几种常见的顶管施工故障及其对策

第２３卷第５期　２００６年　非开挖技术　Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．２３．Ｎｏ．５　ｏｃｔ．．２００６　２７　几种常见的顶管施工故障及其对策　王兆铨　毛志鑫２　（１．绍兴磐石基础工程有限公司浙江绍兴３１２０００；２，绍兴县航运管理所浙江绍兴３１２０００）　摘要：本文通过工程实例，介绍了在顶管施工中几种常见的机械、技术故障及其处理对策，以期为其他顶管　施工技术人员提供有意的借鉴。　关键词：顶管、故障、工程实例、诊断、对策　●—ｌ　刚　】一—舌　—一　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　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、　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　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　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　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。　保土体不坍塌或设法减小管壁摩阻力的方法；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）７Ｉ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。　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　作者简介：王兆铨男（１９６８一）汉族高级工程师中国非开挖技术协会会员，绍兴磐石基础工程有限公司总经理，从事顶管施工　机械的开发和顶管施工技术管理多年。毛志鑫男（１９６３一）汉族工程师现任绍兴县运河管理所所长，参加多项运河顶管穿越　的技术论证工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

非开挖技术Ｔｒｅｎｃｈｌｅｓｓ　Ｔｅｃｌｍｏｌｏｇｙ　２００６年　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。　机　症状：（如图１）本管道地面埋深８．５　ｍ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２０　ｍ，症状减轻，２０分钟后被电讯部　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　实例１：无锡３１２国道（ｃＰｌ０００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。　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。　症状：顶段长１４２ｍ，机头位于离工作井１０１ｍ　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，发现大量漂浮油　渍。　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　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。　图１无锡新区３１２国道（￣８００砼Ｆ管）污水顶管工程示意图　●ｔＩ　・＿’ｆ—一　工●　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　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。　压密注浆处理。　实例４：杭州富阳正泰污水￣０１０００顶管工程，　ＰＳＤ－１０００型泥水平衡式顶管机头。　症状：管线穿越宕渣回填层，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。　实例２：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。　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　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　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８０　ｃｍ块石后，回　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３：无锡新区３１２国道（￣８００砼Ｆ管）污水　顶管工程，日本ＩＳＥＫＩ　ＴＣＣ一８００型泥水平衡式顶管　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　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２３卷第５期　王兆铨毛志鑫：几种常见的顶管施工故障及其对策　２９　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有利。　孔桩位置时停止作业。　④采用砼取孔机切除影响管道部分的砼和钢　筋。　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。　⑤钢管套入机头至ＮＯ１管１　ｉｎ位置。　⑥从接收井处拉出机头，反向套入￣ｐｌ０００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。　实例５：温州汤家桥北路ｑ￣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，（如图２）。　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８０　ｃｍ的钻孔灌注桩，疑为河坎施　３）顺套管法：此方法在二种情况下进行采用。①　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。②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６：苏州某ｑ￣１３５０　砼Ｆ管污水顶管，采用　ＰＳＤ一１３５０型泥水平衡式　顶管机头。　图２温州汤家桥北路￣ｏ１０００过河污水顶管工程示意图　症状：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　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２０　ｍ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　出金属碰击声，再顶进２０　ｃｍ，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　筒法凿除灌注桩需历时半月以上，在已完成１１７　ｍ　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：　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１　Ｉ１２．，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　①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，必须对图２中影阴部分位置　进行压密注浆处理，以改善该地块的土质状况。　②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。　③采用内径为ｑ￣１４００的钢管反向顶进，到达钻　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ｔ这是一种经经济、技术比较后，不　得已采用的补救办法。将原先管道作报废处理，在原　维普资讯 http://www.cqvip.com

３０　非开挖技术Ｔｒｅｎｃｈｌｅｕ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２００６年　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７：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１６８　ｍ，右Ｉ临１１万伏电网铁塔，计　划穿越高速公路接线，后经宽３０　ｍ河床到达接收　井。在顶至１１０　ｍ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。　图３常州戚墅堰（￣１２００砼Ｆ管）污水顶管工程示意图　对策：综合现场地理环境，既无开挖场地，又无　沉井施工条件。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￣０１２００砼管报废，内套外　径为‘Ｐ１１５０壁厚１２　ｒｎｌｎ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２　ｍ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　图４内套外径为‘Ｐ１１５０壁厚１２ｍｍ的钢管与机头焊接　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，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‘ｐ８００砼污水顶管，日本　ＩＳＥＫＩ　ＴＣＣ一８００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。　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。