顶管工程施工质量通病与防治措施

黄兆恩

（佛山市市政建设工程有限公司，广东佛山 528000）

0 前言

顶管技术是在不开挖地表的情况下，利用液压油缸从顶管工作井将顶管机和待铺设的管节在地下逐节顶进，直到顶管接收井的非开挖地下管道敷设施工工艺。由于顶管施工无须进行地面开挖，因此不会阻碍交通，不会产生过大的噪声和振动，对周围环境影响也很小。

顶管技术为较早使用的一种非开挖施工方法，由于其施工精度高，适用土质广，适用管径范围大，综合成本低，环境污染少，能穿越江河、公路、铁路、机场跑道、建筑物或障碍物等优点而广泛应用，随着国家对污水处理工程的大量投入和大直径污水管线铺设量的增加，顶管技术已广泛应用于我国水平定向钻进技术难以施工的污水、雨水等重力管道的非开挖施工，以及大直径的燃气、自来水、中水等压力管道的非开挖施工。

随着顶管技术的广泛应用，顶管施工中的不良现象也随之出现，以下分别介绍和分析施工中可能出现的各种常见质量通病，以及其防治措施。

1 轴线失控

1.1 现象及危害

轴线失控主要由于机头周围的土体特性不均匀，对行进中的机头产生的力矩不平衡，从而使机头产生某一方向的偏差。但如果土体的差别过大，力矩不平衡很严重，提供的纠偏力矩不足以抵消相反方向的力矩时，机头就会沿着已形成轨道偏下去，也就是轴线失控。管子顶完在做竣工测量时，发现管道中心线与设计的管道中心线有较大的偏差。顶管机头没有从预留洞出洞，或偏差较大。

1.2 原因分析

（1）由于工作井位与设计井位发生较大偏差原因造成。

（2）由于测量仪器误差过大所引起的。

（3）由于顶管机的开挖面不稳定、水土压力不平衡所致。产生正面水土压力不平衡的原因又有：

a.顶管机没有正面平衡机理，开挖面的地层又是流砂等不稳定条件。

b.虽然顶管机具有平衡手段，但是操作不当导致开挖面没能处于平衡状态。

c.在顶进过程中出现不良的地质，或者地质条件发生突变，导致开挖面的稳定无法正常控制，纠偏无效。

d.顶管机纠偏液压系统工作不可靠或者发生故障。

1.3 防治措施

（1）前期信息调查：在开工前需详细调查沿线土体的历史状态。然后在进入有松填土段或河底下的过浅覆土段时，应尽量避免有危险倾向的操作。

（2）严格执行测量放样复核制度，测量仪器必须保持完好，必须定期进行计量校正。

（3）施工前对顶管机进行认真的保养和修理，无故障投入顶管施工。

（4）选用平衡性能较好的顶管机进行施工，施工过程中严格控制开挖面的水土压力，稳定正面土体。

（5）对不良地质，施工前做好土体改良的施工辅助技术措施。

2 接口漏浆

2.1 现象及危害

压浆是顶管作业中极其重要的环节，压浆效果的好坏与否，直接关系到顶力控制和地面沉降控制的质量。在顶管过程中，有时会出现漏浆的现象，即管接口处有触变泥浆渗入管接口内。其根本的原因是管接口的尺寸精度、密封圈的尺寸和材质和安装质量没有控制好，加之管节有一定的注浆压力，就会从管接口处进入管内。

2.2 原因分析

（1）管口的质量问题，如接口尺寸不对。

（2）密封圈的问题：

a.密封圈尺寸不对，现在施工中多采用楔形密封圈，当管节插口端插入承口端时，密封圈受压变形，当其体积不能填满密封圈槽时，就产生了缝隙。尺寸过大，造成密封圈挤坏或挤出。

b.密封圈的材质问题和本身有裂纹或瑕疵，在受压的情况下，也会产生断裂。

c.橡胶止水圈没有安装正确或已损坏，例如没有按规定把橡胶圈固定粘结在混凝土管插口内。

（3）操作失误，在管节对接时，密封圈没有完全进入承口，或在插入的过程中发生反转，这些都是将来产生缝隙的隐患。

（4）管接口损坏，张角过大使密封失效。

（5）在顶管中，如果纠偏转角过大，造成管节之间的折角过大，也会造成管节漏浆。

2.3 防治措施

（1）加强对管材的质量监督，混凝土管节表面应光洁、平整，无砂眼、气泡，接口尺寸符合规定。

（2）安装前应检查橡胶止水圈的材料检测报告，并检查橡胶止水圈的规格、型号与外观质量。橡胶圈的外观和断面应致密、均匀、无裂缝、孔隙或凹痕等缺陷。检查裂纹时，多数时候要在张紧的情况下才可能发现。

（3）检查密封圈不能有反转、挤出现象。

（4）在管节对接时，密封圈在套入混凝土插口时要平整，在密封圈进入套环或承口时要涂硅油并缓慢地顶进油缸，使管节正确地插入合拢。

（5）对于曲线顶管，应该在曲线的外侧插入木垫板，尽量扩大在张角时的受压面积。同时密切关注管接口的缝隙变化，防止接口缝隙过大而导致接口渗漏。

（6）在顶进过程中认真控制好方向，纠偏不要产生大起大落。

3 管节破裂

3.1 现象及危害

顶进中管节发生破裂。管节破裂以管端破裂的情况较多。管端破裂多出现在顶时过程中，会产生管端内壁剥落和管端出现环形裂缝的情况，随着继续顶进过程，这些地方就会发生管节局部断裂的情况，严重影响施工的质量。顶进就位的管节发生开裂，会影响排水管道的闭水功能和管节的整体强度。“碎管”是较重大的质量事故，常会造成整个工程的报废，需严防发生。

3.2 原因分析

（1）用于顶管的混凝土管材存在质量问题：

a.管材混凝土强度等级低于国家质量标准要求，管体的混凝土抗压强度低于设计强度。因此在没有达到临界顶力时，管节就出现裂缝。

b.管节部分端面不平直，不垂直，倾斜偏差大于规范要求，并有石子凸出，使顶进时接触面积减少，造成局部应力集中，使管节产生破裂。

c.管节进入顶坑前已经出现超过0.05 mm的裂缝，或管口处有蜂窝麻面，甚至露筋。

上述质量缺陷使管节在顶力尚未达到临界值时，就已经出现裂损现象。

（2）用于顶管的钢管接口的焊接质量不合格。有的因焊缝位于钢管的底部，又有导轨等挡着，钢管下部只有管内焊缝，这就非常危险。 如果在焊缝处产生向上弯折，焊缝就很容易被破坏。

（3）管节接口处由于衬垫不良，产生应力集中。当顶力增大后，管节在管壁薄及接触面小的地方发生破裂。木衬垫如果过软和过硬，就起不到顶力传递时的缓冲作用，对管端的冲击加大，也会产生破裂。

（4）管道顶进后期，由于管道的中心或高程误差的存在，使管道摩阻力增大，如不能及时调整顶进误差，使摩阻力接近极限顶力，管节会因顶力达到极限面压裂。其原因有：

a.工作井后背墙面不垂直，顶力偏移造成管节前进方向或高程出现偏差。

b.工作井内两导轨间距不等宽，高程不一致，安装不稳固，或导轨本身不平直。

c.工作井基础承载力不符合要求。

d.管节顶进过程中，校正次数过少，未能及时发现误差并纠正。

e.水文及工程地质情况变化，且处理不当。

3.3 防治措施

（1）下管前，应逐节检查混凝土管材质量。

a.管材的混凝土抗压强度应达到设计标准。

b.检查管材的外观质量：管端面是否有蜂窝麻面和露筋现象，管口是否圆顺，管端是否存在超过0.05 mm的裂缝，端面是否平直，外表是否光滑平整等。

（2）检查钢管接口处的焊缝质量：焊接牌号与钢管材料是否适用，焊接坡口是否标准，焊缝是否焊透等。

（3）顶薄壁管及企口管时，要用弧形顶铁来扩大承压面积，并在管壁与顶铁之间设置垫层，使其均匀受力，减少应力集中。

（4）采用触变泥浆来降低顶进阻力。

（5）管道顶进中坚持“先挖后顶”和“随挖随顶”的原则。

（6）在顶进过程中认真控制好方向，纠偏不要大起大落。

（7）在顶进过程中，发现管壁着力的地方出现灰屑脱落和管壁外皮脱落现象，这就是开裂的预兆，应立即停止顶进，退回千斤顶活塞杆。

（8）管节已被顶坏，应更换新管。

4 顶力过大

4.1 现象及危害

顶力过大是指顶力超出了顶管的控制顶力。顶进阻力由两部分产生：（1）机头：包括开挖面迎面压力和机头筒体与土体直接接触产生的摩阻力。阻力大小和地质情况、机头的大小、机型和埋深直接有关。（2）沿线管节的摩阻力：整根管道在土体中像火车一样行进，和土的接触面积是巨大的，沿线的摩阻力也将是巨大的。克服的办法除了靠中继间进行接力之外，最基本的手段是用膨润土泥浆减小摩擦。如果机头浆套没能良好地形成，以致沿线的摩阻力不正常地增加，可能导致顶力过大。

4.2 原因分析

（1）土质的突变如沿线遇到障碍物，会造成迎面阻力的急剧上升。

（2）地面载荷太重或土体不断受到冲击，也会使土体被压实，增加迎面阻力。

（3）在偶然情况下，如果管线偏离轴线幅度太大，或轴线根本失控，导致受力不均，也会使顶力增大。

（4）浆套破坏。浆套破坏成因是很多的，有泥浆本身的问题，也有压浆技术问题。

4.3 防治措施

（1）设计初期就要做好详细的地质调查，避免暗桩等因素。

（2）避免浆套破坏。方法如下：

a.仔细检查膨润土泥浆是否原料过粗，或配料过稀，保证泥浆的质量。

b.对各沉降测点图线进行分析。沉降大处常是浆套损坏而造成顶力过大的地方。

c.启动各中继间。先分析哪一个区域顶力大，是局部还是全部。

d.逐一卸下压浆系统的总管和分管，开启每一个浆孔球阀进行检查。目的是防止浆套偏侧高压。如果有一侧高压同时对侧无浆的情况，就可一面卸放高压浆并同时向对侧补浆，以逐步重新建立不偏压的完整浆套。应正确认识到的是，浆液偏压比没有压浆还要严重；

e.检查地面特别是相邻的管道，是否有地方存在漏浆现象。

f.加强浆套管理。

（3）作出顶力曲线图，起始段就是机头部分的基本顶力。后续顶力的增长速度就是曲线斜率，曲线突然变陡就是顶力在异常上升，须查明原因采取应对措施。

（4）顶力一旦过大，应立即停止作业，否则可能导致管节破裂等工程事故。

（5）如果有安装中继间的，应及时地启动中继间，首先分析阻力变化原因，并配合补浆，逐段使顶力降低。

5 沉降过大

5.1 现象及危害

在顶管机穿越过后或顶管施工完成以后，在管子中心线左右两侧的地面产生沉降，并且随着时间的推延，沉降槽的宽度与深度均与日俱增。严格来说，在顶管施工过程中，地面沉降是不可避免的。但是，采用不同的施工方法，会有不同的沉降结果。同一工法，由于土质的不同、覆土深度不同、管道直径不同，也有不同的沉降。

5.2 原因分析

（1）超挖：正常的挖土量须控制在应挖土体的95%～100%之间。但由于如下各种不当操作会形成不同程度的超挖：

a.如果是机头开挖面沉降，基本是由于顶速相对过慢，导致“超挖”，迎面土压力小于主动土压力，开挖面的土体坍塌造成沉降。

b.对于螺机出土的土压平衡式顶管机来说就必须要减小螺机转速，减少出土量，提高迎面土压。

c.对于泥水机械平衡式顶管机来讲，因为刀盘面可以紧贴开挖面前后浮动，并自动缩小切土口，所以此类顶管机基本可以避免“超挖”。固定刀盘顶管机由于刀盘和刀口都是固定的，作业时稍不注意就会导致“超挖”。所以，刀盘转速应是可调的，最简单的办法是用变频调速。

d.如果是机尾土体沉降，第一，是由于机头纠偏量较大，其轴线与管道轴线形成了一个夹角，在顶进中机头形成的开挖坑道成为椭圆形，此椭圆面积与管道外圆之差值，即为机头纠偏引起的地层损失，纠偏量越大，地层损失也越大，土体沉陷也越大；第二，机尾的注浆不及时。机头的外径一般比管子外径要大，机头顶过后管道外周产生空隙，其目的是为了及时在空隙处形成浆套。如果不能及时地注浆填充，周围土体挤入环形空隙中，也会导致机尾地层损失而产生沉降。机尾的地表沉降，要注浆及时，浆量充足，通常浆量要大于管道外径空隙体积的2.5倍以上，松软土质，机头纠偏时，注浆量相应增加。

（2）中继间处土体沉降。其原因有：

a.中继间顶伸时，外部体积减小，中继间合拢时，外部体积增大，扰动土体，引起地表的沉降。

b.如果此时中继间接缝和密封不好或磨损，泥水流入管内，会引起地层较大损失，地表较大沉降。

c.顶管过程中对土体扰动而产生的沉降。

d.润滑浆套内的浆液流失造成的沉降。

e.采用了辅助的降水施工造成的沉降。

5.3 防治措施

（1）针对具体沉降测点的位置进行分析，控制好出土量，做到不超挖。

（2）针对中继间处的沉降，要严格控制中继间的外径尺寸及橡胶密封圈的外形和尺寸。中继间伸缩时，要注意前后区段管节浆套状况，要保持浆套完整，减少注浆量和注浆压力的波动。中继间顶伸时，要随即补浆，填充缝隙。

（3）同步注浆，要装压力表，控制好注浆压力。每节管节开顶时，都要检查注浆情况，确保和管节浆液与机尾浆液通畅，形成完整的浆套。发现机尾缺浆，要及时补浆。润滑浆要有一定的稠度，不能太稀。

（4）如果对沉降要求很高的情况下顶完全程后，必须用充填浆把润滑浆完全置换出来。

（5）尽量少采用降水这一辅助施工手段，而采用无须降水的机械式顶管施工。

（6）如果沿线不断沉降，就说明浆套已损坏，应立即针对这段进行运动中的修补。再不然，可立即对产生沉降过大的地下管线旁侧或是建筑物旁侧进行填充性注浆加固，以防沉降恶化。

6 出洞磕头

6.1 现象及危害

出洞磕头是指在出洞的时候发生机头下沉、机尾上翘的现象。一般情况下，顶进管道的比重总是比土低的，但顶管机相对来说是比较重的，其重心又比较靠前，如果机头从工作井排架上顶出后，悬臂段过长，土体支承力不够，就会发生磕头现象，特别是在砂性土层中容易发生这种现象。

6.2 原因分析

（1）工作井外的土体受到扰动后变得松软，使得土体支承力不够。

（2）在遇到软硬程度完全不同的两层土质中，顶管机很容易偏向软的土层。

6.3 防治措施

（1）顶管出洞时，启动底部二个主顶油缸，将顶力合力中心降低，使得顶管机的受力方向向上倾斜，避免顶管机的磕头。

（2）采用延伸导轨，使得基坑导轨的支点前移，从而避免磕头现象，还可酌情预留抛高。

（3）将前部管子同机头用拉杆连接成整体。

（4）对洞口外土体加固处理的目的，是使土体具有自立性、隔水性和一定的强度，并防止“磕头”现象。洞口土体加固可以采用化学加固法（主要有注浆法、旋喷法和深层搅拌法）。还可以采取降水和冷冻等物理方法，对于砂性土质，应当在工作井洞口区重点做好降水加固土体。

7 结语

相信随着国家建设的不断发展，顶管技术在工程中的应用也会越来越广泛，本文针对顶管施工中常见质量通病，分析其原因，提出了相应的防治措施，希望可以为日后的工程提供有用的参考。

[1]顶管施工技术及验收规范（试行）[S].

[2]马保松，等.顶管和微型隧道技术[M].北京：人民交通出版社，2004.