线施工	一般情况下，曲率半径/盾构外径=3~5左右的急曲线是可以实现的。有最小曲线半径为8m的实例。	使用特殊的顶管机、顶管，可以进行急曲线施工。有最小曲线半径为10m的实例。

#3

近些年工艺的发展变化

近年来，无论是盾构法还是顶管法，两者的工艺工法都有了巨大的提升。

过去，在城市内采用非明挖法时，会面临各种各样的问题，诸如，始发基地用地不足、狭窄路面下的铺设、构造物的大型化/非圆形化、在设计线路上存在地下障碍物、越来越多的老旧管线，还需要缩短工期和降低成本。

为了解决这些问题，新技术不断被开发出来，例如，增加竖井间掘进总长的长距离施工技术、即使在狭窄的交叉路口也能进行曲线施工的急曲线施工技术、可以缩短工期的高速掘进技术、适应构造物要求功能的大断面/非圆形断面施工技术、不占用地上空间的地下障碍物应对技术，以及在老旧管线原位置更换新管线的技术等等。

下一期，小编将分别针对盾构法和顶管法，介绍此类施工技术在地下管线施工中新应用，如果您感兴趣的话，请继续关注！