几种常见的顶管施工故障及对策

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1、几种常见的顶管施工故障及对策1、前言随着我国非开挖技术的广泛应用，机械顶管施工技术亦日趋成熟，特别是泥水平衡式顶管和土压平衡式顶管工艺已成为较为常用的顶管施工方法。然而，顶管施工本身就是一项受地下不确定因素和外界困扰较多的高风险作业，成功率并非十分圆满。从以往的顶管施工情况来看，各种如纠编失控、管道轴线或标高严重偏位、管壁摩阻力过大、顶管无法向前推进、机械故障导致掘进机中途停顿、机头遇不明障碍物难以穿越等等现象，比比皆是。在这里，我们故且把由于技术人员操作不当而引起的管道上翘、下沉、左右大幅偏位等现象称作为“顶管人为事故”（这里不再讨论）。而把由于受地质变化、障碍物、管材破损等造成的顶管失败现

2、象，称作为“顶管施工故障”。对于长期从事顶管施工的工程技术人员来说，“施工故障”其实很难避免。这就象我们日常生活中生病一样，得了病，如何对针下药才是关键。顶管施工也如此。出现故障，如何既快又省地解决问题，才是我们所必须关注的重要议题。2、故障类型及对策我们通常把顶管掘进机头不能最终到达接收井的现象，均称作为：顶管失败或顶管故障。其实，在实际施工过程中，顶管掘进机头顶进途中停止不前原因较多，归纳起来有以下几种情况：1）由于设计或施工前对地质情况估计不足，造成顶进过程中摩阻力过大；2）由于施工中注浆减阻不理想，或因某原因中间停顿时间过长，造成管壁阻力过大；3）由于管道自身强度缺陷，顶进过程中造成管

3、身碎裂；4）由于工作井井身或后壁强度不足，造成工作井后座严重开裂或变位；5）由于掘进机头自身机械传动出现问题；6）由于管位处出现难以逾越的障阻物等。处理以上几种类型的故障，其对策往往与该管道所处理地质情况、地表状况、施工条件及故障起因有很大关联。在确定一个理想的处理方案时，需仔细加以分析比较，才能对症下药，从而水到渠成。这里提供几种处理对策供大家参考：1）开天窗法：在掘进机头上方地面通过开挖而解决问题的方法；2）逆套管法：在接收井反向顶进内径大于机头外径的钢管或其它管道，然后把机头从接收井拉出；3）顺套管法：在工作井顶进内径大于管道外径的钢管，从而确保土体不坍塌或设法减小管壁摩阻力的方法；4）

4、内套管法：在原来的管道内顶入一支直径稍小的钢管，并与机头连接，从而达到重启机头的目的；5）引导洞法：在接收井中，逆向顶入同口径管道，使两机头对接，然后此顶彼拉，达到预期目标的一种解决方法。3、工程实例1）开天窗法：此法常用于故障机头上方地面符合施工条件，且该处地质状况亦利于开挖或进行开窗作业，它可分为大开挖法、钢板支护开挖法、沉井开窗法和钢护筒开挖法等。实例一：无锡312国道（1000砼F管）顶管工程，日本ISEKI TCC-1000泥水平衡偏心破碎型掘进机头。症状：顶段长142米，机头位于离工作井101米处时，发现操作台扭矩表异状波动，同时机内发出金属间摩擦的刺耳声音，观察排泥口，发现大量漂

5、浮油渍。疹断：偏心齿轮动密封件磨损，齿轮油外溢，部分泥浆水压入齿轮油箱，造成主轴承损坏。对策：该段处于路缘绿化带上，为黄褐色粘土层，适合于开挖施工处理，且故障发生时，顶力仅为102吨，减摩注浆情况良好，建议大开挖取故障机头，然后换新机头与机头管重新衔接，再启动油站开顶，控制时间12小时。施工注意事项：处理动作要迅捷，新机头必须满足调运条件，开挖面不宜过大，起吊故障机头时尽量不要破坏机下土层，在确保现机头标高与原机头一致情况下，方可回填土方。处理过程中，为保证触变泥浆压力，需定期进行补浆。实例二：无锡珠江路（800砼F管）污水顶管工程，PSD800型泥水平衡式顶管机头症状：管线穿越铁路原下行立交

6、匝道边，刀盘扭矩超限波动，前有异状物迹象，退回主顶液压油缸，异动消失。诊断：刀盘处遇较大障碍物，疑为砼基础。对策：由于该处正在新建跨铁路立交，机头位置地面均为回填土方，建议采用钢板桩支护开挖，用镐头挖机破碎砼块后作清障处理。施工注意事项：钢桩围护时应注意避开机头位置。砼块破碎时切忽损坏掘进机刀盘。处理期间，需保证触变泥浆压力。实例三：无锡新区312国道（800砼F管）污水顶管工程，日本ISEKI TCC-800型泥水平衡式顶管机症状：本管道地面埋深8.5m穿越河道，管道顶至离河口1米左右发现刀盘扭矩超载，顶力突然增大，机头有迅速左偏趋势，机内无杂声出现；继续顶进20m，症状减轻，20分钟后被电

7、讯部门告知，苏宁长途通讯光缆被切断。诊断：刀盘被光缆纤维物缠住，由于原定向钻施工之实际标高与竣工图标高严重不符，（相差3m），造成设计原始资料失真。对策：因配合通讯光缆抢修，以及事故调查分析，停顿时间在一周以上。故需作开窗处理，考虑到机头已近河边，开挖难以施工，决定采用沉井法加以处理，在机头管NO1处作为沉井外壁位置，完成沉井作业后，回拔机头。调整管位标高，以该井为工作井重新开启顶管施工，施工时间1个月左右。施工注意事项：准确测量管位，注意沉井施工时刃脚与NO1管的交割，回拔前要在机头周围进行压密注浆处理。实例四：杭州富阳正泰污水1000顶管工程，PSD-1000型泥水平衡式顶管机头。症状：管

8、线穿越宕渣回填层，行进30m至公路边缘挡墙位置时，发现刀盘扭矩超限警报，机内有沉闷异状响声。诊断：疑遇较大回填块石。对策：虽然该管道埋置不深，但由于机头位于公路与排水渠交接边缘，开挖施工势必导致公路填筑宕渣坍塌，影响行车安全。采用钢护筒护壁，人工采挖法加以处理，结果在吊出直径约80cm块石后，回填部分土方，穿越成功。处理时间为20小时。施工注意事项：准确测定机头位置，上层用挖机开挖，然后埋设护筒。处理块石后，即进行粘土回填，及时拔除钢护筒。“开天窗法”通常是顶管施工技术人员首先所考虑到的一种简单、节省而又行之有效的补救方法。然而，往往由于地理条件，土质情况的限制，采用其它的处理对策有时会变得更

9、有利。2）逆套管法：在故障机头离接收井较近，且地面无法开挖的情况下，采用比机头外径大20cm左右的钢管（或其它管道），从接收井洞口利用人工反向顶进，套住机头后，把机头从接收井拉出，再接顺管道的一种方法。实例五：温州汤家桥北路1000过河污水顶管，PSD-1000型泥水平衡式机头。症状：该顶段长124m，地面覆土深度8m左右，河面宽85m，接收井离河岸9m。在顶至离接收井洞口7m时，机头刀盘突然扭矩超限，随之顶力增大，主油缸退压后，扭矩表恢复正常。诊断：机头前方遇较大障碍物，经揭开地表土层，发现一颗直径80cm的钻孔灌注桩，疑为河坎施工时旁边高层建筑的围护桩。对策：由于该管位处在粉质粘土层，地下

10、水位较高，且北临12层高楼，东靠汤家桥桥台，南边为主河道河岸，经探测钻孔桩深度达20m以上，“开天窗”施工难度极大。现场无法再布置沉井位置，采用钢护筒法凿除灌注桩需历时半月以上，在已完成117m顶管的情况下，长时间的停顿再次启顶成功希望更小，因此建议采用“逆套管”法进行处理，步骤如下：由于管位地层地质状况较差，为保证逆向人工顶管时的施工安全，必须进行压密注浆处理，以改善该地块的土质状况。根据原有轴线及标高，在接收井处安装导轨及浇注砼后靠墙，安装止水圈。采用内径为1400的钢管反向顶进，到达钻孔桩位置时停止作业。采用砼取孔机切除影响管道部分的砼和钢筋。钢管套入机头至NO1管1m位置。从接收井处拉

11、出机头，反向套入1000砼F管。该故障处理时间为20天。施工注意事项：故障机头具体位置，轴线走向，标高等数据的测定十分重要，是处理问题的成功关键。同时，正确判断该地层是否适用于人工挖土顶管，否则需进行土壤改良处理。3）顺套管法：此方法在二种情况下进行采用。掘进机头在刚开顶不久，离工作井不远处出现故障，且地面为道路或不允许开挖沉降的情况。顶管进行到一定长度，发现由于管壁摩阻过大，管身受载能力不足。经计算减少部分管节的摩阻可以使机头顺利到达接收井的情况下。第二种情况由于补救投入较大，同时成功概率亦不很高，故较少采用。实例六：苏州某1350砼F管污水顶管，采用PSD-1350型泥水平衡式顶管机头。症

12、状：开顶后至第一节机头管NO1刚顶进，机头出现扭矩波动异状，机内发出金属碰击声，再顶进20cm，机头卡死。诊断：刀盘或泥水舱内有金属异物卡住，或主轴轴承损坏。对策：鉴于工作井临近公路主干道，机头位于通车路基下，开挖或拉机头会造成公路坍塌，影响正常交通。因此建议使用直径稍大于机头外径的钢套筒，顶至机头前大于1m，然后回拉机头及NO1管，检查机头故障情况，结果发现刀盘内被沉井施工时遗留的钢管轧头卡死，取出后重新开顶。施工注意事项：应根据土质分析其流塑及渗水状况，确定是否需要注浆或降水处理。同时，注意防止洞口止水圈拆卸时的井壁周围水土流失。4）内套管法（此方法会引起沉降）：这是一种经经济、技术比较后

13、，不得已采用的补救办法。将原先管道作报废处理，在原管道中顶入一根外径小于原管道内径的钢管，与机头衔接，从而达到机头顶入接收井的目的。实例七：常州戚墅堰（1200砼F管）污水顶管工程，日本TCC-1200泥水平衡式顶管机型。症状：顶段长168m，右临11万伏电网铁塔，计划穿越高速公路接线，后经宽30m河床到达接收井。在顶至110m时，由于管外壁摩阻力过大，顶进时48#，49#F管管壁砼破碎，无法继续顶进。（图3）诊断：地质状况考虑欠周详，该土层为粉质土层，呈流塑状，易出现“抬管”现象，且地下水位较高，施工时注浆效果差，难以形成浆套，亦是主要成因。对策：综合现场地理环境，既无开挖场地，又无沉井施工

14、条件。查阅电网铁塔及桥梁基础均为钻孔灌注桩基，建议在顶管后续段允许产生部分沉降，管道内径略微减小能满足排污要求的情况下，采用内套管法予以解决。具体方法为：将原有1200砼管报废，内套外径为1150壁厚12mm的钢管，顶至机头位置，使之与机头焊接。在洞口重新设置止水圈。在与机头连接处设置长约2m左右的止水带，（钢管外壁注水溶性聚胺酯，与水反应发泡膨胀而成）。启顶后，观测地面沉降量，适当减小排泥数量，完成顶进后，进行换浆，即补压水泥浆工作。施工注意事项：需进行经济可行性分析比较，论证地面的部分沉降对周围构筑的影响程度后方可作出以上处理方案。实施时，应注意止水带和洞口止水圈（含接收井洞口）的止水效果

15、，发泡剂的注入量，以确保地下水的压力。一经完成即需对超挖部分进行补浆（水泥浆）处理，必要时，在注浆时掺入水玻璃，以加快凝结提高注浆效果，从而减小地表的后期沉降。5）引导洞法：由于掘进机头发生故障，但刀盘尚可转动的情况下，外部条件限制，很难用其它办法来解决该问题，在接收井处用同型号掘进机逆向顶进，实现对接后，此推彼拉，完成顶进工作的一种方法。实例八：无锡新区高浪路800砼污水顶管，日本ISEKI TCC-800型泥水平衡式顶管掘进机。症状：在W29-W30段施工中，顶段长140m，顶至90m处时，机内发出类似金属卡壳声，刀盘扭矩表出现波动。同时，泥水箱内发现大量漂浮油渍。此时主顶油缸顶力为60T

16、。诊断：机内动密封件磨损，泥浆水混入轴体，造成主轴承损坏，应立即停止顶进。对策：鉴于地表无开挖的条件，且逆套管法施工距离较长，地下流沙严重。分析目前机械运行情况，发现机头刀盘在无重负荷时，运行尚属正常。因此，采用同型号机头在接收井W30按同轴线逆向顶进，实现对接后，W29#井继续顶进，W30#井处机头回拉。施工注意事项：如何准确无误地确定原机头走向，标高及现机头轴线是成功的关键，刀盘对接后，需同向转动，推进与回拉均需同步进行。4、结论与体会顶管施工是一项高新科学技术，目前的施工经验积累尤为欠缺，这就更需要大家在施工实践中加入探索和研究。笔者查阅了大量关于顶管施工的相关资料，很少发现针对顶管施工故障及处理对策的描述，在此提出几种不很成熟的处理方案，与广大同行研讨，以期共同提高。笔者坚信，通过大家这些“地下工作者”的不懈努力，非开挖施工技术必将越来越趋向成熟，终而独立成为工程行业的一门重要学科。