顶管施工问题及对策分析

戴立宏

（镇海石化工程股份有限公司，浙江 宁波 315000）

0 前言

随着城市地下空间开发工程的规模越来越大，管道施工技术具有不破坏城市地表和建筑物的特性，在施工的过程中也不会导致相关区域交通的拥堵，它是在地下进行的工作，可以穿过如公路、铁路、河流等城市敏感区域，是一种污染小，破坏小，高效便捷的施工方法。由于顶管技术突出的经济性和适用性，因此它具有广阔的发展前景，但其还未形成完整的系统，所以仍需要不断的完善。

1 顶管施工技术简介

顶管施工是借助主顶油缸和管道之间的推力，把工具管从始发工作井内推进到土层，在顶到接收井内后再将其吊起，从而把预制管埋进在2个工作井之间，顶管施工工艺指的是从设备进场开始到全部顶进结束的整个过程，管道施工主要有4个阶段，分别为工具管出洞、工作井和接收井的制作、工具管入洞和后续管道顶进[2]。

2 顶管施工技术的优点

和通过开凿地面来埋管线的施工方式相比较，顶管施工主要有以下优点：1）顶管施工时一般只要挖2个井坑就可以了，这样不仅不会破坏路面和影响路面的交通，而且还能减少拆迁成本，增加企业经济收益；2）顶管施工开凿过程中的挖土量非常少，要远远少于路面开凿的土；3）顶管施工时不会破坏路面也不会破坏建筑，对路面建筑的损害比较小；4）在挖深管道时，管道施工的成本要远远低于开凿路面施工的成本，大幅节省施工费用；5）顶管施工时不会破坏在管道上面的土层，确保土层的结构完整，同时管节也不容易被破坏，可以大大增加其使用寿命。

3 顶管施工技术的适用范围

顶管施工技术的适用范围如下。1）适用于非岩性土层，在岩石层、含水层的施工难度较大。2）适用于管道会穿过马路、铁道、江河或别的建筑物。3）适用于路面上的街道空间比较狭窄和有比较多的建筑物时。4）施工在交通车流量密集的繁华道路，管道的线路无法改变，而且交通也不能断绝时。5）现场的施工环境比较复杂，会干扰到地面的施工工程，而且施工可能发生危险时。6）管道施工需要的扭土较深需要进行支扭作业时。

4 顶管施工技术的应用

4.1 工程概况

福建古雷炼化雨水外排管顶管项目建设地点位于漳浦县古雷半岛西侧，东山湾湾口东南侧，古雷石化园区南部。该顶管项目为福建漳州古雷炼化一体化项目百万吨级乙烯及下游深加工装置雨水提升泵站及事故水池（含清净雨水排水管）项目配套工程，该项目是2根横穿疏港公路的DN3200排水管道，单根长度172.5m。

4.2 场地设计工况条件

4.2.1 工程环境条件

根据走访现场及查阅资料，疏港路（古雷石化园区段）现状道路标准横断面宽度为50m，西侧为化工区，东侧为防风带，道路下市政管线布置较为完善。现状给水、电力、通信、路灯等管线为浅埋敷设，埋深1.5m。疏港公路横断面如图1所示。

图1 疏港公路横断面（单位：m）

东侧道路：绿化带宽7m，人行道宽3.5m，非机动车道宽4.5m，机动车道宽11m，中分带宽5.5m。

西侧道路：机动车道宽11m，绿化带宽3m，非机动车道宽2.5m。

现状道路东、西侧（防风林带侧）非机动车道下各1根DN1800雨水管道埋深较深，埋深约5m；自东向西不同深度分别埋设有DN1400原水管线、DN300消防线、DN600自来水管线、10kV电力电缆、通信光缆、军用通信光缆等。

现状道路东、西侧（防风林带侧）上方各1条110kV高压电缆经空线。

4.2.2 地质条件

场地土层自上而下分布如下：1）-1层杂填土：灰褐，稍密～中密，土质不均，以建筑垃圾为主，含砂、碎石块、植物根系，粒稍粗，矿物成分以石英、长石为主，磨圆度好，颗粒级配一般，含贝屑。该层场区仅少量分布，揭露厚度1.2m，层底标高6.52m。2）-2层素填土：灰，中密，湿，土质不均，以粗砂为主，粒稍粗。3）层细砂：中密～密实，饱和，土质不均，粒较粗，局部含粉质黏土薄层。4）-1层粉质黏土：该层为夹层，褐灰，可塑，土质不均，黏粒含量较高，局部含有机质、腐殖质、铁锰氧化物，夹砂土薄层，切面光滑、有光泽，干强度高，韧性高。该层仅局部揭露，揭露厚度0.6m～1.5m，层底标高-1.2m～1.32m。5）层粉质黏土：褐灰，可塑，土质不均，黏粒含量较高，局部含有机质、腐殖质、铁锰氧化物，夹砂土薄层，切面光滑、有光泽，干强度高，韧性高。该层普遍分布，揭露厚度0.9m～2.8m，层底标高-11.35m～-10.68m。6）层细砂：褐灰，密实，饱和，土质不均，粒较粗。

4.2.3 水文条件

水文条件如下。1）该场地地下水埋藏类型属于潜水，地下水补给源主要为大气降水，排泄方式主要为大气蒸发。勘探期间该场地地下水水位埋深3.2m～3.4m。2）承压水。各含水砂层的承压特征较明显，工作井、接收井场地范围内的细粗砂层承压水头标高为4.00m。

4.3 施工方案的确定

4.3.1 顶管施工方案

综合以上场地工况条件，设计采用顶管穿越疏港公路，由疏港公路东侧工作井开始，顶至疏港公路西侧接收坑内。该顶管管径为DN3200mm，水平双管布设，管中心间距9.0m，长度172.5m，管道埋深约10.0m，管内底标高为-2.1m。顶管采用切削刀盘可浮动的普通泥水平衡顶管掘进机（不具备破碎坚硬岩石及粒径较大块石功能，优点是造价相对较低，施工进度快）进行施工，管材采用新型钢筋混凝土JPCCP排水管，混凝土强度等级C50，抗渗等级P10，接口采用F型钢套承插口，胶圈密封[1]。

4.3.2 顶管后靠背设置

后靠背设置采用1块C30混凝土块，在施工作业挖坑的墙壁和靠背的间隙之间使用C30混凝土进行浇筑密实，使其一起当作后背墙。要等到浇筑的混凝土的强度达到75%以上之后才可以开始顶管的顶进作业，不然在顶管作业过程中就有可能会出现各种各样的事故，会直接影响到顶管的顶进。关于后座墙的附加层考虑以下做法：1）后背墙附加层的作业面要垂直于顶管管线。2）后背墙附加层的厚度要综合工作井的直径大小和后靠背顶铁的宽度多少来确定，宽度要以满足主顶油缸的发射长度来确定。3）后背墙附加层采用钢筋混凝土的做法。4）顶管机与后背墙之间一块50mm厚钢板作为靠背与顶缸之间缓冲。

后背墙的承载能力验算可按照下式计算。

式中：Rc—后背墙的承载能力（kN）；S0—后背墙承载能力计算系数，取S0=1.5～2.5，该工程取2；Bh—后背墙的宽度（m），4.5m；γs—土的重度（kN/m3），该工程地质取18.5kN/m3；h2—后背墙的高度（m），4.5m；Kp—被动土压系数，计算参考公式Kp=tan2（45+φ/2），其中φ指的是土的内摩擦角，该工程取30°；C—土的黏聚力（kN/m2），该工程取15kN/m2；h1—地面到后背墙顶部土体的高度（m），该工程取（1.51+3.63+5.34/2）7.81m。经验算后靠背承载力24716.8kN＞ 顶管所需顶力23941kN，满足要求。

4.4 施工中出现的问题和改善方案

4.4.1 问题点

在施工初期，整个作业过程比较顺利，但当施工至非机动车道时，突然发生排泥管堵塞事件，机泵损坏，导致顶管机头上部沉降、塌陷，由此而引发路面塌陷及道路下市政管线基础被掏空现象，马上中止施工，组织专业技术力量进行填充夯实处理及原因排查。结果发现排泥管中有大量的粒径10cm左右石块及杂物，聚集一起从而导致管路堵塞，排浆不畅，由此造成压力失衡，导致地面发生塌陷。

4.4.2 发生原因分析

由于顶管施工作业造成地面产生变形的原理一般为在工作井里面，先是通过顶进机头对土体进行切割作业，然后再充分利用顶进设备所输出的顶力，在克服了顶管和周围土体的摩擦力之后，沿着施工方案设计好的轴线进行顶进，在顶进作业时，一方面是顶进机头前面的土体受到了比较大的作用力而造成了挤压，另外一方面是由于顶进机头的管径要比后续管节的大，从而导致地层出现应力松弛。由于这2个方面的原因导致在顶管作业顶进部分范围内土体的应力进行了重新分布，因此而形成的附加应力，就会让土体产生变形，从而导致地表的变形和塌陷[3]。在这次顶管施工作业工程中发生的地表塌陷，主要原因有以下2项。1）由于顶管管道的土层中土层复杂，现场顶管穿越地层与地勘资料不符，细砂层中含有大量的粒径较大的未知石块，掘进前方遇到障碍物，顶进量变小甚至停顿，导致顶进压力和顶进土体没有发挥防护、平衡等作用；2）根据地质勘察的资料显示和这次顶管工程的作业特点，顶管施工作业过程中所穿越的土层是粉砂土层，这种粉砂土层在大直径顶管顶进的施工过程中容易发生流砂灾害，所以在顶进过程中不可避免地产生了地表塌陷。

由此可见，造成地面坍塌沉陷的主要原因是现场顶管穿越地层与地勘资料不符，粉砂层中含有大量的大粒径未知石块，而施工方案中所采用的切削刀盘可浮动的泥水平衡顶管掘进机又不具有破碎功能，导致机头被大块石卡死或大量粗粒径石块进入排泥管道，导致堵管事件发生，机头前方土压力失衡从而引发地面塌陷。

4.4.3 塌陷处治方案

为确保顶管施工期间疏港路交通安全及道路下市政管线、西侧军缆运行万无一失，防止南侧顶管顶进时扰动北侧已完工顶管，分别对场地地层现状及机头提出解决方案。

4.4.3.1 场地地层现状处置方案

根据北侧管顶进过程中出现的石块及杂物判断，顶管上的土质不排除部分区域为回填区域，该方案要求对顶管区域及穿越的地下管道、光缆、道路下部进行高压注浆，注浆范围、深度、注浆时机由设计单位出图，施工单位组织施工；顶管至道路主路时采用破除道路面层及基层的方式对道路下方沉降进行监测，出现沉降塌陷时及时进行填充夯实，保证场地地层现状处置方案科学性、合理性，为后续道路维护与管理工作开展奠定良好基础。同时，待顶管施工完成后，还须对疏港路道路及绿化受损部位进行统一修复。

4.4.3.2 机头及顶管工艺完善方案

在北侧顶管完成后对顶管机机头及顶管工艺操作进行如下几点的改进完善。1）在原有6个千斤顶的基础上增加2个千斤顶；2）机头的进泥孔采用Φ12mm～14mm的钢筋进行分隔，减少进泥孔，防止大块石头进入出泥管造成堵管；3）出泥泵由单叶轮改为双叶轮；4）接管后重新启动的工序调整为先启动刀头，后进水，同时调整顶进速度；5）机头上的切削刀头改为合金钢刀头；6）机头刀盘位置增加膨润土进管，顶进过程中充膨润土浆；7）机舱与出泥管连接位置增加十字隔断，防止机舱内石子进入出泥管导致堵管。

当现场实际的顶管穿越地层与地勘资料不符时要及时地调整施工方案，该工程项目的地质条件是粉沙型，在顶管作业中极易造成坍塌 ，在实际作业中要特别注意避免超挖，根据土体的稳定程度来决定顶进间隔与挖掘的深度，降地下水位至管底不小于500mm，如果发生了塌方，顶过管道后，要及时进行注浆处理。

5 质量安全控制建议

质量安全控制建议如下。1）为保证顶管施工质量，须编制完善的管理体系，全面落实到各项工作环节中，各部门严把施工质量关，细化项目经理、项目工程师、施工技术员等岗位责任，制定相应的奖罚制度，能为施工质量与安全控制提供基础保障。2）开展顶管施工作业，必须经总工程师审批后才能施工，确保施工方案、施工计划等内容完整及合理。3）施工方法选择要合理，经设计部门、施工部门、监管部门等相互交流，全面了解造成常规质量问题的影响因素，在现场施工中相互配合与协作，既保证工程施工质量，又提升项目施工效率与技术水平。例如：在现场施工阶段，施工技术员负责技术交底工作；监管人员负责质量跟踪控制；质量员负责“工序质量”检查等，均能保证各项工作质量与工程综合效益，符合项目建设要求。4）严格实行“三级”管理验收制度，先由班组自行检查，待质量部门、技术部门等复检合格后，由监理最终验收，只有上序工作各项要求均符合标准后才能开展下一道工序。5）原材料质检也极其重要，分析原材料质检工作流程较多，必须在每个环节中严格管理，制定完善的质检方案与计划，引进先进技术与配套设施，待原材料质检指标均合格后才能进入现场。在此基础上，“计量”管理制度落实到施工作业阶段，为施工质量及安全提供基础保障。6）技术资料管理、归档等根据企业规定标准，并制定完善的管理制度，细化工作内容与职责，由各部门分别管理部门工作中所产生的信息数据，再由档案管理部门统一储存，要保证档案内容精准、完整、规范等。7）始终都能明确工程建设要求，如技术管理、操作规程等，均需在细节把控中控制施工作业质量，经前期准备与施工阶段的严格管理，能为工程后续质量验收、运营管理等提供有利条件，保证项目经济效益。

6 结语

随着顶管施工技术的应用越来越广泛，顶管技术的施工工艺也越来越成熟，在建筑工程中采用顶管施工的方案不仅不会妨碍路面上的交通，对路面也没有产生太大的破坏影响，而且能够大幅降低施工成本，增加企业经济收益。在顶管施工技术得到广泛应用的同时还要做好技术安全管理工作，严格按照施工规范来执行，重点控制施工质量，如果在施工过程中发生地面塌陷等问题时，要及时进行原因分析和积极采取对策处理。