盾构隧道承插式管片工程应用与技术发展研究

0引言

盾构法已成为城市地铁隧道建设的主导工法。管片作为永久衬砌结构，其连接形式直接影响隧道受力、防水、施工效率和耐久性。传统螺栓连接虽技术成熟，但存在手孔削弱结构、应力集中易开裂、拼装工序烦琐、防水隐患多等问题，且难以与自动化、智能化施工融合。

承插式管片借鉴榫卯原理，采用预埋承口与插口实现机械啮合自锁，取消手孔和外露螺栓，结构整体性和防水性大幅提升。上海地铁18号线、21号线、12号线等工程的应用，验证了其在软土地区的适用性与优越性。但该技术对制造精度和拼装控制要求更高，推广中仍面临技术挑战，亟需系统研究。

1承插式管片结构原理与技术特征

1.1基本构造与连接机理

承插式管片纵缝主要采用C-T型构件，环缝采用螺纹+倒刺型构件，通过插口推入承口完成定位与自锁。连接件具备单向锁定、抗拉拔和抗剪切能力，拼装后即形成稳定约束，无需二次紧固。管片无螺栓孔与手孔，外表面平整连续，有效避免应力集中，受力路径均匀、刚度分布稳定，见图1—图3。

图 1 承插式管片分块构造图

图 2 承插式管片纵缝连接件

图 3 承插式管片环缝连接件 

1.2力学与防水性能

足尺试验与工程实测表明，承插式管片在正负弯矩作用下受力稳定，衬砌收敛变形、接缝张开量和连接件应力均满足规范要求，接头刚度均匀。无手孔削弱，本体抗压、抗裂性能更优，运营期不易出现错台、张开等病害。防水采用遇水膨胀橡胶与三元乙丙橡胶复合密封垫，配合挡砂条形成多级防水体系，无手孔渗水通道，密封垫压缩均匀，可稳定实现一级防水，成型隧道达到“无破损、无错台、无渗漏”。

1.3施工与智能适配性

拼装工序简化为对位、推入、锁定，大幅降低人工依赖，适配自动化拼装机、智能定位与盾尾间隙监测等装备。标准化、模块化特征有利于自动化生产、数字化检测和智能化拼装，与智能建造方向高度契合。

2承插式管片应用成果分析

2.1施工效率分析

拼装时间是衡量工法效率的核心指标。传统螺栓连接式管片的拼装过程包含多个工序，具体有管片就位、螺栓孔对准、人工穿螺栓、施加扭矩紧固等。每个螺栓都需要人工操作，因此耗时较长。根据南京江心洲污水二通道工程的实践数据，采用承插式管片后，拼装时间实现了质的飞跃。从搜索复制1环需要3天多”，逐步提升到技术成熟后“拼装1环仅需45min”。这一效率提升的背后，是承插式连接工艺的简化。它无需人工拧螺栓，只需将插口插入承口，就能完成连接。上海轨道交通18号线二期的工程实践也证实了这一点，承插式管片配合智能化拼装技术，显著提高了施工效率。

传统螺栓连接式管片在拼装面需要多名工人协同作业，具体负责管片定位、螺栓对准、拧紧操作等工作。这种作业方式劳动强度大，并且作业空间狭窄。承插式管片则大幅减少了人工需求，承插式管片的连接方式使得拼装作业可由拼装机自动完成，也无需手孔的相关工序，工人主要负责监控和辅助工作。实践表明，相较于传统螺栓连接管片，采用承插式管片时每环拼装可减少约2名作业人员，体现了其在实现“少人化、无人化”施工方面的显著优势。

2.2 承插式管片施工质量分析

2.2.1 拼装精度控制

拼装精度是衡量管片连接技术优劣的关键指标。传统螺栓连接依赖人工对准和紧固，操作误差的离散性较大，尤其是在封顶块拼装时，间隙控制难度较高。

上海轨道交通18号线二期的实践表明，承插式管片的连接件允许拼装误差需控制在1.5mm以内，尤其是F块最大插入间隙，仅为传统管片的12%左右。为实现这一精度要求，工程团队对拼装机进行了技术改造，通过增加慢速微调拼装模式，将可调速精度扩大了10倍。

南京污水二通道工程中，承插式管片的拼装精度达到了1毫米级。成型隧道实现了“管片上浮量控制在5mm以内、管片错台控制在2mm以内”的目标。

华中科技大学的相关研究也证实了这一优势，通过点云处理技术对比分析，新型管片的接缝控制效果优于螺栓管片 。

2.2.2 隧道轴线控制

隧道轴线偏差直接影响线路平顺性和运营安全。传统螺栓连接式管片在施工中，容易因管片错台累积导致轴线偏差。顾瑞康的研究表明，新型管片在虚拟拼装试验中的轴线偏差，不仅满足规范要求，并且小于螺栓管片的实际偏差。

承插式管片之所以能实现更优的轴线控制，得益于其连接方式的高精度定位特性。管片纵缝采用C-T型连接件，环缝采用“螺纹+倒刺”型连接件。拼装时，插口插入承口后，倒刺结构可紧密咬合，并且提供了稳定的定位约束。

2.2.3 渗漏点数量

防水性能是隧道工程质量的生命线。传统螺栓连接式管片存在两大渗漏隐患：一是螺栓手孔对管片结构造成削弱，容易成为渗水通道；二是人工紧固的扭矩离散性，导致密封垫压缩不均。

承插式管片则从根本上解决了这些问题。它无需设置手孔，避免了手孔位置混凝土局部受损，提升了盾构隧道的整体刚度。同时，它采用双道密封垫设计，这种密封垫由遇水膨胀橡胶与三元乙丙橡胶复合而成，再配合挡砂条，形成了多重防水体系。南京污水二通道工程实现了“成型隧道不渗不漏”的目标。上海轨道交通18号线二期的实践也同样证实，承插式管片成功实现了隧道一级防水目标。

2.3承插式管片施工成本指标分析

2.3.1 管片单体成本

从初期投资来看，承插式管片的单体成本高于传统螺栓连接式管片。主要原因有两点：一是承插式管片需要预埋高精度连接件，包括纵缝C-T型连接件、环缝螺纹+倒刺型连接件，这对模具精度和生产工艺提出了更高要求；二是连接件本身采用聚酰胺和钢材制造，这也增加了材料成本。

顾瑞康的研究采用机械成本估算法，对比了多种接头的生产成本。结果表明，新型接头标准块组合式榫卯接头的单个成本约为27.06元，插入式水平式榫卯接头的单个成本约为52.71元；传统螺栓连接式管片螺栓的市场单价约在25元/套～45元/套。新型接头的初始成本确实高于传统螺栓。

2.3.2 安装人工成本

在安装人工成本上，承插式管片具有显著优势。传统螺栓连接需要多名工人在拼装面进行高强度手工作业，人工成本较为高昂。承插式管片则大幅减少了人工投入，拼装过程主要由机械搜索复制翻译监控工作，劳动力成本可降低 50% 以上。

2.3.3全生命周期成本

若从全生命周期视角分析，承插式管片的经济性优势更为突出。传统螺栓连接式管片在运营期面临诸多问题：螺栓手孔处混凝土开裂、接缝渗漏水、管片错台等，后期维护频繁、维修成本高。

承插式管片由于拼装精度高、整体性强、刚度好、防水性能优越，运营期病害发生率大幅降低，维护需求显著减少。在已完成的1000环拼装中，达到了“无破损、无错台、无渗漏”的效果，并且显著减少了因质量问题导致的返工和修补成本。正如姚印彬在南京污水二通道工程中所总结的，承插式技术在极端工况下展示了更优的稳定性和可靠性，这直接转化为更低的长期运维成本。

更重要的是，承插式管片为智能化拼装奠定了基础。通过图像识别技术、管片预埋芯片等方式，拼装机可实现对管片型号和位置的智能识别。结合拼装机运动轨迹模拟算法，还能逐步实现自动化拼装。这种“少人化、无人化”的发展趋势，不仅提升了效率，并且显著降低了作业安全风险。上海轨道交通12号线刘五公路站—沪松公路站区间的工程实践显示，通过盾尾间隙自动测量系统，实现了管片拼装精细化。

2.4承插式管片施工资源消耗分析

在辅助材料方面，螺栓连接式管片防水材料每环的单价为770元；而承插式管片虽然取消了螺孔垫圈、手孔封堵等材料，但是其防水材料用量高于传统管片，因为它采用了双道密封垫设计，每环成本在900元～1400元之间，但这一增加是“一劳永逸”的，高质量的一次防水投入，换来了运营期渗漏维修材料的长期节约。

3承插式管片施工目前存在的问题

承插式管片虽然在技术经济性上展现出显著优势，但它在实际工程应用中仍面临诸多挑战。本章聚焦于承插式管片施工中暴露的三大核心问题，分别是管片上浮控制、高精度制造与拼装协同管理、小半径曲线段拼装精度控制。通过典型案例分析，深入剖析问题成因，并且系统梳理现有工程实践中已验证有效的处置措施，为后续工程提供参考。

3.1管片上浮控制

管片上浮是盾构管片在软土地层中施工时面临的首要难题。当管片脱出盾尾后，同步注浆浆液尚未凝固，管片会处于“悬浮”状态。受浆液浮力作用，管片容易发生上浮，进而导致隧道轴线偏离设计位置。上海地铁18号线二期江爱区间施工实践表明，承插式管片对上浮问题更为敏感。其连接方式虽提升了拼装效率，但也使管片在脱出盾尾后的约束机制发生变化，传统控制手段难以直接套用。

姚印彬在南京江心洲污水二通道工程的研究中指出，承插式管片上浮的控制难点体现在两个方面：一方面，承插式连接件对管片环的整体约束能力，与传统螺栓存在差异；另一方面，安装过程不可逆，一旦上浮发生，无法通过后期调整完全纠正。此外，软土地层的高含水率和低强度特性，也加剧了浆液浮力的作用效应 。

3.2高精度制造与拼装协同控制

承插式管片在制造精度与拼装精度方面的要求，相较于传统螺栓连接管片更为严苛。其安装过程具备“不可逆”属性，即一旦插口嵌入承口，便难以拔出进行位置调整，这便要求拼装作业必须一次成功。导致精度协同管理困难的主要因素涵盖以下几点：

1）承插式连接件对制造公差要求极高，需精确控制在毫米级别，然而模具磨损以及混凝土收缩变形等情况，极易致使精度降低。

2）拼装机的定位精度与控制能力必须与管片精度相适配。

3）拼装过程中缺乏行之有效的实时检测与反馈机制。

3.3 小半径曲线段拼装精度控制

小半径曲线段是盾构施工的难点区段，对于承插式管片尤为突出。曲线段施工时，管片需按特定楔形量排版，拼装过程中管片环面与盾尾间隙的控制难度大，易导致管片错台、破损甚至连接件损坏。造成小半径曲线段控制难的原因包括：曲线段盾构推进时，管片受力状态复杂，既有轴力又搜索复制连接件的抗转动刚度与传统螺栓不同，曲线拟合能力需重新评估；曲线段盾尾间隙变化频繁，对管片选型和拼装时机要求更高。

4承插式管片应用及优化发展建议

4.1承插式管片应用建议

承插式管片与传统螺栓连接式管片各具技术优势，其适用工程场景存在显著差异。根据前述研究，从施工要求、地质条件、环境敏感度、成本控制四个关键维度，应用建议如表1所示。

表 1 承插式管片应用建议

具体而言，以下工程场景宜优先选用承插式管片：1）工期要求紧迫的重大基础设施工程，如市域铁路等对施工进度有严格要求的项目；2）穿越环境敏感建（构）筑物的隧道区段，需对沉降和变形进行严格控制的工程；3）致力于智能建造的示范工程，以实现施工自动化、少人化为目标的项目；4）注重全生命周期成本效益的线路工程，追求长期运营维护成本最优化的项目。

以下场景可暂缓选用承插式管片：1）小规模、短区间项目，初期投入高难以摊薄；2）缺乏技术配套的项目，未配备高精度拼装设备和熟练操作团队；3）极端复杂地质区段，如存在大规模孤石、高强度岩层等，传统螺栓式经验更成熟；4）区间设计轴线转弯半径小、埋深大的项目；5）区间地表内存在卸载与加载的项目。

4.2承插式管片技术优化与发展方向

4.2.1管片上浮综合控制技术优化

针对软土地层管片上浮问题，建议从以下方向优化：1）浆液材料优化：研发早强型、抗分散型同步注浆材料，缩短浆液凝结时间，使管片脱出盾尾后快速获得约束；2）注浆工艺改进：推广同步双液注浆技术，实现浆液凝固时间的精准控制；3）抗浮装置标准化：开发标准化、可重复使用的管片抗浮装置，形成定型产品；4）掘进参数智能匹配：基于地质探测数据，建立掘进速度、注浆压力与管片上浮的关联模型，实现参数智能优化。

4.2.2精度协同管理体系构建

构建“设计 - 制造 - 拼装”全流程精度协同管理体系：1）设计端：优化承插口公差配合设计，适当放大非关键部位公差，降低制造难度；2）制造端：推广三维激光扫描全检技术，建立管片数字身份证，实现制造数据向施工端传递；3）拼装端：开发基于 B I M 的虚拟拼装系统，在地面预演拼装过程，提前识别匹配问题；4）协同平台：建立管片全生命周期质量管理平台，实现制造数据、运输状态、拼装质量的可视化追溯。

4.2.3 小半径曲线段适应性提升

提升承插式管片在小半径曲线段的适应性：1）管片设计优化：研发适用于急曲线段的特殊楔形量管片系列，优化连接件布置，增强曲线段拟合能力；2）拼装工艺创新：研究曲线段非对称紧固工艺，通过调整紧固件张拉顺序释放结构内应力；3）智能纠偏技术：开发基于盾尾间隙实时监测的自动纠偏算法，实现曲线段掘进与拼装的动态协同。

4.2.4标准化与规模化降本路径

降低承插式管片成本的途径包括：1）设计标准化：形成通用的承插式管片系列图集，减少非标设计，提高模具周转率；2）生产规模化：推动城市群范围内管片生产的集约化、规模化，摊薄模具和研发成本；3）连接件国产化：进一步降低高精度连接件的制造成本，打破进口依赖；4）全生命周期评价：建立科学的全生命周期成本评价方法，引导行业从“初期投入”向“长期效益”转变。

5结论与展望

5.1主要结论

承插式管片以榫卯式自锁连接为核心，取消手孔与外露螺栓，结构整体性、力学性能、防水性能均达到较高水平，适用于城市轨道交通盾构隧道工程。

承插式管片施工流程简洁、效率高、人工依赖低，可实现毫米级拼装精度，成型质量稳定可靠，工程应用优势突出。

管片上浮、精度协同、小半径曲线适配是承插式管片施工的主要技术难题，通过抗浮装置、浆液优化、智能监测、动态纠偏等综合措施可实现有效控制。

承插式管片全生命周期经济效益显著，运维成本低、服役寿命长，与智能建造高度契合，是盾构隧道高质量发展的重要技术方向。

依托材料升级、工艺优化、智能装备、标准完善等路径，可进一步提升承插式管片的适用性、可靠性与经济性，推动其更广泛应用。

5.2研究不足与展望

本文主要基于工程案例与文献资料开展研究，缺少现场系统实测与长期运营数据跟踪，部分结论仍需进一步试验验证。未来可从以下方面继续深化：1）开展承插式接头长期力学性能、疲劳性能与耐久性试验研究；2）建立更完善的设计计算方法与理论体系；3）推动智能盾构、数字孪生与承插式管片深度融合；4）加快全国性技术标准编制，促进规范化、规模化推广；5）完善全生命周期评价体系，为工程决策提供更科学的依据。

随着技术不断成熟与配套体系持续完善，承插式管片将在地铁、综合管廊、水下隧道、市域铁路等工程中发挥更大作用，推动我国地下工程建造技术迈向更高水平。