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发展阶段
1984年前后，我国的北京、上海、南京等地先后开始引进国外先进的机械式顶管设备。
从而，使我国的顶管技术上了一个新台阶。
尤其是上海市政公司引进了日本伊势机公司的内径800mmTelemale顶管掘进机（具有机械平衡土压力和泥水平衡地下水压力的双重平衡和电视遥控功能）以后，随之也引进了一些顶管理论、施工技术和管理经验。
随后，诸如土压平衡理论、泥水平衡理论、管接口形式和制管新技术都慢慢地流行起来。
1988年，上海研制成功我国第一台2720mm多刀盘土压平衡掘进机，先后在虹漕路、浦建路等许多工地使用，取得了令人满意的效果。
该类机种到目前为止，已有4.6km的累计顶进长度的业绩。
1992年，上海研制成功国内第一台加泥式1440mm土压平衡掘进机。
用于广东省汕头市金砂东路的繁忙路段施工，施工结束所测得的最终地面最大沉降仅有8mm，该点位于出洞洞口前上方。
其余各点的沉降均小于1mm。
该类型的掘进机目前已成系列，最小的为1440mm，最大的为3540mm。
该机中的1650mm机种荣获了上海市1995年科技成果三等奖。
到现在管径更大。
到目前为止，顶管施工随着城市建设的发展已经越来越普及，应用的领域也越来越宽。
我们知道，顶管施工最初主要用于下水道施工。
可是，近来运用到自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆和发电厂循环水冷却系统等许多管道的施工中。
并在顶管的基础上发展成一门非开挖施工技术、还成立了各种非开挖施工协会，创办了有关的专业刊物。
目前世界最大盾构法隧道成功穿越黄浦江最深处
2006.5我国首台遥控式大截面矩形盾构
该盾构组合后外径可达15.43米
盾构机直径11.38米，总长57米，重1100吨
２、理论、技术发展
随着顶管施工的普及和专业化．它的理论也日臻完善。
即使最简单的手掘式顶管施工，也需要从理论上来论证其挖掘面是否稳定的问题。
稳定包括两个方面的内容：
第一是工具管前方挖掘面上的土体是否稳定；
第二是工具管前上方的覆土土层是否稳定。
如果发现有不稳定的现象，就必须采用有效的辅助措施使其保持稳定。
目前，在顶管施工中最为流行的有三种平衡理论：
气压平衡、泥水平衡和土压平衡理论。
（1）气压平衡
气压平衡又有全气压平衡和局部气压平衡之分
全气压平衡使用得最早，它是在所顶进的管道中及挖掘面上都充满一定压力的空气，以空气的压力来平衡地下水的压力。
局部气压平衡则往往只有掘进机的土仓内充以一定压力的空气，达到平衡地下水压力和疏干挖掘面土体中地下水的作用。
（2）泥水平衡理论
就是以含有一定量粘土的且具有一定相对密度的泥浆水充满掘进机的泥水舱，并对它施加一定的压力，以平衡地下水压力和土压力的一种顶管施工理论。
按照该理论，泥浆水在挖掘面上能形成泥膜，以防止地下水水的惨透，然后再加上一定的压力就可平衡地下水压力，同时，也可以平衡土压力。
该理论用于顶管施工始于50年代末期。
（3）土压平衡理论
就是以掘进机土舱内泥土的压力来平衡掘进机所处土层的土压力和地下水压力的顶管理论。
3、顶管类型的变化
现在，长距离大口径的顶管日渐增多。
过去，顶管是作为一种特殊的施工手段，不到万不得已，一般不轻易采用。
因此，顶管常被当作穿越铁道、公路、河川等的特殊施工手段，施工的距离一般也比较短，大多在20m一30m左右。
现在顶管施工作为一种常规施工工艺已广泛地被业主所接受，而且，一次连续顶进的距离也越来越长。
现在，一次连续顶进百米已是司空见惯的事，最长的一次连续顶进距离可达数千米之远。
常用的顶管管径也日渐增大，实际施工中，最大的顶管口径已达4m。
我国和日本都把3m口径的混凝土管列入顶管口径系列之中，德国最大的顶管口径为5m。
为了克服长距离大口径顶进过程中所出现的推力过大的困难，注浆减摩成了重点研究课题。
现在顶管的减摩浆有单一的也有由多种材料配制而成的。
它们的减摩效果之明显已被广大施工单位所认识。
在粘性土中，混凝土管顶进的综合摩阻力可降到3kPa（0.3tf／m2），钢管则可降到lKPa（0.1tf／m2"
）。
顶管技术除了向大口径管的顶进发展以外，也向小口径管的顶进发展,最小顶进管的口径，只有75mm，可称得上微型顶管。
这类管子在电缆、供水、煤气等工程中应用得最多。
这类管子除了口径小以外还有覆土浅、距离短的特点。
过去多采用开挖，现在也逐渐采用非开挖的顶管技术。
过去顶管大多只能顶直线，而现在已发展成曲线顶管。
而且曲线形状也越来越复杂，不仅有单一曲线，而且有复合曲线，如S形曲线；
不仅有水平曲线，而且有垂直曲线；
还有水平和垂直兼而有之的复杂曲线等。
曲线的曲率半径也越来越小，这些都使顶管施工的难度增加许多。
除此之外，为了适应长距离顶管之需要，已开发出一种玻璃纤维加强管，它的抗压强度可达90MPa-100MPa，是目前使用顶管用管子的1．5倍左右。
另外，混凝土管的各种防腐措施也纷纷出台，甚至有用PVC塑料管和玻璃纤维管取代小口径的混凝土管或钢管作为顶管用管。
顶管的附属设备、材料也得到不断的改良，如主顶油缸已有两级和三级等推力油缸。
土压平衡顶管用的土砂泵已有各种形式。
此外，测量和显示系统有的已朝自动化的方向发展，可做到自动测量、自动记录、自动纠偏，而且所需的数据可以自动打印出来。
这些，都使顶管技术迈向了新的高峰。
二、基本原理
顶管施工就是借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推到接收坑内吊起。
与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两坑之间，这是一种非开挖的敷设地下管道的施工方法。
无论是何种形式的顶管，在施工过程中要保证地面无沉降和隆起，关键所在是要保证顶进面土压力与掘进机头保持动平衡。
它有两方面的基本内容：
第一，顶管掘进机在顶进过程中与它所处土层的地下水压力和土压力处于一种平衡状态；
第二，它的排土量与掘进机推进所占去的土的体积也处于一种平衡状态。
只有同时满足以上两个条件，才能算是真正的土压平衡。
从理论上讲，掘进机在顶进过程中，其顶进面的压力p如果小于掘进机所处土层的主动土压力时，地面就会产生沉降。
反之，如果在掘进机顶进过程中，其顶进面的压力大于掘进机所处土层的被动土压力时，地面就会产生隆起。
并且，上述施工过程的沉降是一个逐渐演变过程，尤其是在粘性土中，要达到最终的沉降所经历的时间会比较长。
然而，隆起却是一个立即会反映出来的迅速变化的过程。
隆起的最高点是沿土体的滑裂面上升，最终反映到距掘进机前方一定距离的地面上。
裂缝自最高点呈放射状延伸。
如果我们把土压力控制在主动土压力＜p＜被动土压力这样-个范围内、就能达到土压平衡。
从实际操作来看，在复土比较深时，从主动土压力到被动土压力这-变化范围比较大，再加上理论计算与实际之间有一定误差，所以必须进一步限定控制土压力的范围。
一般常把控制土压力p设置在静止土压力正负20kPa范围之内。
另外，从实际操作来看，不同土质条件时，控制土压力的计算方法也不尽相同。
例如，在粘性软土中，若粘土成分比较大，占50％左右，ф角很小，有时接近于0，N值也很小，只有2-3之间，土的空隙比又比较大，容重比较小的情况下，水压力的影响比较小，可以忽略。
但是，若在内摩擦角比较大，砾石成分占50％以上时，控制土压力可以用地下水压力代替。
因为这时土仓内的土还必须加粘土等进行改良，以增加其止水性。
对土仓内起决定性作用的压力是地下水压力。
以上情况若是在砂的成分大于80％的粗砂层也是适用的。
有时，在河川下顶进，这时计算控制土压力可以分两步进行，首先计算出水压力，然后再计算出河床至管中心的土压力，最后把两者相加即得到控制土压力。
掘进机的土压管理完全依据于土压力的理论计算。
有时，在一节顶管中会有几种不同的土质条件。
最典型的是在河川下顶管，它有岸上和河下之分。
这时应采取分段土压管理的方式，把岸上顶管的控制土压力和水下顶管的控制土压力分开来管理。
因此，在顶进到一定距离以后控制土压力应有所更改。
掘进机土压力大小的控制与以下几个运转条件有关。
1．与顶进速度有关。
如果输土量不变，顶进速度与土压力成正比。
因此，要保持机内控制土压力不变就必须把顶进速度调节在一个合适的范围以内。
2．与排土量有关。
如果推进速度恒定，那么控制土压力与排土量成反比。
3．顶进速度和排土量同时改变，也可以保持控制土压力在规定的范围内。
当推进速度提高时，土压力随之上升，与此同时，也提高排土量。
以第三种控制方法最为理想。
第一种控制方法特性变化比较陡，第二种控制方法特性变化比较软，比较平缓。
在初始顶进时，必须反复试验，只有当初始顶进比较正常了，才可对掘进机进尺时所占的空间及排出土的质量之间进行比较。
一般情况下，在排土量达进尺空间土质量的95％一100％时，都应视为正常。
为了进一步检验排土是否标准，还可以根据地面沉降量来确定是否需要增加或减少排土量。
假定我们设计的地面最大沉降量为正负5mm。
如果地面出现隆起，就应增大排土量；
如果地面出现沉降，就应减少排土量。
只有在上述一切数据都正常的情况下，才可以进行正常的顶进。
掘进机土压力大小如采用自动控制，则可使排土控制更加精确、方便。
三、顶管分类
顶管施工的分类方法很多，而且每一种分类方法都只是从某一个侧面强调某一方面，不能也无法概全，所以，每一种分类主法都有其局限性。
下面我们介绍几种使用最为普通的分类方法。
1、第一种分类方法最为简单，它就是按所顶管子口径之大小来分的，可分为大口径、中口径、小口径和微型顶管四种。
大口径多指ф2000mm以上的顶管，人能在这样口径的管道中站立和自由行走。
大口径的顶管设备也比较庞大，管子自重也较大，顶进时比较复杂。
最大口径可达ф5000mm，比小型盾构还大。
中口径是指人猫着腰可以在其内行走的管子，但有时不能走得太远。
这种管子口径为ф1200mm—ф1800mm。
在顶管中占大多数。
小口径是指人只能在管内爬行，有时甚至于爬行也比较困难的管子。
这种管子口径在ф500mm—фl000mm之间。
微型顶管其口径很小，人无法进入管子里，通常在ф400mm以下，最小的只有ф75mm。
这种口径的管子一般都埋得较浅，所穿越的土层有时也很复杂，已成为顶管施工的一个新的分支，技术发展很快，这种顶管在形式上也不断创新。
2、第二种分类方式是以推进管前工具管或掘进机的作业形式来分。
推进管前只有一个钢制的带刃口的管子。
具有挖土保护和纠偏功能的被称为工具管。
人在工具管内挖土，这种顶管则被称为手掘式。
如果工具管内的土是被挤进来再做处理的就被称为挤压式。
1）以上两种顶管方式在工具管内部没有掘进机械：
如果在推进管前的钢制壳体内有机械的则称为半机械或机械顶管。
在钢制壳体中没有反铲之类的机械手进行挖土的则称为半机械式。
为了稳定挖掘面。
这类半机械式顶管往往需要采用降水、注浆或采用气压等辅助施工手段。
我们在机械顶管中都可看到推进管前有一台掘进机。
2）机械掘进机的种类
又可把机械顶管分成泥水式、泥浆式、土压式和岩石掘进机。
而顶管也被区分为泥水式、泥浆式、土压式和岩石式顶管。
上述四种机械式顶管中，又以泥水式和土压式使用得最为普遍，掘进机的结构形式也最为多样。
3、第三种分类方法是以推进管的管材来分类的。
可分为钢筋混凝土管顶管和钢管顶管以及及他管材的顶管。
4、第四种分类方法是按顶进管子轨迹的曲直来分的，可分为直线顶管和曲线顶管。
曲线顶管技术相当复杂，是顶管施工的难点之一。
5、第五种分类方法是按工作坑和接收坑之间的距离的长短来分，可分为普通顶管和长距离顶管。
而长距离顶管是随顶管技术不断发展而发展的。
过去把100m左右的顶管就称为长距离顶管。
而现在随着注浆减摩技术水平的提高和设备的不断改进，百米已不成为长距离了。
现在通常把-次顶进300m以上距离的顶管才称为长距离顶管。
常用分为：
水泥顶管、土压顶管两大类。
第二节水泥顶管
一、水泥平衡原理
在顶管施工的分类中，我们把用水力切削泥土以及虽然采用机械切削泥土而采用水力输送弃土，同时有的利用泥水压力来平衡地下水压力和土压力的这一类顶管形式都称为泥水式顶管施工。
这样,从有无平衡的角度出发、又可以把它们细分为具有泥水平衡功能的和不具有泥水平衡功能的两大类。
如常用的网格式水力切割土体的,是属于没有泥水平衡功能的一类。
即使它采用了局部气压--向泥土仓内加上一定压力的空气，也只能属气压平衡而非泥水平衡。
然而,现今生产的比较先进的这类顶管掘进机大多具有泥水平衡功能。
在泥水式顶管施工中，要使挖掘面上保持稳定，就必须在泥水仓中充满一定压力的泥水，泥水在挖掘面上可以形成一层不透水的泥膜，它可以阻止泥水向挖掘面里面渗透。
同时，该泥水本身又有一定的压力，因此，它就可以用来平衡地下水压力和土压力。
这就是泥水平衡式顶管最基本的原理。
（一）泥水式顶管施工有以下优点：
1.适用的土质范围比较广，如在地下水压力很高以及变化范围较大的条件下，它也能适用。
2．可有效地保持挖掘面的稳定、对所顶管子周围的土体扰动比较小。
因此，采用泥水式顶管，特别是采用泥水平衡式顶管施工引起的地面沉降也比较小。
3．与其他类型顶管比较，泥水顶管施工时的总推力比较小，尤其是在粘土层这表现得更为突出。
所以，它适宜于长距离顶管。
4．工作坑内的作业环境比较好，作业也比较安全。
由于它采用泥水管道输送弃土，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业。
它可以在大气常压下作业，也不存在采用气压顶管带来的各种问题及危及作业人员健康等问题。
5．由于泥水输送弃土的作业是连续不断地进行的，所以它作业时的进度比较快。
在粘土层中，由于其渗透系数极小，无论采用的是泥水还是清水，在较短的时间内，都不会产生不良状况，这时在顶进中应考虑以土压力作为基础。
在较硬的粘土层中，土层相当稳定，这时，即使采用清水而不用泥水，也不会造成挖掘面失稳现象。
然而，在较软的粘土层中，泥水压力大于其主动土压力，从理论上讲是可以防止挖掘面失稳的。
但实际上，即使在静止土压力的范围内，顶进停止时间过长时，也会使挖掘面失稳，从而导致地面下陷。
这时，我们应把泥水压力适当提高些。
在渗透系数较小，如k≤1×
10-3cm／s的砂土中，泥浆相对密度应适当增加。
这样，在挖掘面上使泥膜在较短的时间内就能形成，从而泥水压力就能有效地控制住挖掘面的失稳状态。
在渗透系数适中，如1×
10-3cm／s≤k<
1×
10-2cm／s的砂性土中，挖掘面容易失稳。
这就需要我们注意，必须保持泥水的稳定。
即进入掘进机泥水仓的泥水中必须含有一定比例的粘土和保持足够的相对密度。
为此，在泥水中除了加入一定的粘土以外，再须加一定比例的膨润土及CMC作为增粘剂。
以保持泥水性质的稳定，从而达到保持挖掘面稳定的目的。
在砂砾层中施工，泥水管理尤为重要，稍有不慎，就可能使挖掘面失稳。
由于这种土层中一般自身的粘土成分含量极少，所以在泥水的反复循环利用中就会不断地损失-些粘土。
这就需要我们不断地向循环用泥水中加入一些粘土，才能保持住泥水的较高粘度和较大的相对密度。
也唯有这样，才可使挖掘面不会产生失稳现象。
（二）在泥水顶管的施工过程中，应注意以下几个问题：
1.当掘进机停止工作时，一定要防止泥水从土层中或洞口及其他地方流失。
不然，挖掘面就会失稳。
尤其是在出洞这一段时间内更应防止洞口止水圈漏水。
2．在掘进过程中，应注意观察地下水压力的变化，并及时采取相应的措施和对策，只有这样，才能保持挖掘面的稳定。
3．在顶进过程中。
随时要注意挖掘面是否稳定，要不时检查泥水的浓度和相对密度是否正常，还要注意进排泥泵的流量及压力是否正常。
应防止排泥泵的排量过小而造成排泥管的淤积和堵塞现象。
（三）土压平衡原理
土压平衡式顶管式顶管的基本原理是通过机头前方的刀盘切削土体并搅拌，同时由螺旋输土机输出挖掘的土体的一种顶管方法。
在土压机头的前方面板上装有压力感应装置，操作者通过控制螺旋输土机的出土量以及顶速来控制顶进面压力，和前方土体静止土压力保持一致即可防止地面沉降和隆起。
土压平衡式顶管机从刀盘的分类可分为单刀盘和多刀盘两种：
1、单刀盘式顶管机的切削断面可做到100%，土仓内的土压力等于顶进面上的压力，反映出的土压力较多刀盘式顶管机准确。
因此，地面变形量要小于多刀盘式顶管机。
而且，当机头产生旋转的情况下，可通过改变刀盘的旋转方向进行纠正旋转。
在纠正机头旋转的控制方面要优于多刀盘式顶管机。
2、多刀盘式顶管机采用若干个独立的切削搅拌刀盘，整机的重量要小于单刀盘式顶管机，即使在极易液化的土层中施工，也不会因掘进机过重而产生向下偏差现象。
此种掘进机虽不是全断面切削搅拌，但它的数个切削搅拌刀盘和螺旋输送机也可达全断面的70%左右，可完全满足在中软土层中顶管施工的要求。
另外，此种机头也有价格低廉、结构紧凑、操作容易、维修方便的特点。
（四）水泥顶管掘进机介绍：
刀盘伸缩式、刀盘伸缩式遥控型、偏压破碎型、分割偏压破碎型
砾石破碎型、偏压破碎岩盘机、网格水冲
刀盘是-个直径比掘进机前完体略小的具有一定刚度的圆盘。
圆团盘中还嵌有切削刀和刀架。
刀盘和切削刀架之间可以同步伸缩，也可以单独伸缩。
而且，不论刀盘停在哪一个位置上，切削刀架都可以把刀盘的进泥口关闭。
刀架上的切土刀呈八字形，无论是刀盘正转还是反转，它都可以切土。
刀盘的中心有一三角形的中心刀。
刀盘的边缘有两把对称安装的边缘切削刀，该刀可在土中挖掘成-个直径与掘进机外径相等或者比掘进机外径大一些的隧洞，便于推进。
刀盘上还有一些螺旋形布置的先行刀，它的主要功能是进行辅助切削。
刀盘驱动装置是由电动机、行星减速器、齿轮箱、主轴等部件构成。
刀盘加压装置是安装在主轴中的油缸，刀架伸缩油缸则安装在刀盘加压装置的上方。
为了防止在推进速度过快、土压力过大时刀盘后缩到极限位置而使掘进机损坏，在刀盘到达极限之前，设有-保险装置。
在刀触及保险装置时能使主顶油缸停止推进，并发出报警声，直到刀盘离开该位置为止。
进排泥阀分别安装在进排泥管中，这两个阀同时由一只油缸控制。
两阀只能同时打开、同时关闭．所以也称双连阀。
两阀关闭以后，泥水仓内与外界就隔离；
两阀打开，泥水仓就与进排泥管接通
TM或MEP型掘进饥的工作原理原如下：
刀盘前土压力过小时，它就往前伸；
刀盘前土压力过大时，它就往后退。
刀盘前伸时，应加快推进速度；
刀盘后退时，应减慢推进速度。
这样，就可以使刀盘前的土压力控制在设定的范围内。
如果刀盘前压力小于土层的主动土压力PA时，地面就下陷；
反之，如果刀盘前压力大于土层的被动土压力PP时，地面就隆起。
整个刀盘是由和刀盘主轴为一体的一台油缸支承着，调定油缸的压力就可以设定土压力。
当刀盘受到大于设定的土压力时就后退，反之则前伸。
只要推进速度得当，刀盘就可以保持浮动状态。
土压力的设置方法就是调定好刀盘油缸的最高工作压力，当油缸超过此压力P时，油通过溢流阀溢流。
由于刀盘油缸在工作时，一直有一台油泵为之供油，所以，当油缸后腔的压力低于设定值时，油缸就会自动往前伸；
反之，则会往后退。
由于有以上刀盘可伸缩的浮动特性以及刀架可开闭的进泥口调节特性，这种掘进机就可以实现用机械来平衡土压力的功能。
假定我们把刀盘前的土压力设定在80kPa，如果在以一定速度的推进过程中，当刀盘前的压力低于80kPa时，刀盘就会往前伸。
与此同时，减小或关闭了进泥口，这样由于进泥少了，如果推进的速度仍保持不变，刀盘前的压力就会上升。
反之，如果刀盘前方的土压力大于80kPa时，刀盘就往后退，进泥口就会增大，从而增加了进泥量。
如果推进速度不变，刀盘前的压力就会下降。
以上就是机械平衡土压力的全过程。
另外，TM或MEP的泥水压力也是可调节的，刀架的开闭状态这就使其具有用泥水压力来平衡地下水压力的功能。
不过、这种顶管掘进机比较适用于软土和土层变化比较大的土层，用它施工后的地面沉降很小，一般在5mm以内。
MEP外观
MEP内部构造
模拟三维视图
刀盘可伸缩
2、刀盘伸缩式遥控型：
这种形式的泥水平衡顶管掘进机是日本伊势机开发工机独创的一种顶管机。
它分为大小口径两种：
小口径机人无法进去，就采用远距离控制，称之谓TM型；
大口径机人可以进入，人直接在管内操作则称之谓MEP型。
除此以外，两者的工作原理完全相同。
其他部件及功能与刀盘伸缩式相近。
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