某市政工程頂管施工異常問題處理技術(shù)分析

陳開俊，劉峻材，周宏虎，羅雪鋒

（三峽綠色發(fā)展有限公司，北京 101199）

市政工程管道施工中，頂管施工技術(shù)較為常用，此方法無需開挖施工，可利用工作坑中的頂進設(shè)備提供的頂力抵消管道及其周邊土壤摩擦力，再按照設(shè)計坡度將管道頂入土中。頂管施工技術(shù)無需占用較多施工場地，不會對施工區(qū)周邊環(huán)境帶來較大影響，在地下管網(wǎng)工程、地下通道建設(shè)工程中應用率較高。然而頂管施工中可能由于機械設(shè)備、技術(shù)操作、地形條件等各方面因素影響而引發(fā)異常問題導致管道頂進施工無法順暢開展，因此，需要結(jié)合工程實際，針對性采取可行性措施予以解決。

1 工程概況

某市政工程位于主城區(qū)，主要建設(shè)內(nèi)容包括排水管道完善、修復，清污分流改造，新建截污干管等，設(shè)計新建排水管道約60 km。受城區(qū)現(xiàn)狀管線布置、占地協(xié)調(diào)困難等影響，約16.5 km 管道采用頂管鋪設(shè)。施工過程中，多段頂管因地下障礙物、不明管線、地質(zhì)條件變化等因素影響，發(fā)生異常問題，不能繼續(xù)頂進，施工單位采取了多種措施解決。

2 地下障礙物導致異常問題及處理措施

實例一：某段頂管總長86 m，DN1000 鋼筋混凝土管，穿越土層主要為雜填土，管頂覆土平均約3.6 m。采用泥水平衡式頂管機，頂進10 m 時，碰到異物，頂管機故障，不能繼續(xù)頂進。

應對措施：該段管道位于公園范圍內(nèi)，上方無重載，經(jīng)參建方商榷，采取回退頂管機方法處理，具體如下。將主頂千斤頂調(diào)轉(zhuǎn)方向，前端加設(shè)橫梁，用鋼絲繩將頂管機與橫梁連接，通過千斤頂往復、鋼絲繩收短將已頂入的鋼筋混凝土管、頂管機取出?；赝诉^程中，做好頂管上部范圍封閉管理。經(jīng)揭露的情況判斷，雜填土中夾雜的廢棄鋼絲繩造成頂管機刀盤故障。修復頂管機后，重新頂進，順利完成管道鋪設(shè)。

實例二：某段頂管總長123.4 m，DN1000 鋼筋混凝土管，穿越土層主要為雜填土，管頂覆土平均約6.78 m。采用泥水平衡式頂管機，頂進至48 m 時，碰到異物，導致頂管機卡死，無法頂進。

應對措施：因頂管機正上方存在現(xiàn)狀供水原水管，且需占用學校操場，故不能在正上方開“天窗”。經(jīng)參建方商榷，采取逆套管法，從接收井往工作井反向頂進DN1500 鋼筋混凝土管，手掘式挖土，將頂管機套取后，拆分取出。但頂進34 m 時，因頂管反力過大，接收井周邊軟弱土層承載力不足，接收井井壁歪斜，不得不停止頂進。經(jīng)第二次商榷，在第二次頂管頂進位置正上方新增頂管井，再繼續(xù)采用DN1500 頂管頂進，最終順利取出頂管機，并完成管道鋪設(shè)。經(jīng)揭露的情況判斷，頂管機碰觸的障礙物為廢棄拱涵。

實例三：某段頂管總長125 m，DN1200 鋼筋混凝土管，穿越土層主要為雜填土，管頂覆土平均約4.4 m，位于車行道正下方。該段頂管緊鄰右側(cè)現(xiàn)狀箱涵，最小距離約4 m。頂管井沉井施工階段，發(fā)現(xiàn)土層中夾雜著鋼板、鋼軌、混凝土塊等較多的建筑垃圾，采用泥水平衡式頂管機存在卡鉆風險，但原狀箱涵側(cè)墻為磚石結(jié)構(gòu)，長期運行，滲漏、腐蝕嚴重，地質(zhì)條件較差，手掘式頂管安全風險性極大。

應對措施：為保證施工安全，參建方商榷仍采用泥水平衡頂管機，碰到異常障礙物時，采用開天窗法處理障礙物，回填土方后繼續(xù)頂進。開天窗具體工藝為，采用2 m/節(jié)，直徑2 600 mm，壁厚2 cm 的鋼護筒護壁，機械挖土后下沉，下沉一節(jié)，焊接一節(jié)，下沉到頂管機位置后，人員下井處理障礙物，回填原狀土，然后拔出鋼護筒，繼續(xù)頂進。本段頂管共進行了4 次開天窗，最終頂管完成。同時為保證開天窗位置回填土密實，采取注漿加固，避免后期道路沉降。

總結(jié)：當頂管遇地下障礙物導致不能正常頂進時，如障礙物能夠消除、且頂管頂進長度較短時，可采用回退已頂進管節(jié)、頂管機方式處理，但需要做好上部土體穩(wěn)固措施，防止坍塌；如地質(zhì)條件、接收井尺寸等滿足手掘式頂管條件時，可選用逆套管法（圖1），套取接頭；如頂管機未受損，埋設(shè)較淺時，可采用鋼護筒支護方式開天窗（圖2），快速開挖，處理障礙物后，繼續(xù)頂進；如頂管機受損不能頂進，則需要新增頂管井，更換頂管機、處理障礙物后，繼續(xù)頂進。

圖1 逆套管照片

圖2 開天窗

3 地下管線交叉問題及處理措施

實例一：某段頂管總長59.3 m，DN800 鋼筋混凝土管，穿越土層主要為雜填土，管頂覆土平均約3.78 m。采用手掘式頂管，頂進至36 m 時，碰到現(xiàn)狀管道。經(jīng)管勘單位確定，為DN1500 污水管道，與現(xiàn)狀管道交叉約20 cm。

應對措施：經(jīng)設(shè)計復核，現(xiàn)狀管道管徑數(shù)據(jù)勘測錯誤，造成管線交叉。但受末端現(xiàn)狀管道高程限制，新建排水管道高程不能下調(diào)。最終確定破除現(xiàn)狀DN1500 污水管道交叉處，繼續(xù)頂進，新建排水管道與現(xiàn)狀管道交叉，現(xiàn)狀管道底部形成凸起，但對其過流能力影響不大。因現(xiàn)狀排水管道流量較大，采用氣囊封堵上游管口并進行導排，破除交叉處現(xiàn)狀管道，繼續(xù)頂進，最終頂管完工。現(xiàn)狀管道交叉處破口，采用水泥砂漿封堵、填縫。

實例二：某段頂管總長64.1 m，DN800 鋼筋混凝土管，穿越土層主要為雜填土，管頂覆土平均約3.8 m。采用手掘式頂管，頂進至36 m 時，碰到現(xiàn)狀地下管線，與頂管軸線完全交叉。經(jīng)權(quán)屬單位指認，為DN500 球墨鑄鐵供水管道，目前仍在正常運行。頂管施工前管線交底時，權(quán)屬單位未指出。

應對措施：受末端現(xiàn)狀管道高程限制，新建排水管道高程不能下調(diào)。經(jīng)與權(quán)屬單位對接，給水管道遷改難度大，該段頂管不能繼續(xù)頂進，最終確定將剩余頂管調(diào)整為明挖管道，管道交叉處新增結(jié)合井。

實例三：某段頂管總長58.5 m，DN800 鋼管，穿越土層主要為雜填土，管頂覆土平均約6.0 m，下穿現(xiàn)狀箱涵。采用手掘式頂管，頂進至33 m 時，接近現(xiàn)狀箱涵，發(fā)現(xiàn)管道正前方出現(xiàn)較大空腔且有水流出，暫停頂進后，發(fā)生坍塌。坍塌處位于車行道正下方，為保證施工安全，立即封閉道路，采取注漿加固。水泥漿凝固后，該段頂管不能繼續(xù)頂進。

應對措施：經(jīng)參建方商榷，確定從接收井反向手掘式頂進。受頂管井尺寸限制，將6 m/節(jié)鋼管調(diào)整為1 m/節(jié)鋼筋混凝土管，但頂進至21 m 時，頂管上部碰到混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)設(shè)計復核其高程，確定為現(xiàn)狀箱涵底板結(jié)構(gòu)。頂管頂部外壁與箱涵底板頂面間距約30～40 cm。考慮到現(xiàn)狀箱涵水流量較大，如繼續(xù)頂進，需破除箱涵底板，安全風險大；拖拉管、微頂管等措施操作難度較大。最終不得不廢棄該段頂管，調(diào)整該段管道路由。

實例四：某段頂管總長80.1 m，DN1020 鋼管，穿越土層主要為雜填土，管頂覆土平均約5.60 m。采用泥水平衡式頂管機，頂進至63 m 時，作業(yè)人員發(fā)現(xiàn)回漿管返漿中夾帶氣體，同時有異味，經(jīng)判斷，頂破現(xiàn)狀燃氣管道。事發(fā)第一時間，施工單位聯(lián)系產(chǎn)權(quán)單位關(guān)閉臨近閥門，事故未進一步擴大。頂管施工前，施工單位已經(jīng)組織各類地下管線產(chǎn)權(quán)單位進行了管線交底，但產(chǎn)權(quán)單位未指出；該段燃氣管道為中壓備用管道，采用拖拉管施工，埋深較深，管位沖突。

應對措施：采用開天窗法，遷改現(xiàn)狀燃氣管道后，繼續(xù)頂進。

總結(jié)：頂管施工前，應盡量探明管道軸線范圍內(nèi)地下管線，可采取調(diào)閱檔案資料、物探、現(xiàn)場實測和產(chǎn)權(quán)單位現(xiàn)場交底等，避免管道交叉影響頂管施工；在地下管線不明的情況下，采用手掘式頂管可有效避免損壞地下管線事件的發(fā)生；頂管碰觸到地下管線時，可采取遷改、交叉等措施后繼續(xù)頂進；確實不能繞開時，可選擇更改為開槽施工或調(diào)整管道路由等方式。

4 地質(zhì)條件變化導致異常問題及處理措施

實例一：某段頂管總長38.9 m，DN800 鋼筋混凝土管，地勘報告顯示穿越土層主要為雜填土，結(jié)構(gòu)松散-稍密狀，局部分布碎塊石，管頂覆土平均約3.8 m。采用手掘式頂管，頂進至12 m 時，發(fā)現(xiàn)土層多為磚渣、碎石等建筑垃圾，且滲水嚴重，如繼續(xù)頂進，坍塌安全風險大。

應對措施：因該段頂管27～34 m 位于現(xiàn)狀交通干道下方，不能占道開槽施工?？紤]到覆土較淺，且接收井基坑開挖揭露的地質(zhì)條件較好，最終確定地質(zhì)條件較差段采用上部開挖+下部頂管方式，即沿著頂管方向放坡開挖，挖除磚渣、碎石等，下部跟進頂進；交通干道下方仍采用頂管施工。繼續(xù)頂管約15 m 后，地質(zhì)條件變?yōu)檩^均勻的雜填土，繼續(xù)手掘式頂進，最終該段頂管完成。

實例二：某段頂管總長113.3 m，DN1200 鋼筋混凝土管，地勘報告顯示穿越土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土，管頂覆土平均約4.8 m，選用手掘式頂管，頂進至13 m時，揭露出流沙層，如繼續(xù)頂管，安全風險大。

應對措施：調(diào)整頂管方向及頂管工藝，從接收井往工作井方向，采用泥水平衡頂管機頂進；頂至已完成管道時，強制推出，最終該段頂管完成。

實例三：某段頂管總長138.9 m，DN1500 鋼筋混凝土管，地勘報告顯示穿越土層為雜填土、粉質(zhì)黏土，管頂覆土2.4～5.3 m。選用泥水平衡頂管機，在頂進至7.2 m 時遇不明障礙物，經(jīng)頂進嘗試，發(fā)現(xiàn)刀盤扭矩超限警報，機內(nèi)有沉悶異狀響聲，判斷遇到較大回填石塊，考慮起始段管道覆土層厚度不大，采用回退頂管機容易出現(xiàn)路面塌陷，且不能準確判別所遇障礙物，故采用開天窗法判斷雜填土層情況，發(fā)現(xiàn)填土層內(nèi)含大量塊石、卵石及磚渣等硬塊，塊石粒徑300～1 000 mm，卵石粒徑50～200 mm，同時泥水平衡機頭刀盤開口較大，卵石、磚渣等硬塊進入泥水倉內(nèi)不能隨排泥管排出而大量堆積堵塞排泥管，致使機頭抱死。

應對措施：泥水平衡頂管機不適用含大量塊石、卵石、磚渣等硬塊的雜填土，通過開天窗法更換巖石破碎頂管機，重新頂進后，恢復正常。順利頂進至89 m 時遇粉質(zhì)黏土層，黏土層黏稠度較大，巖石機頭刀盤開口率小，且刀盤滾刀不能有效切割黏土，只能通過硬頂?shù)姆绞綄ね翂喝雮}內(nèi)，在泥水倉內(nèi)增加一根Φ50 mm 水管，通過高壓水對倉內(nèi)黏土進行切割沖洗，但效果不佳，多次出現(xiàn)排泥管堵塞，后在高壓水中添加一定量的砂，有效降低黏土的稠度，進而降低了堵管的發(fā)生率，最終完成該段頂管。

實例四：某段頂管總長203.48 m，DN1000 鋼筋混凝土管，在111 m 處布置騎馬井。地勘報告顯示穿越土層為粉土、粉質(zhì)黏土和雜填土層，管頂覆土約5.4 m。選用泥水平衡頂管機，頂進至61 m 處遇異常障礙物，機頭向頂進軸線方向左側(cè)偏移14 cm。經(jīng)分析判斷為大孤石，與頂管軸線局部交叉。采取微調(diào)頂進方向糾偏，繼續(xù)頂進10 m 后，機頭調(diào)整到管道軸線上。但受孤石影響，偏斜管道承插接頭處減阻泥漿外漏嚴重，加之偏心受壓，管道出現(xiàn)裂縫，不得不停止頂進。此時機頭位于現(xiàn)狀構(gòu)筑物正下方。

應對措施：對管道裂縫部位進行修補；將111 m 處騎馬井調(diào)整為頂管井，采取逆套管法，從該井往工作井反向頂進DN1650 頂管專用管，手掘式挖土，將頂管機套取后，拆分取出。后半段管道以該井作為頂管井繼續(xù)向接收井頂進。

總結(jié)：頂管施工前，施工單位應加密補勘，特別是地勘報告顯示黏土層、頂進長度大于100 m 的管段，同時結(jié)合頂管工作井、接收井開挖揭露的地質(zhì)情況，進一步判斷。根據(jù)實際情況，選擇適宜的頂管機型：地質(zhì)條件為均勻的巖石或土時，首選機械頂管；地質(zhì)條件為土層，但存在較多卵石、石渣時，宜選擇帶具有二次破碎功能的復合頂管機，避免卡鉆；管段埋深處無地下水時，也可選擇手掘式頂管。

5 泥質(zhì)粉砂巖特殊地質(zhì)條件導致異常問題及處理措施

實例一：某段頂管總長73.6 m，DN800 鋼筋混凝土管，穿越土層為中風化泥質(zhì)粉砂巖，管頂覆土平均約4.3 m，選用泥水平衡巖石頂管機。開始頂進后，發(fā)現(xiàn)頂進速度緩慢，平均約1 m/d。經(jīng)分析，地層為中風化泥質(zhì)粉砂巖層，刀盤切削巖粉，攪拌形成的泥漿過于黏稠，不能順利排出，影響刀盤切削巖石。雖然采取了加大更換泥漿頻次，加大注入清水量等措施，但效果有限。

應對措施：回退頂管機及鋼筋混凝土管，增大頂管機刀盤邊刀尺寸，使頂進孔洞直徑較頂管機外徑大2～4 cm，泥漿直接從管道外壁與巖石之間空隙排出，避免造成刀盤堵塞。改進后，頂進速度大大提高。

實例二：某段頂管總長78 m，DN1000 鋼筋混凝土管，地勘報告顯示穿越土層為粉質(zhì)黏土、中風化泥質(zhì)粉砂巖層，巖石抗壓強度5～20 MPa，管頂覆土平均約5.6 m，選用泥水平衡復合巖石頂管機，頂進至15 m時，頂進速度大大降低。經(jīng)分析判斷，頂管機滾刀磨損嚴重，不能正常切削巖石。

應對措施：取樣實測巖石實際抗壓強度達40～50MPa，與地勘報告出入較大，泥水平衡復合巖石頂管機刀盤選型不當?；赝隧敼軝C及已完成頂管后，更換為巖石頂管機，重新頂進后，恢復正常。

實例三：某段頂管總長420 m，DN1350 鋼筋混凝土管，地勘報告顯示穿越土層為中風化泥質(zhì)粉砂巖層，巖石抗壓強度5～20 MPa，管頂覆土平均約11.3 m。選用泥水平衡巖石頂管機，在60 m、156 m 增加中繼間。頂進至106 m 時，頂管機電流異常，通過回漿情況，判斷遇到黏土層。巖石頂管機頂黏性土時，刀盤頂進削切時，黏性土不能形成破裂的塊狀被刮入泥水倉，而是在頂管機推力的作用下形成刀盤泥餅，使整個刀盤錐體接觸土層端面面積增大，從而使頂力大增，刀盤電流也經(jīng)常處在超負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。采取增大進水量，在循環(huán)水中添加分離劑，減緩頂進速度，但效果均不明顯，近一個月的平均進尺不到2 m/d；頂進220 m 時，滾刀軸變形，不得不停止頂進。

應對措施：本段管道長度420 m，且埋深較大，設(shè)計階段，DN1000 管道即滿足過流要求，考慮異常問題處理，開天窗難度大，故將管徑調(diào)大至DN1350，人員可通過管道進入頂管機內(nèi)部處理。本次刀盤故障，人員即通過管道進入，更換刀具。同時在頂管機內(nèi)額外增加一根Φ50 mm 水管，通過高壓水沖洗，帶走部分黏稠泥漿。繼續(xù)頂進至254 m 后，由于管壁與黏土地層摩擦阻力大，頂管承插接頭漏漿、潤滑泥漿套失效等減阻效果差，頂進頂力過大，發(fā)生管材破裂問題，最終不得不停止頂進，采取開天窗措施處理。

總結(jié)：頂管施工需準確判斷土層地質(zhì)情況，但泥質(zhì)粉砂巖物理性能比較特殊，粉砂、黏土含量、風化程度、含水率等因素對其影響較大；加之地勘通常帶水鉆孔取芯，影響結(jié)果判定。應結(jié)合頂管井開挖取樣進一步試驗，最終選擇合適的頂管機。在復雜地層進行中長距離頂管時，應采用更多的減阻措施，如管材外壁涂蠟（2 mm 工業(yè)蠟）（圖3），承插接頭設(shè)雙橡膠圈防止減阻泥漿外漏（圖4）等，防止頂力過大造成管材破裂。

圖3 管材涂蠟減阻

圖4 管材承插接頭設(shè)雙橡膠圈

6 結(jié)束語

頂管施工前應該綜合了解工程地質(zhì)情況、水文特征、地下管線分布情況，充分考慮可能出現(xiàn)的各種情況，選用合適的頂進方式，并制定相應的應急預案。施工時應加強現(xiàn)場管理，采用信息化手段監(jiān)控、掌握頂進情況。出現(xiàn)異常問題時，結(jié)合實際情況，可選用開天窗、逆套管、回退頂管機、調(diào)整施工工藝等措施處理。