頂管工程施工質(zhì)量通病與防治措施

黃兆恩

（佛山市市政建設(shè)工程有限公司，廣東佛山 528000）

0 前言

頂管技術(shù)是在不開挖地表的情況下，利用液壓油缸從頂管工作井將頂管機和待鋪設(shè)的管節(jié)在地下逐節(jié)頂進，直到頂管接收井的非開挖地下管道敷設(shè)施工工藝。由于頂管施工無須進行地面開挖，因此不會阻礙交通，不會產(chǎn)生過大的噪聲和振動，對周圍環(huán)境影響也很小。

頂管技術(shù)為較早使用的一種非開挖施工方法，由于其施工精度高，適用土質(zhì)廣，適用管徑范圍大，綜合成本低，環(huán)境污染少，能穿越江河、公路、鐵路、機場跑道、建筑物或障礙物等優(yōu)點而廣泛應用，隨著國家對污水處理工程的大量投入和大直徑污水管線鋪設(shè)量的增加，頂管技術(shù)已廣泛應用于我國水平定向鉆進技術(shù)難以施工的污水、雨水等重力管道的非開挖施工，以及大直徑的燃氣、自來水、中水等壓力管道的非開挖施工。

隨著頂管技術(shù)的廣泛應用，頂管施工中的不良現(xiàn)象也隨之出現(xiàn)，以下分別介紹和分析施工中可能出現(xiàn)的各種常見質(zhì)量通病，以及其防治措施。

1 軸線失控

1.1 現(xiàn)象及危害

軸線失控主要由于機頭周圍的土體特性不均勻，對行進中的機頭產(chǎn)生的力矩不平衡，從而使機頭產(chǎn)生某一方向的偏差。但如果土體的差別過大，力矩不平衡很嚴重，提供的糾偏力矩不足以抵消相反方向的力矩時，機頭就會沿著已形成軌道偏下去，也就是軸線失控。管子頂完在做竣工測量時，發(fā)現(xiàn)管道中心線與設(shè)計的管道中心線有較大的偏差。頂管機頭沒有從預留洞出洞，或偏差較大。

1.2 原因分析

（1）由于工作井位與設(shè)計井位發(fā)生較大偏差原因造成。

（2）由于測量儀器誤差過大所引起的。

（3）由于頂管機的開挖面不穩(wěn)定、水土壓力不平衡所致。產(chǎn)生正面水土壓力不平衡的原因又有：

a.頂管機沒有正面平衡機理，開挖面的地層又是流砂等不穩(wěn)定條件。

b.雖然頂管機具有平衡手段，但是操作不當導致開挖面沒能處于平衡狀態(tài)。

c.在頂進過程中出現(xiàn)不良的地質(zhì)，或者地質(zhì)條件發(fā)生突變，導致開挖面的穩(wěn)定無法正常控制，糾偏無效。

d.頂管機糾偏液壓系統(tǒng)工作不可靠或者發(fā)生故障。

1.3 防治措施

（1）前期信息調(diào)查：在開工前需詳細調(diào)查沿線土體的歷史狀態(tài)。然后在進入有松填土段或河底下的過淺覆土段時，應盡量避免有危險傾向的操作。

（2）嚴格執(zhí)行測量放樣復核制度，測量儀器必須保持完好，必須定期進行計量校正。

（3）施工前對頂管機進行認真的保養(yǎng)和修理，無故障投入頂管施工。

（4）選用平衡性能較好的頂管機進行施工，施工過程中嚴格控制開挖面的水土壓力，穩(wěn)定正面土體。

（5）對不良地質(zhì)，施工前做好土體改良的施工輔助技術(shù)措施。

2 接口漏漿

2.1 現(xiàn)象及危害

壓漿是頂管作業(yè)中極其重要的環(huán)節(jié)，壓漿效果的好壞與否，直接關(guān)系到頂力控制和地面沉降控制的質(zhì)量。在頂管過程中，有時會出現(xiàn)漏漿的現(xiàn)象，即管接口處有觸變泥漿滲入管接口內(nèi)。其根本的原因是管接口的尺寸精度、密封圈的尺寸和材質(zhì)和安裝質(zhì)量沒有控制好，加之管節(jié)有一定的注漿壓力，就會從管接口處進入管內(nèi)。

2.2 原因分析

（1）管口的質(zhì)量問題，如接口尺寸不對。

（2）密封圈的問題：

a.密封圈尺寸不對，現(xiàn)在施工中多采用楔形密封圈，當管節(jié)插口端插入承口端時，密封圈受壓變形，當其體積不能填滿密封圈槽時，就產(chǎn)生了縫隙。尺寸過大，造成密封圈擠壞或擠出。

b.密封圈的材質(zhì)問題和本身有裂紋或瑕疵，在受壓的情況下，也會產(chǎn)生斷裂。

c.橡膠止水圈沒有安裝正確或已損壞，例如沒有按規(guī)定把橡膠圈固定粘結(jié)在混凝土管插口內(nèi)。

（3）操作失誤，在管節(jié)對接時，密封圈沒有完全進入承口，或在插入的過程中發(fā)生反轉(zhuǎn)，這些都是將來產(chǎn)生縫隙的隱患。

（4）管接口損壞，張角過大使密封失效。

（5）在頂管中，如果糾偏轉(zhuǎn)角過大，造成管節(jié)之間的折角過大，也會造成管節(jié)漏漿。

2.3 防治措施

（1）加強對管材的質(zhì)量監(jiān)督，混凝土管節(jié)表面應光潔、平整，無砂眼、氣泡，接口尺寸符合規(guī)定。

（2）安裝前應檢查橡膠止水圈的材料檢測報告，并檢查橡膠止水圈的規(guī)格、型號與外觀質(zhì)量。橡膠圈的外觀和斷面應致密、均勻、無裂縫、孔隙或凹痕等缺陷。檢查裂紋時，多數(shù)時候要在張緊的情況下才可能發(fā)現(xiàn)。

（3）檢查密封圈不能有反轉(zhuǎn)、擠出現(xiàn)象。

（4）在管節(jié)對接時，密封圈在套入混凝土插口時要平整，在密封圈進入套環(huán)或承口時要涂硅油并緩慢地頂進油缸，使管節(jié)正確地插入合攏。

（5）對于曲線頂管，應該在曲線的外側(cè)插入木墊板，盡量擴大在張角時的受壓面積。同時密切關(guān)注管接口的縫隙變化，防止接口縫隙過大而導致接口滲漏。

（6）在頂進過程中認真控制好方向，糾偏不要產(chǎn)生大起大落。

3 管節(jié)破裂

3.1 現(xiàn)象及危害

頂進中管節(jié)發(fā)生破裂。管節(jié)破裂以管端破裂的情況較多。管端破裂多出現(xiàn)在頂時過程中，會產(chǎn)生管端內(nèi)壁剝落和管端出現(xiàn)環(huán)形裂縫的情況，隨著繼續(xù)頂進過程，這些地方就會發(fā)生管節(jié)局部斷裂的情況，嚴重影響施工的質(zhì)量。頂進就位的管節(jié)發(fā)生開裂，會影響排水管道的閉水功能和管節(jié)的整體強度。“碎管”是較重大的質(zhì)量事故，常會造成整個工程的報廢，需嚴防發(fā)生。

3.2 原因分析

（1）用于頂管的混凝土管材存在質(zhì)量問題：

a.管材混凝土強度等級低于國家質(zhì)量標準要求，管體的混凝土抗壓強度低于設(shè)計強度。因此在沒有達到臨界頂力時，管節(jié)就出現(xiàn)裂縫。

b.管節(jié)部分端面不平直，不垂直，傾斜偏差大于規(guī)范要求，并有石子凸出，使頂進時接觸面積減少，造成局部應力集中，使管節(jié)產(chǎn)生破裂。

c.管節(jié)進入頂坑前已經(jīng)出現(xiàn)超過0.05 mm的裂縫，或管口處有蜂窩麻面，甚至露筋。

上述質(zhì)量缺陷使管節(jié)在頂力尚未達到臨界值時，就已經(jīng)出現(xiàn)裂損現(xiàn)象。

（2）用于頂管的鋼管接口的焊接質(zhì)量不合格。有的因焊縫位于鋼管的底部，又有導軌等擋著，鋼管下部只有管內(nèi)焊縫，這就非常危險。 如果在焊縫處產(chǎn)生向上彎折，焊縫就很容易被破壞。

（3）管節(jié)接口處由于襯墊不良，產(chǎn)生應力集中。當頂力增大后，管節(jié)在管壁薄及接觸面小的地方發(fā)生破裂。木襯墊如果過軟和過硬，就起不到頂力傳遞時的緩沖作用，對管端的沖擊加大，也會產(chǎn)生破裂。

（4）管道頂進后期，由于管道的中心或高程誤差的存在，使管道摩阻力增大，如不能及時調(diào)整頂進誤差，使摩阻力接近極限頂力，管節(jié)會因頂力達到極限面壓裂。其原因有：

a.工作井后背墻面不垂直，頂力偏移造成管節(jié)前進方向或高程出現(xiàn)偏差。

b.工作井內(nèi)兩導軌間距不等寬，高程不一致，安裝不穩(wěn)固，或?qū)к壉旧聿黄街薄?/p>

c.工作井基礎(chǔ)承載力不符合要求。

d.管節(jié)頂進過程中，校正次數(shù)過少，未能及時發(fā)現(xiàn)誤差并糾正。

e.水文及工程地質(zhì)情況變化，且處理不當。

3.3 防治措施

（1）下管前，應逐節(jié)檢查混凝土管材質(zhì)量。

a.管材的混凝土抗壓強度應達到設(shè)計標準。

b.檢查管材的外觀質(zhì)量：管端面是否有蜂窩麻面和露筋現(xiàn)象，管口是否圓順，管端是否存在超過0.05 mm的裂縫，端面是否平直，外表是否光滑平整等。

（2）檢查鋼管接口處的焊縫質(zhì)量：焊接牌號與鋼管材料是否適用，焊接坡口是否標準，焊縫是否焊透等。

（3）頂薄壁管及企口管時，要用弧形頂鐵來擴大承壓面積，并在管壁與頂鐵之間設(shè)置墊層，使其均勻受力，減少應力集中。

（4）采用觸變泥漿來降低頂進阻力。

（5）管道頂進中堅持“先挖后頂”和“隨挖隨頂”的原則。

（6）在頂進過程中認真控制好方向，糾偏不要大起大落。

（7）在頂進過程中，發(fā)現(xiàn)管壁著力的地方出現(xiàn)灰屑脫落和管壁外皮脫落現(xiàn)象，這就是開裂的預兆，應立即停止頂進，退回千斤頂活塞桿。

（8）管節(jié)已被頂壞，應更換新管。

4 頂力過大

4.1 現(xiàn)象及危害

頂力過大是指頂力超出了頂管的控制頂力。頂進阻力由兩部分產(chǎn)生：（1）機頭：包括開挖面迎面壓力和機頭筒體與土體直接接觸產(chǎn)生的摩阻力。阻力大小和地質(zhì)情況、機頭的大小、機型和埋深直接有關(guān)。（2）沿線管節(jié)的摩阻力：整根管道在土體中像火車一樣行進，和土的接觸面積是巨大的，沿線的摩阻力也將是巨大的?？朔霓k法除了靠中繼間進行接力之外，最基本的手段是用膨潤土泥漿減小摩擦。如果機頭漿套沒能良好地形成，以致沿線的摩阻力不正常地增加，可能導致頂力過大。

4.2 原因分析

（1）土質(zhì)的突變?nèi)缪鼐€遇到障礙物，會造成迎面阻力的急劇上升。

（2）地面載荷太重或土體不斷受到?jīng)_擊，也會使土體被壓實，增加迎面阻力。

（3）在偶然情況下，如果管線偏離軸線幅度太大，或軸線根本失控，導致受力不均，也會使頂力增大。

（4）漿套破壞。漿套破壞成因是很多的，有泥漿本身的問題，也有壓漿技術(shù)問題。

4.3 防治措施

（1）設(shè)計初期就要做好詳細的地質(zhì)調(diào)查，避免暗樁等因素。

（2）避免漿套破壞。方法如下：

a.仔細檢查膨潤土泥漿是否原料過粗，或配料過稀，保證泥漿的質(zhì)量。

b.對各沉降測點圖線進行分析。沉降大處常是漿套損壞而造成頂力過大的地方。

c.啟動各中繼間。先分析哪一個區(qū)域頂力大，是局部還是全部。

d.逐一卸下壓漿系統(tǒng)的總管和分管，開啟每一個漿孔球閥進行檢查。目的是防止?jié){套偏側(cè)高壓。如果有一側(cè)高壓同時對側(cè)無漿的情況，就可一面卸放高壓漿并同時向?qū)?cè)補漿，以逐步重新建立不偏壓的完整漿套。應正確認識到的是，漿液偏壓比沒有壓漿還要嚴重；

e.檢查地面特別是相鄰的管道，是否有地方存在漏漿現(xiàn)象。

f.加強漿套管理。

（3）作出頂力曲線圖，起始段就是機頭部分的基本頂力。后續(xù)頂力的增長速度就是曲線斜率，曲線突然變陡就是頂力在異常上升，須查明原因采取應對措施。

（4）頂力一旦過大，應立即停止作業(yè)，否則可能導致管節(jié)破裂等工程事故。

（5）如果有安裝中繼間的，應及時地啟動中繼間，首先分析阻力變化原因，并配合補漿，逐段使頂力降低。

5 沉降過大

5.1 現(xiàn)象及危害

在頂管機穿越過后或頂管施工完成以后，在管子中心線左右兩側(cè)的地面產(chǎn)生沉降，并且隨著時間的推延，沉降槽的寬度與深度均與日俱增。嚴格來說，在頂管施工過程中，地面沉降是不可避免的。但是，采用不同的施工方法，會有不同的沉降結(jié)果。同一工法，由于土質(zhì)的不同、覆土深度不同、管道直徑不同，也有不同的沉降。

5.2 原因分析

（1）超挖：正常的挖土量須控制在應挖土體的95%～100%之間。但由于如下各種不當操作會形成不同程度的超挖：

a.如果是機頭開挖面沉降，基本是由于頂速相對過慢，導致“超挖”，迎面土壓力小于主動土壓力，開挖面的土體坍塌造成沉降。

b.對于螺機出土的土壓平衡式頂管機來說就必須要減小螺機轉(zhuǎn)速，減少出土量，提高迎面土壓。

c.對于泥水機械平衡式頂管機來講，因為刀盤面可以緊貼開挖面前后浮動，并自動縮小切土口，所以此類頂管機基本可以避免“超挖”。固定刀盤頂管機由于刀盤和刀口都是固定的，作業(yè)時稍不注意就會導致“超挖”。所以，刀盤轉(zhuǎn)速應是可調(diào)的，最簡單的辦法是用變頻調(diào)速。

d.如果是機尾土體沉降，第一，是由于機頭糾偏量較大，其軸線與管道軸線形成了一個夾角，在頂進中機頭形成的開挖坑道成為橢圓形，此橢圓面積與管道外圓之差值，即為機頭糾偏引起的地層損失，糾偏量越大，地層損失也越大，土體沉陷也越大；第二，機尾的注漿不及時。機頭的外徑一般比管子外徑要大，機頭頂過后管道外周產(chǎn)生空隙，其目的是為了及時在空隙處形成漿套。如果不能及時地注漿填充，周圍土體擠入環(huán)形空隙中，也會導致機尾地層損失而產(chǎn)生沉降。機尾的地表沉降，要注漿及時，漿量充足，通常漿量要大于管道外徑空隙體積的2.5倍以上，松軟土質(zhì)，機頭糾偏時，注漿量相應增加。

（2）中繼間處土體沉降。其原因有：

a.中繼間頂伸時，外部體積減小，中繼間合攏時，外部體積增大，擾動土體，引起地表的沉降。

b.如果此時中繼間接縫和密封不好或磨損，泥水流入管內(nèi)，會引起地層較大損失，地表較大沉降。

c.頂管過程中對土體擾動而產(chǎn)生的沉降。

d.潤滑漿套內(nèi)的漿液流失造成的沉降。

e.采用了輔助的降水施工造成的沉降。

5.3 防治措施

（1）針對具體沉降測點的位置進行分析，控制好出土量，做到不超挖。

（2）針對中繼間處的沉降，要嚴格控制中繼間的外徑尺寸及橡膠密封圈的外形和尺寸。中繼間伸縮時，要注意前后區(qū)段管節(jié)漿套狀況，要保持漿套完整，減少注漿量和注漿壓力的波動。中繼間頂伸時，要隨即補漿，填充縫隙。

（3）同步注漿，要裝壓力表，控制好注漿壓力。每節(jié)管節(jié)開頂時，都要檢查注漿情況，確保和管節(jié)漿液與機尾漿液通暢，形成完整的漿套。發(fā)現(xiàn)機尾缺漿，要及時補漿。潤滑漿要有一定的稠度，不能太稀。

（4）如果對沉降要求很高的情況下頂完全程后，必須用充填漿把潤滑漿完全置換出來。

（5）盡量少采用降水這一輔助施工手段，而采用無須降水的機械式頂管施工。

（6）如果沿線不斷沉降，就說明漿套已損壞，應立即針對這段進行運動中的修補。再不然，可立即對產(chǎn)生沉降過大的地下管線旁側(cè)或是建筑物旁側(cè)進行填充性注漿加固，以防沉降惡化。

6 出洞磕頭

6.1 現(xiàn)象及危害

出洞磕頭是指在出洞的時候發(fā)生機頭下沉、機尾上翹的現(xiàn)象。一般情況下，頂進管道的比重總是比土低的，但頂管機相對來說是比較重的，其重心又比較靠前，如果機頭從工作井排架上頂出后，懸臂段過長，土體支承力不夠，就會發(fā)生磕頭現(xiàn)象，特別是在砂性土層中容易發(fā)生這種現(xiàn)象。

6.2 原因分析

（1）工作井外的土體受到擾動后變得松軟，使得土體支承力不夠。

（2）在遇到軟硬程度完全不同的兩層土質(zhì)中，頂管機很容易偏向軟的土層。

6.3 防治措施

（1）頂管出洞時，啟動底部二個主頂油缸，將頂力合力中心降低，使得頂管機的受力方向向上傾斜，避免頂管機的磕頭。

（2）采用延伸導軌，使得基坑導軌的支點前移，從而避免磕頭現(xiàn)象，還可酌情預留拋高。

（3）將前部管子同機頭用拉桿連接成整體。

（4）對洞口外土體加固處理的目的，是使土體具有自立性、隔水性和一定的強度，并防止“磕頭”現(xiàn)象。洞口土體加固可以采用化學加固法（主要有注漿法、旋噴法和深層攪拌法）。還可以采取降水和冷凍等物理方法，對于砂性土質(zhì)，應當在工作井洞口區(qū)重點做好降水加固土體。

7 結(jié)語

相信隨著國家建設(shè)的不斷發(fā)展，頂管技術(shù)在工程中的應用也會越來越廣泛，本文針對頂管施工中常見質(zhì)量通病，分析其原因，提出了相應的防治措施，希望可以為日后的工程提供有用的參考。

[1]頂管施工技術(shù)及驗收規(guī)范（試行）[S].

[2]馬保松，等.頂管和微型隧道技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004.