1.机械掘进顶管
机械掘进与人工掘进的工作坑布置基本相同，不同处主要是管端挖土与运土。机械取土顶管是在被顶进管子前端安装机械钻进的挖土设备，配上皮带运土，可代替人工挖、运土。
当管前土被切削形成一定的孔洞后，开动千斤顶，将管子顶进一段距离，机械不断切削，管子不断顶入。同样，每顶进一段距离，需要及时测量及纠偏。
常用机械设备：
（1）伞式挖掘机。如图5.33所示，用于800mm以上大管内。是顶进机械中最常见的型式。挖掘机由电机通过减速机构直接带动主轴，主轴上装有切削盘或切削臂，根据不同土质安装不同型式的刀齿于盘面或臂杆上，由主轴带动刀盘或刀臂旋转切土。再由提升环的铲斗将土铲起、提升、倾卸于皮带运输机上运走。典型的伞式掘进机的结构一般由工具管、切削机构、驱动机构、动力设施、装载机构及校正机构组成。伞式挖掘机适合于黏土、粉质黏土、亚砂土和砂土中钻进，不适合弱土层或含水土层内钻进。
图5.33 伞式挖掘机
1—刀齿；2—刀架；3—刮泥板；4—超挖机；5—齿轮变速；6—电机；7—工具管；8—千斤顶；9—皮运机；10—支撑杆；11—顶进管
（2）螺旋掘进机。如图5.34所示，主要用于管径小于800mm的小口径顶管。管子按设计方向和坡度放在导向架上，管前由旋转切削式钻头切土，并由螺旋输送器运土。螺旋式水平钻机安装方便，但是顶进过程中易产生较大的下沉误差。而且，误差产生不易纠正，故适用于短距离顶进；一般最大顶进长度为70～80m。800mm以下的小口径钢管顶进方法有很多种，如真空法顶进。这种方法适用于直径为200～300mm管子在松散土层。如松散砂土、砂黏土、淤泥土、软黏土等土内掘进，顶距一般为20～30m。
（3）“机械手”挖掘机。如图5.35所示，“机械手”挖掘机的特点是弧形刀臂以垂直于管轴小的横轴为轴，做前后旋转，在工作面上切削。挖成的工作面为半球形，由于运动是前后旋转，不会因挖掘而造成工具管旋转，同时靠刀架高速旋转切削的离心力将土抛出离工作面较远处，便于土的管内输出。该机械构造简单、安装维修方便，便于转向，挖掘效率高，适用于黏性土。
图5.34 螺旋掘进机
1—管节；2—道轨机架；3—螺旋输送器；4—传送机构；5—土斗；6—液压机构；7—千斤顶；8—后背；9—钻头
图5.35 “机械手”掘进机
1—工具管；2—刀臂；3—减速箱；4—电机；5—机座；6—传动轴，7—底架；8—翼板；9—锥形圆筒
采用机械顶管法改善了工作条件，减轻劳动强度，一般土质均能顺利顶进。但在使用中也存在一些问题，影响推广使用。
2.水力掘进顶管
水力掘进主要设备在首节混凝土管前端装工具管。工具管内包括封板、喷射管、真空室、高压水管、排泥系统等。其装置如图5.36所示。
图5.36 水力掘进装置
1—刀刃；2—格栅；3—水枪；4—格网；5—泥浆吸入口；6—泥浆管；7—水平铰；8—垂直铰；9—上下纠偏千斤顶；10—左右纠偏千斤顶
水力掘进顶管依靠环形喷嘴射出的高压水，将顶入管内的土冲散，利用中间喷射水枪将工具管内下方的碎土冲成泥浆，经过格网流入真空室，依靠射流原理将泥浆输送至地面储泥场。
校正管段设有水平铰、垂直铰和相应纠偏千斤顶。水平铰起纠正中心偏差作用，垂直铰起高程纠偏作用。
水力掘进便于实现机械化和自动化，边顶进、边水冲、边排泥。水力掘进就控制土壤冲成的泥浆在工具管内进行，防止高压水冲击管外，造成扰动管外土层，影响顶进的正常进行或发生较大偏差。所以顶入管内土壤应有一段长度，俗称土塞。
水力掘进顶管法的优点是：生产效率高，其冲土、排泥连续进行；设备简单，成本低；改善劳动条件，减轻劳动强度。但是，需要耗用大量的水，顶进时方向不易控制，容易发生偏差；而且需要有存泥浆场地。
3.挤压土顶管
挤压土顶管不用人工挖土装土，甚至顶管中不出土。使顶进、挖土、装土3个工序成一个整体，提高了劳动生产率。
挤压顶管的应用取决于土质，覆土厚度，顶进距离，施工环境等因素。
挤压土顶管分为出土挤压顶管和不出土顶管两种。
（1）出土挤压土顶管。主要设备包括带有挤压口的工具管、割土工具和运土工具。工具管如图5.37所示，工具管内部设有挤压口，工具管口加直径应大于挤压口直径，两者或偏心布置。挤压口的开口率一般取50%，工具管一般采用10～20mm厚的钢板卷焊而成。要求工具管的椭圆度不大于3mm，挤压口的整圆度不大于1mm，挤压口中心位置的公差不大于3mm。其圆心必须落于工具管断面的纵轴线上。刃脚必须保持一定的刚度。焊接刃脚时坡口一定要用砂轮打光。
割土工具沿挤压口周围布置成一圈且用钢丝绳固定，每隔200mm左右使用R形卡子。用卷扬机拖动旋转进行切割土柱。
图5.37 挤压切土工具管
1—钢丝绳固定点；2—钢丝绳；3—R形卡子；4—定滑轮；5—挤压口；6—工具管；7—刃角；8—钢丝绳与卷扬机连接
运土工具是将切割的土柱运至工作坑，再经吊车吊出工作坑的斗车。(www.xing528.com)
主要工作程序为：安管→顶进→输土→测量。正常操作，在激光测量导向下，能保证上下左右的误差在10～20mm以内，方向稳定。
（2）不出土顶管。不出土顶管是利用千斤顶将管子直接顶入土内，管周围的土被挤压密实。不出土顶管的应用取决于土质，一般应用在天然含水量的黏性土、粉土。
管材以钢管为主、也可以用于铸铁管。管径一般要小于300mm，管径越小效果越好。不出土顶管的主要设备是挤密土层的管尖和挤压切土的管帽，如图5.38所示。
管尖安装在管子前端，顶进时土不能挤进管内。管帽安装在管子前端，顶进时管前端土挤入管帽内，挤进长度为管径的4～6倍时，土就不再挤入管帽内，而形成管内土塞。再继续顶进，土沿管壁挤入邻近土的空隙内，使管壁周围形成密实挤压层、挤压层和原状层3种土层。
4.长距顶进
由于一次顶进长度受顶力大小、管材强度、后背强度诸因素的限制，一次顶进长度为40～50m，若再要增长，可采用中继间、泥浆套顶进等方法。提高一次顶进长度，可减少工作坑数目。
（1）中继间顶进。中继间是在顶进管段中间设置的接力顶进工作间，此工作间内安装中继千斤顶，担负中继间之前的管段顶进。中继间千斤顶推进前面管段后，主压千斤顶再推进中继间后面的管段。此种分段接力顶进方法，称为中继间顶进，如图5.39所示。
图5.38 管帽
图5.39 中继间顶进
图5.40所示为一种中继间。施工结束后，拆除中继千斤顶，而中继间钢外套环留在坑道内。在含水土层内，中继间与管前后之间连接应有良好的密封；另一类中继间如图5.41所示。施工完毕时，拆除中继间千斤顶和中继间接力环。然后中继间将前管段顶进，弥补前中继间千斤顶拆除后所留下的空隙。
图5.40 顶进中继间（一）
1—中继间钢套；2—中继千斤顶；3—垫料；4—前管；5—密封环；6—后背
图5.41 顶进中继间（二）
中继间的特点是减少顶力效果显著，操作机动，可按顶力大小自由选择，分段接力顶进。但也存在设备较复杂、加工成本高、操作不便、降低工效的不足。
（2）泥浆套顶进。在管壁与坑壁间注入触变泥浆，形成泥浆套，可减少管壁与土壁之间的摩擦力，一次顶进长度可较非泥浆套顶进增加2～3倍。长距离顶管时，经常采用中继进一泥浆套顶进。
触变泥浆的要求是泥浆在输送和灌注过程中具有流动性、可变性和一定的承载力，经过一定的固结时间，产生强度。
触变泥浆主要成分是膨润土和水。膨润土是粒径小于2μm，主要矿物成分是Si-Al-Si（硅-铝-硅）的微晶高岭土。膨润土的相对密度为2.5～2.95，密度为（0.83～1.13）×103kg/m3。
在地面不允许产生沉降的顶进时，需要采取自凝泥浆。自凝泥浆除具有良好的润滑性和造壁性外，还具有后期固化后有一定强度，达到加大承载效果的性能。
图5.42 泥浆套
1—土壁；2—泥浆套；3—混凝土管；4—内胀圈；5—填料
自凝泥浆多种多样，应根据施工情况、材料来源，拌制相应的自凝泥浆。
触变泥浆在泥浆拌制机内采取机械或压缩空气拌制；拌制均匀后的泥浆储于泥浆池；经泵加压，通过输浆管输送到工具管的泥浆封闭环，经由封闭环上开设的注浆孔注入坑壁与管壁间孔隙，形成泥浆套，如图5.42所示。
泥浆注入压力根据输送距离而定。一般采用0.1～0.15MPa泵压，输浆管路采用DN50～70的钢管，每节长度与顶进管节长度相等或为顶进管的两倍。管路采取法兰连接。
输浆管前的工具管应有良好的密封，防止泥浆从管前端漏出，如图5.43所示。泥浆通过管前和沿程的灌浆孔灌注。灌注泥浆分为灌浆和补浆两种，如图5.44所示。
图5.43 注浆工具管
图5.44 灌浆罐与补浆罐位置（单位：m）
1—灌浆罐；2—输浆管；3—刃；4—管体；5、6—补浆罐；7—工具管；8—泥浆套
为防止灌浆后泥浆自刃脚处溢入管内，一般离刃脚4～5m处设灌浆罐，由罐向管外壁间隙处灌注泥浆，要保证整个管线周壁为均匀泥浆层所包围。为了弥补第一个灌浆的不足并补足流失的泥浆量，还要在距离灌浆罐15～20m处设置第一个补浆罐，此后每隔30～40m设置补浆罐，以保证泥浆充满管外壁。
为了在管外壁形成浆层，管前挖土直径要大于顶节管节的外径，以便灌注泥浆。泥浆套的厚度由工具管的尺寸而定，一般厚度为15～20mm。
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