长距离顶管施工中的问题与解决策略分析

长距离顶管施工中的问题与解决策略分析

陈福建

中国水利水电第十一工程局有限公司河南郑州450001

摘要：在长距离顶管施工阶段，由于环境、管径、顶进机械、施工技术等多方面因素的影响，在长距离顶管施工过程中极易出现一些风险故障。因此，本文以某工程为例，介绍了长距离顶管施工原理，阐述了长距离顶管基础施工方法，分析了长距离顶管施工中常见问题。并提出了几点针对性解决措施，以期为长距离顶管施工效益提升提供有效的借鉴。

关键词：长距离；顶管；工作井

前言：XX清水管道穿越XX江，管道施工采用顶管推进法，为长距离大口径顶管施工。XX顶管顶进工程最高日设计流量为19*104m3/d，压力流输送管道设计压力为0.58MPa，采用外径为2018mm、1987mm，壁厚为25mm钢管，管道长度为890m。管道中心标准高度为-8.8m~-24.8m。工程东西两端以沉井为主要连接渠道，沉井制作高度为16.9m。其中东侧沉井为顶管接收井，接收井内径为8.8m，外径为11.9m，井底标准高度为-30.8m，制作高度为32.56m。本文对该工程顶管顶进施工问题及优化措施进行了简单的分析，具体如下：

一、长距离顶管施工原理概述

长距离顶管施工主要是在顶管驱动下，利用土压平衡顶管设备，对土层进行处理。在土压平衡顶管设备应用过程中，工作井内油缸为主要动力设备。其可对顶管设备提供较大的推进力。通过顶管推进期间设备、土层阻力相关作用，可促使土层盘旋运动[1]。随后利用土压平衡顶管设备中大刀片，可将盘旋土层卷出，以达到土体降压、控温的作用。在这个基础上，利用机器将土层由地下传送至地上，可完成整体管道施工工序。

二、长距离顶管施工中的问题及原因

2.1长距离顶管顶力不足

长距离顶管顶力与其顶进长度成正相关。由于管道强度的约束，顶管顶进长度并不能无限制增加。这种情况下，普通长距离顶管施工过程中，就需要在管道尾部施加一定顶力。由于管道强度对顶管顶力施加具有一定影响。再加上土层阻力的限制，在长距离顶管施工过程中，极易出现长距离顶管顶力不足的情况。

2.2长距离顶管顶进方向失控

顶管施工中管轴线多为直线、曲线形式。在实际施工作业中，长距离顶管需沿规定管轴线走向进行顶进作业。由于地下土层环境的复杂性，极易导致推力合力作用点高于或低于后座被动土层压力作用点，进而导致长距离顶管顶进方向失控问题发生。而顶进方向失控问题的出现，不仅会影响管道正常构型，而且会增加顶管顶进压力。甚至影响整体施工过程顺利进行。

2.3进洞口旋喷桩断桩

2017年05月25日，在施工过程中，XX工程进洞口高压旋喷桩施工期间，由于电力短路，导致正在旋喷加固施工的6根钻杆长达9.8m断裂在加固土体中。断杆底部距离地面为28.6m，与工具头进洞口位置距离较近。在初步处理之后，XX工程高压旋喷桩断桩位置出现了严重的涌水涌砂现象，随后进洞口地层出现了塌方情况。

2.4长距离顶管施工塌方

塌方问题大多发生于地下水位高于标准限度土层，或软土地基位置。塌方问题除进洞口旋喷桩断桩之外，还包括顶管工作坑后座可承受最大推力反作用力过大，顶管顶进力不均匀等因素。塌方问题的出现，不仅会影响长距离顶管顶进方向控制效果，而且会破坏管道受力均衡性，最终危害地层上方建筑物稳定性。

三、长距离顶管基础施工方法

3.1长距离顶管设计方法

长距离顶管设计阶段，主要设计模块为施工单位选择、设备配置、施工风险预控等。

首先，在长距离施工施工单位选择模块，长距离顶管建设方可在设计前期，全面收集国内外相关行业顶管工程实例，分析我国现有施工企业工程经验。结合区域地质勘察方案，汇总不同地层顶工艺技术适应能力。优先选择实力较强的干线岩石顶管施工单位，或者擅长土顶管施工的单位。如中交二航局、天津华水公司等[2]。

其次，设备是长距离顶管施工过程顺利开展的前提。因此，相关建设方可依据施工质量要求，评估相关施工单位内部设备性能。依据XX长距离顶管施工工程地质条件，可选择泥水平衡顶管机作为主要施工设备。常用的泥水平衡顶管机主要为NSD系列、NPD系列、国产DBNP系列等。在泥水平衡顶管机确定之后，依据具体地质条件及顶进水压，需选择合理的刀具布置形式及开口率。应用频率较高的顶管机刀盘主要为挡板式刀盘、岩层切削刀盘、车轮式刀盘等。其中挡板式刀盘切削刀盘前部大多处于闭合状态，对岩土层具有一定筛分作用。适用于粒径较大的石块切削；岩层切削刀盘外部为圆锥性适用于粒径较大的岩层切削；车轮式刀盘前部切削断面多处于敞开状态，适用于土层压力稳定性较高，或者泥水平衡顶管设备。

铲刮式切削、刀盘旋转式切削为刀盘破损主要形式。在实际刀盘切削方式选择过程中，相关人员可综合分析地层土层、强度等因素，选择合理的切削方式。需要注意的是，若长距离顶管顶进地质复杂程度较高，为避免刀盘、刀具磨损对顶管顶进效率影响，需每间隔50-70m，更换一次刀具。

最后，从理论层面进行分析，长距离顶管施工方法具有普适性。但是在实际长距离顶管施工阶段，由于中标价格、工期、地质勘察、设备性能、施工经验等多种因素的影响，在施工设计阶段并不能涵盖全部风险因素。因此，在长距离顶管施工设计阶段，相关人员可预先设置风险识别机制，全面分析长距离顶管施工期间风险因素。并制定具体风险防控措施，以降低不稳定风险因素对长距离顶管施工作业顺利开展的影响。

3.2长距离顶管施工方法

一方面，在顶管施工阶段，依据竖井制作、竖井下沉要点，施工单位可依据设计、招标文件，合理配置顶管设备、刀具及具有二次破损功能的刀具气压仓。

另一方面，长距离顶管穿越阶段，水泥套管、介质管径直接影响了长距离顶管穿越效果。因此，基于长距离顶管隧道水平偏差、垂直偏差数据，施工方可选择2.20m水泥套管内径、φ1219或φ1016规格的介质管。随后将介质管安装在350m、总环空1.0m隧道内。即在始发井内，依据由浅入深的原则，进行介质管逐层焊接。同时为了避免介质管安装对防腐层的影响，可在钢管外设置支撑滚轮。常用支撑滚轮主要为满天星状。

四、长距离顶管施工中优化策略

4.1完善长距离顶管顶进方案

为降低长距离顶管顶进压力不足问题出现概率，一方面，在XX顶管施工工程开展过程中，施工方可以实际穿越地层、设计制定勘测资料数据差异为核心，针对XX区域岩层面起伏变化大、岩性变化频率高的特点，明确列出补充地质土层勘测条目。

首先，依据顶管顶进机具作业要求，对岩性、岩层深度、岩层硬度等设计给定资料数据进行重复测量。以避免顶管设备无法破碎硬岩层导致的顶管顶进方向失控问题。

其次，长距离顶管施工方可在缩短钻孔间距、钻孔与轴线间距的基础上，综合考虑刀具形式、硬度，优化刀具组合。提高长距离顶管刀具切进余量，避免地质土层勘测误差对长距离顶管顶进方向的不利影响[3]。

最后，在长距离顶管施工设计阶段，可增设“施工勘察”造价成本。对中标前对穿越关键点、竖井等模块进行重复勘探。以此为依据，预先调整竖井施工方案、顶管顶进设备结构管理体系，保证长距离顶管沿预定线路进行。

另一方面，在顶管顶进施工阶段，相关施工人员应实时观测顶进阶段地表变形程度、土体位移情况。结合现有施工规范，预先制定顶进承压管理措施。同时采用专门的鼓风设备，控制顶管工作井内空气流通频率，避免气体泄漏导致的顶管顶进力不足问题。

4.2加强地质土层勘察及顶进纠偏

地质土层勘察分析可以帮助施工方全面了解地质土层情况，避免复杂土层情况导致的长距离顶管顶进方向失控情况。一方面，在顶管穿越上部土体较硬、下部土体较软地质时，施工人员可采取向上纠偏措施。即在保证泥水仓泥浆压力的前提下，增加推进力。调低顶管顶进速度，从而避免前顶管轴线偏折对正面上部土地切削效力的影响。同时以管道中心线为重点，在工作井上层地面设置地下测量控制系统。以视线清晰、方便校核为原则，每点增设三个或三个以上校核攀线装置。结合地面水准点临时设置及激光经纬仪的应用，可保证顶管顶进线路精确度。

另一方面，若施工方对建设方提供地址资料存在困惑，可依据关键施工环节，主动与设计单位协调，要求设计单位就当前设计需求进行重新勘察。同时在地质土层勘测分包阶段，应摒弃以往以低价中标为原则的管理模式。而是优先选择信誉度高、勘察经验丰富、责任心强的企业或团队。在这个基础上，委派内部技术成员对整体地质土层勘探过程进行跟踪管理，严格避免不良勘察行为的出现[4]。依据建立勘察结果，长距离顶管施工方可进一步优化前期顶管施工体系。即将施工地质条件限定、穿越地段施工设备要求、工期及费用预算、顶管总长度限定等纳入顶管顶进设计方案中。其中在施工地质条件限定模块，需要将顶管限定在第四系地层，或者软岩地层中；而在顶管顶进阶段穿越地段施工设备要求设计模块，需要以穿越难度较大地段为主要设计地段；在工期及费用预算需要对具体顶管模式进行合理计算；在顶管总长度限定主要是在原设计总长度的基础上，增设穿越卵石长度、硬质岩层长度数据。

4.3优化长距离顶管旋喷桩断杆处理技术体系

一方面，在顶管穿越中偏低压缩性密实土层时，施工人员可分别采用XY-2-320型钻机、XYB50-46II型液压浆泵设备，对长距离顶管旋喷桩进洞口位置进行压密注浆处理。同时考虑到XX顶管顶进工程施工工期较紧的情况，可在水泥将内掺加适量的早强剂。以三乙醇胺为例，每1kg水泥量可添加0.006%三乙醇胺。结合25根注浆孔的合理设置，可有效提高顶管穿越阶段旋喷桩抗压强度。在这个基础上，为避免注浆加固土体养护时间短对高压旋喷桩强度的不利影响，长距离顶管顶进施工管理人员可委派潜水员进入水面下方，密封设置钢环板。同时在水下进洞口外设置两个28.9m深的注浆孔，结合1.89t水玻璃设置，可有效提升后抽水洞口堵漏效果。

另一方面，若长距离顶管施工期间，顶管进洞口位置高压旋喷桩已断裂，则施工人员可在进洞口位置，沿四角各点，钻设深度为28.9m、直径为780.9m的孔洞。在孔洞钻设完毕后，利用土方侧压力驱使断裂位置进入孔洞位置。同时为保证井外壁安全稳定性，施工人员可在断裂位置进入孔洞后，向孔洞内回填黏土。并采用桩径为φ900mm三重管高压旋喷桩进行密实处理。

此外，建设方可聘请具有一定资质的单位，从勘察工作量、勘察质量等模块，实施监督地质勘察过程，保证地质勘察数据精确性[5]。同时以提升土层顶进工效为核心，从TBM隧道掘进适应性、钻孔布置间距、钻孔与穿越轴线距离、土层防水支撑等方面，逐步完善施工管理体系，保证后期顶管顶进施工过程顺利进行。

4.4加大长距离顶管施工管理力度

首先，在施工单位中标后，长距离顶管施工方可依据地质条件、水文条件勘察数据，进行顶管机类型及刀具配置参数的选择。同时针对现场管理程序复杂性，划分不同的管理单位，如土建分部、设计分部、监理总部等。借鉴以往现场施工管理经验，构建完善的顶管专家委员会、顶管工程巡察机制，开展全方位、长效期施工管理。从根本上降低长距离顶管塌方等风险问题的出现。

其次，在顶管顶进阶段，为最大限度降低土层塌方问题，相关施工人员可依据操作规程，严格控制大角度纠偏行为[6]。结合适当触变泥浆厚度及喷施均匀度的设置，可有效提高顶管顶进阶段土层稳固程度。同时在顶管穿越大堤时，施工人员可在顶管上方、左右两侧50.0m范围内，利用高压旋喷的方式，进行土体加固措施。通过高压旋喷注浆，可以促使旋喷桩体与周边土体形成具有一定承载能力的复合体，最终形成防渗透地基，有效提高地基稳定性。需要注意的是，在顶管中央轴线位置，顶管与防渗透地基连接位置会存在一定缝隙。此时施工人员可采用压密注浆的方式。在两者缝隙处向管外注射水泥浆液，以达到土层加固的目的。

最后，针对顶管顶进口旋喷桩断裂导致的塌方问题，施工人员可在顶管工具头未进入孔洞时，向接收井内抽取所多余水分。并以工具头水下进洞为要点，加大顶管洞口降水处理。即在顶管刀具组合进洞后，在洞口设置止水措施。即采用聚氨酯材料，在顶管顶进工具进入孔洞后，在穿墙管泥浆涌入位置进行通道封堵。结合洞口外压密实处理，可避免水泥浆进入顶管井内。同时为保证顶管顶进井内、外均无水泥浆涌入，可在聚氨酯压浆泵设置的基础上，在顶管接收井水面上方设置浮台。并在24.8m井深位置，在钢管道、穿墙管内径间隙，进行注浆管道的合理设置。随后将已剪切完毕的棉胎密实塞入两者缝隙间。结合棉胎外堵漏王快硬水泥及发泡剂油性聚氨酯的设置，可有效提高接收井内土层稳定性。

此外，针对井内涌水涌砂导致的水下吸泥塌方情况，施工管理人员可委派专门的潜水人员对地下钢板进行切割处理。

五、长距离顶管施工优化效果分析

该XX工程自2017年03月开工至2018年03月竣工验收，经检测各项级数标准均与设计规范相符。首先，顶管轴线偏差在28mm以内，高程控制在48mm以内，线路面总沉降量在±4.8mm以内，未影响地面上层建筑物。施工进程较快，土方填挖总用时200天，未影响地上生态环境[7]。

XX工程长距离顶管施工结果表明，在长距离顶管推进过程中，通过调节工具管平面刀头开口率，可保证长距离顶管顺利穿越不同密度复杂地层。而依据地质勘察结果加强纠偏频率，可以保证顶管沿预定线路穿越软硬土层交界位置；控制顶管注浆量、顶进速度，可以降低顶管穿越江河大堤风险概率；针对软土地层或复杂地层旋喷桩断裂塌方问题，施工人员可在断桩一侧进行孔洞钻设，以钻设孔洞为入手点，掏出土方。利用土方侧向反作用力，可驱动断桩塌方位置远离顶管顶进端口，保证后续顶管顶进工序顺利进行。

总结

综上所述，城市现代化进程中，给排水项目是重要的基础工程，为区域居民生活提供了物质保障。而长距离顶管施工工艺是给排水项目主要施工工艺。在长距离顶管施工工艺应用过程中，顶力不足、顶进方向失控、推力不足等问题的存在，严重影响了长距离顶管施工效率。因此，相关施工人员可依据长距离顶管施工工艺特点，针对长距离顶管施工工艺实施中常见问题，从结构设计、管理优化等方面，制定完善的长距离顶管施工管理体系，保证长距离顶管施工过程顺利进行。

参考文献：

[1]耿刚.市政给排水施工中的长距离顶管施工技术分析[J].科技与企业，2014（10）：260-260.

[2]熊晶.市政给排水中长距离顶管施工技术应用研究[J].科技风，2016（15）：158-158.

[3]高峰.长距离顶管施工技术在市政给排水施工中的应用分析[J].科学与财富，2015（17）：297-297.

[4]招桐.市政给排水施工中长距离顶管施工技术应用[J].城市建筑，2017（3）：244-244.

[5]禹进伟.长距离顶管施工技术在市政给排水施工中的应用——结合南宁市银海大道污水管项目[J].低碳世界，2017（6）：97-98.

[6]白凡玉.市政给排水施工中的长距离顶管施工技术研究[J].四川水泥，2017，28（6）：266-266.

[7]唐黎标.市政给排水施工中的长距离顶管施工技术[J].西南给排水，2017，45（15）：71-71.