摘要：基于当前泥水平衡式顶管施工中常遇到的故障问题，本文主要提出故障处理流程，总结出泥水平衡式顶管施工几种常见土质顶管故障处理方案，以便为今后类似故障处理提供参考经验。
关键词：顶管故障 处理流程 处理方案
前言：顶管施工作为一种日益成熟的施工技术，在城市管道建设中发挥了重大作用。现阶段城市管道建设最常用顶管方式为泥水平衡式和土压平衡式。
虽然顶管施工在工程领域的应用越来越广泛，然而，顶管施工作为一种不开挖技术本身就受地下不确定因素和外界因素的较大干扰，机头遇障碍物难以穿越、顶管机顶管中途故障、管道轴线或标高偏移严重、顶管摩擦阻力过大难以顶进等现象时有发生。故障无法避免，但如何既快又省的解决故障才是关注的重点。
1、顶管故障及处理流程
我们通常把顶管掘进机头不能最终到达接收井的现象，均称为：顶管失败或顶管故障。在这里我们不考虑因顶管机操作不当的引起的管道偏差等现象，仅把受地质原因、遇障碍物等不可控因素等造成的顶管失败现象称为“顶管施工故障”。在实际的施工中，由于地下情况的不确定性，顶管故障不可避免。故障发生时应按照流程分析处理，不可盲目施工以免造成不必要的损失。故障处理流程如图所示：
2、故障原因分析
在顶管施工过程中，机头遇障碍物难以穿越、顶管机顶管中途故障、管道轴线或标高偏移严重、顶管摩擦阻力过大难以顶进等导致顶管失败的因素较多，归纳起来主要有以下几种：
①由于设计或施工前对地质情况估计不足，考虑不周，在施工过程中土体摩擦阻力不断变大，使得顶管难以顶进；②设计或施工前考虑了减小土体的摩擦阻力的技术方案，但在施工中减阻不理想，或因某原因导致顶管过程中的中间停顿时间过长，土体固化将管道抱死造成管壁阻力过大，造成难以顶进；③由于管道自身强度缺陷或者顶管顶力过大，顶进过程中造成管身碎裂，顶管失败；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，顶管失败；⑤由于顶进过程中，掘进机机头因自身因素或外因导致故障，然后由于管径太小，维修工人无法进入，无法维修，顶管失败；⑥由于顶管过程中遇见难以逾越的障阻物，如坚硬的岩石或者未探明的管道线路等，顶管失败；⑦顶管遇淤泥等承载力较差的土体，在机械振动的影响下，土体液化导致顶管机机头下沉，管线严重偏离设计线路。
3、确定地质情况及周边环境
（1）顶管常遇地质
①人工填土：土体颜色多为杂色，土体较松散，土体的成分较杂乱，多含砖块、碎石、灰渣甚至垃圾等物质，土层深度一般较薄。
②淤泥、壤土:土体颜色多呈灰色或黑灰色，光润油滑且有腐烂植物的气味，多呈软塑或半流塑状态。土的承载力较小，易出现地基局部破坏和滑动；在荷载作用下易产生较大的沉降，以及较大的侧向变形，且沉降与变形持续的时间很长，易液化等。淤泥质土是顶管施工过程中最常见的土体。顶管遇淤泥质土时，宜调整顶管角度，并快速通过，避免机头下沉。
③黏性土、黄土：土体因所含矿物质不同而颜色各异，一般为黄、黑、白色。土体的强度较高，压缩性较低，具有吸水膨胀，失水收缩的特性以及湿陷性。在粘性土体重顶管施工较为便捷、快速，适宜进行顶管施工。
④砂土：主要为细砂及粉砂，土颗粒之间的凝聚力较小，孔隙比较大，渗透性较大，很容易在水动力的作用下产生流沙现象。顶管时遇砂性土，易产生空洞，从而导致顶管偏离，顶管失败，此时建议进行注浆处理。
⑤强风化岩：结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进。顶管压力加大时，宜将泥浆置换成膨润土，或在管材外壁上涂抹石蜡减少摩擦阻力，继续顶进。
⑥微风化及中风化岩：结构基本未变或部分破坏，有少量风化裂隙，用镐难挖，干钻不易钻进，强度较高，顶管无法顶进。
（2）周边环境
周边环境的判断可从建筑物、地下管线、交通情况、水文地质情况等方面进行判断，为顶管故障处理方案的制定提供有力保障。
4、制定处理方案
（1）开天窗法：在掘进机头上方地面通过明挖而解决问题的方法。按照开挖方式的不同有可以分为大开挖法（放坡开挖）、钢板支护开挖法、逆作井开窗法和钢护筒开挖法等。
（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，适用于反向顶管距离较短的情况；
(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）退管法：在管道顶进长度较短时，可使用钢绞丝绳对顶管机机头施加一个相反的水平力，使管材一节一节缓慢后退，直至顶管机机头退出洞口为止。运用此法应注意洞口及周边的塌陷。
(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。
5、工程案例分析
（1）故障描述
陈蔡涌SX22～SX23段过河段顶管为双顶管施工，下穿河涌。全长43m，其中有30位于河涌内，SX22、SX23均为φ5000圆形倒虹井。管材为DN600钢管内套DN400PE管，外套钢管采用焊接方式连接。从SX22向SX23顶进32m时，机头遇到障碍物难以顶进。
（2）分析故障原因
根据现场实际情况，陈蔡涌SX22～SX23段顶管过程中机头正常工作，未出现机械故障；钢管正常，不存在管材破裂情况；工作井井身或后壁正常，未存在开裂或变位情况；观察出泥管排出的泥浆显示土层为淤泥层，不存在摩擦阻力过大现象；顶管时出现顶力突然增大现象。根据以上情况，初步判定顶管过程中遇到障碍物（很大可能为孤石），造成顶力突然加大，难以顶进。
（3）确定地质情况及周边环境
根据地勘资料，陈蔡涌SX22井位处，地面以下2m内为压实填土层，孤石较多，最大直径约70cm，埋深2m以下为淤泥。SX23井位处约有3m厚填土层，埋深3m以下为淤泥。河涌内无地勘资料，结合现场顶管过程中泥浆池沉渣情况，初步判定河涌内顶管位于淤泥层。
该段周边无地下管线，SX22井位南侧河堤有现状挡墙，东南侧约15m位置河道有闸门，SX22～SX23顶管西侧约14m位置有厂房。
（4）方案制定
结合周边环境、水位地质条件及地下管线情况，本次故障处理已选用开天窗法进行机头及偏差管道开挖，调整标高后重新顶进。由于地质情况不适合逆做井室施工，所以采用钢板桩支护方式开挖机头，选用拉森Ⅲ型单根12m长钢板桩，两道横支撑支护，东侧沿两条设计管线中线位置打设，开挖支护宽度为2m，从SX23井位向SX22井位进行支护开挖，开挖长度具体以故障机头位置为准。
待机头及偏差管道开挖出后，探明管底是否有障碍物，再进行下一步处理：①若管道下方有障碍物，清除障碍物并调整管道，继续顶进；②若管道下方无障碍物，确定故障原因后排除故障，继续顶进。
6、结语
随着国家对水环境治理的不断重视，市政管网泥水平衡顶管技术也会不断地发展与进步。技术在进步的同时，顶管施工中的各种疑难杂症也会越来越多，处理方案也会更加的新颖。这就需要不断的总结，才能更好地为今后类似工程提供宝贵的经验。
参考文献：
[1]魏明.《土力学与基础工程》.机械工业出版社.2010
[2]王兆铨 毛志鑫.几种常见的顶管施工故障及其对策[J].非开挖技术.2006
[3]许磊 泥水平衡顶管施工中若干技术问题的探讨[期刊论文].2008
论文作者:邹小强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/17
标签：顶管论文; 机头论文; 故障论文; 管道论文; 障碍物论文; 情况论文; 淤泥论文; 《基层建设》2019年第13期论文;