某市政工程顶管施工异常问题处理技术分析

陈开俊，刘峻材，周宏虎，罗雪锋

（三峡绿色发展有限公司，北京 101199）

市政工程管道施工中，顶管施工技术较为常用，此方法无需开挖施工，可利用工作坑中的顶进设备提供的顶力抵消管道及其周边土壤摩擦力，再按照设计坡度将管道顶入土中。顶管施工技术无需占用较多施工场地，不会对施工区周边环境带来较大影响，在地下管网工程、地下通道建设工程中应用率较高。然而顶管施工中可能由于机械设备、技术操作、地形条件等各方面因素影响而引发异常问题导致管道顶进施工无法顺畅开展，因此，需要结合工程实际，针对性采取可行性措施予以解决。

1 工程概况

某市政工程位于主城区，主要建设内容包括排水管道完善、修复，清污分流改造，新建截污干管等，设计新建排水管道约60 km。受城区现状管线布置、占地协调困难等影响，约16.5 km 管道采用顶管铺设。施工过程中，多段顶管因地下障碍物、不明管线、地质条件变化等因素影响，发生异常问题，不能继续顶进，施工单位采取了多种措施解决。

2 地下障碍物导致异常问题及处理措施

实例一：某段顶管总长86 m，DN1000 钢筋混凝土管，穿越土层主要为杂填土，管顶覆土平均约3.6 m。采用泥水平衡式顶管机，顶进10 m 时，碰到异物，顶管机故障，不能继续顶进。

应对措施：该段管道位于公园范围内，上方无重载，经参建方商榷，采取回退顶管机方法处理，具体如下。将主顶千斤顶调转方向，前端加设横梁，用钢丝绳将顶管机与横梁连接，通过千斤顶往复、钢丝绳收短将已顶入的钢筋混凝土管、顶管机取出。回退过程中，做好顶管上部范围封闭管理。经揭露的情况判断，杂填土中夹杂的废弃钢丝绳造成顶管机刀盘故障。修复顶管机后，重新顶进，顺利完成管道铺设。

实例二：某段顶管总长123.4 m，DN1000 钢筋混凝土管，穿越土层主要为杂填土，管顶覆土平均约6.78 m。采用泥水平衡式顶管机，顶进至48 m 时，碰到异物，导致顶管机卡死，无法顶进。

应对措施：因顶管机正上方存在现状供水原水管，且需占用学校操场，故不能在正上方开“天窗”。经参建方商榷，采取逆套管法，从接收井往工作井反向顶进DN1500 钢筋混凝土管，手掘式挖土，将顶管机套取后，拆分取出。但顶进34 m 时，因顶管反力过大，接收井周边软弱土层承载力不足，接收井井壁歪斜，不得不停止顶进。经第二次商榷，在第二次顶管顶进位置正上方新增顶管井，再继续采用DN1500 顶管顶进，最终顺利取出顶管机，并完成管道铺设。经揭露的情况判断，顶管机碰触的障碍物为废弃拱涵。

实例三：某段顶管总长125 m，DN1200 钢筋混凝土管，穿越土层主要为杂填土，管顶覆土平均约4.4 m，位于车行道正下方。该段顶管紧邻右侧现状箱涵，最小距离约4 m。顶管井沉井施工阶段，发现土层中夹杂着钢板、钢轨、混凝土块等较多的建筑垃圾，采用泥水平衡式顶管机存在卡钻风险，但原状箱涵侧墙为砖石结构，长期运行，渗漏、腐蚀严重，地质条件较差，手掘式顶管安全风险性极大。

应对措施：为保证施工安全，参建方商榷仍采用泥水平衡顶管机，碰到异常障碍物时，采用开天窗法处理障碍物，回填土方后继续顶进。开天窗具体工艺为，采用2 m/节，直径2 600 mm，壁厚2 cm 的钢护筒护壁，机械挖土后下沉，下沉一节，焊接一节，下沉到顶管机位置后，人员下井处理障碍物，回填原状土，然后拔出钢护筒，继续顶进。本段顶管共进行了4 次开天窗，最终顶管完成。同时为保证开天窗位置回填土密实，采取注浆加固，避免后期道路沉降。

总结：当顶管遇地下障碍物导致不能正常顶进时，如障碍物能够消除、且顶管顶进长度较短时，可采用回退已顶进管节、顶管机方式处理，但需要做好上部土体稳固措施，防止坍塌；如地质条件、接收井尺寸等满足手掘式顶管条件时，可选用逆套管法（图1），套取接头；如顶管机未受损，埋设较浅时，可采用钢护筒支护方式开天窗（图2），快速开挖，处理障碍物后，继续顶进；如顶管机受损不能顶进，则需要新增顶管井，更换顶管机、处理障碍物后，继续顶进。

图1 逆套管照片

图2 开天窗

3 地下管线交叉问题及处理措施

实例一：某段顶管总长59.3 m，DN800 钢筋混凝土管，穿越土层主要为杂填土，管顶覆土平均约3.78 m。采用手掘式顶管，顶进至36 m 时，碰到现状管道。经管勘单位确定，为DN1500 污水管道，与现状管道交叉约20 cm。

应对措施：经设计复核，现状管道管径数据勘测错误，造成管线交叉。但受末端现状管道高程限制，新建排水管道高程不能下调。最终确定破除现状DN1500 污水管道交叉处，继续顶进，新建排水管道与现状管道交叉，现状管道底部形成凸起，但对其过流能力影响不大。因现状排水管道流量较大，采用气囊封堵上游管口并进行导排，破除交叉处现状管道，继续顶进，最终顶管完工。现状管道交叉处破口，采用水泥砂浆封堵、填缝。

实例二：某段顶管总长64.1 m，DN800 钢筋混凝土管，穿越土层主要为杂填土，管顶覆土平均约3.8 m。采用手掘式顶管，顶进至36 m 时，碰到现状地下管线，与顶管轴线完全交叉。经权属单位指认，为DN500 球墨铸铁供水管道，目前仍在正常运行。顶管施工前管线交底时，权属单位未指出。

应对措施：受末端现状管道高程限制，新建排水管道高程不能下调。经与权属单位对接，给水管道迁改难度大，该段顶管不能继续顶进，最终确定将剩余顶管调整为明挖管道，管道交叉处新增结合井。

实例三：某段顶管总长58.5 m，DN800 钢管，穿越土层主要为杂填土，管顶覆土平均约6.0 m，下穿现状箱涵。采用手掘式顶管，顶进至33 m 时，接近现状箱涵，发现管道正前方出现较大空腔且有水流出，暂停顶进后，发生坍塌。坍塌处位于车行道正下方，为保证施工安全，立即封闭道路，采取注浆加固。水泥浆凝固后，该段顶管不能继续顶进。

应对措施：经参建方商榷，确定从接收井反向手掘式顶进。受顶管井尺寸限制，将6 m/节钢管调整为1 m/节钢筋混凝土管，但顶进至21 m 时，顶管上部碰到混凝土结构。经设计复核其高程，确定为现状箱涵底板结构。顶管顶部外壁与箱涵底板顶面间距约30～40 cm。考虑到现状箱涵水流量较大，如继续顶进，需破除箱涵底板，安全风险大；拖拉管、微顶管等措施操作难度较大。最终不得不废弃该段顶管，调整该段管道路由。

实例四：某段顶管总长80.1 m，DN1020 钢管，穿越土层主要为杂填土，管顶覆土平均约5.60 m。采用泥水平衡式顶管机，顶进至63 m 时，作业人员发现回浆管返浆中夹带气体，同时有异味，经判断，顶破现状燃气管道。事发第一时间，施工单位联系产权单位关闭临近阀门，事故未进一步扩大。顶管施工前，施工单位已经组织各类地下管线产权单位进行了管线交底，但产权单位未指出；该段燃气管道为中压备用管道，采用拖拉管施工，埋深较深，管位冲突。

应对措施：采用开天窗法，迁改现状燃气管道后，继续顶进。

总结：顶管施工前，应尽量探明管道轴线范围内地下管线，可采取调阅档案资料、物探、现场实测和产权单位现场交底等，避免管道交叉影响顶管施工；在地下管线不明的情况下，采用手掘式顶管可有效避免损坏地下管线事件的发生；顶管碰触到地下管线时，可采取迁改、交叉等措施后继续顶进；确实不能绕开时，可选择更改为开槽施工或调整管道路由等方式。

4 地质条件变化导致异常问题及处理措施

实例一：某段顶管总长38.9 m，DN800 钢筋混凝土管，地勘报告显示穿越土层主要为杂填土，结构松散-稍密状，局部分布碎块石，管顶覆土平均约3.8 m。采用手掘式顶管，顶进至12 m 时，发现土层多为砖渣、碎石等建筑垃圾，且渗水严重，如继续顶进，坍塌安全风险大。

应对措施：因该段顶管27～34 m 位于现状交通干道下方，不能占道开槽施工。考虑到覆土较浅，且接收井基坑开挖揭露的地质条件较好，最终确定地质条件较差段采用上部开挖+下部顶管方式，即沿着顶管方向放坡开挖，挖除砖渣、碎石等，下部跟进顶进；交通干道下方仍采用顶管施工。继续顶管约15 m 后，地质条件变为较均匀的杂填土，继续手掘式顶进，最终该段顶管完成。

实例二：某段顶管总长113.3 m，DN1200 钢筋混凝土管，地勘报告显示穿越土层主要为杂填土、粉质黏土，管顶覆土平均约4.8 m，选用手掘式顶管，顶进至13 m时，揭露出流沙层，如继续顶管，安全风险大。

应对措施：调整顶管方向及顶管工艺，从接收井往工作井方向，采用泥水平衡顶管机顶进；顶至已完成管道时，强制推出，最终该段顶管完成。

实例三：某段顶管总长138.9 m，DN1500 钢筋混凝土管，地勘报告显示穿越土层为杂填土、粉质黏土，管顶覆土2.4～5.3 m。选用泥水平衡顶管机，在顶进至7.2 m 时遇不明障碍物，经顶进尝试，发现刀盘扭矩超限警报，机内有沉闷异状响声，判断遇到较大回填石块，考虑起始段管道覆土层厚度不大，采用回退顶管机容易出现路面塌陷，且不能准确判别所遇障碍物，故采用开天窗法判断杂填土层情况，发现填土层内含大量块石、卵石及砖渣等硬块，块石粒径300～1 000 mm，卵石粒径50～200 mm，同时泥水平衡机头刀盘开口较大，卵石、砖渣等硬块进入泥水仓内不能随排泥管排出而大量堆积堵塞排泥管，致使机头抱死。

应对措施：泥水平衡顶管机不适用含大量块石、卵石、砖渣等硬块的杂填土，通过开天窗法更换岩石破碎顶管机，重新顶进后，恢复正常。顺利顶进至89 m 时遇粉质黏土层，黏土层黏稠度较大，岩石机头刀盘开口率小，且刀盘滚刀不能有效切割黏土，只能通过硬顶的方式将黏土压入仓内，在泥水仓内增加一根Φ50 mm 水管，通过高压水对仓内黏土进行切割冲洗，但效果不佳，多次出现排泥管堵塞，后在高压水中添加一定量的砂，有效降低黏土的稠度，进而降低了堵管的发生率，最终完成该段顶管。

实例四：某段顶管总长203.48 m，DN1000 钢筋混凝土管，在111 m 处布置骑马井。地勘报告显示穿越土层为粉土、粉质黏土和杂填土层，管顶覆土约5.4 m。选用泥水平衡顶管机，顶进至61 m 处遇异常障碍物，机头向顶进轴线方向左侧偏移14 cm。经分析判断为大孤石，与顶管轴线局部交叉。采取微调顶进方向纠偏，继续顶进10 m 后，机头调整到管道轴线上。但受孤石影响，偏斜管道承插接头处减阻泥浆外漏严重，加之偏心受压，管道出现裂缝，不得不停止顶进。此时机头位于现状构筑物正下方。

应对措施：对管道裂缝部位进行修补；将111 m 处骑马井调整为顶管井，采取逆套管法，从该井往工作井反向顶进DN1650 顶管专用管，手掘式挖土，将顶管机套取后，拆分取出。后半段管道以该井作为顶管井继续向接收井顶进。

总结：顶管施工前，施工单位应加密补勘，特别是地勘报告显示黏土层、顶进长度大于100 m 的管段，同时结合顶管工作井、接收井开挖揭露的地质情况，进一步判断。根据实际情况，选择适宜的顶管机型：地质条件为均匀的岩石或土时，首选机械顶管；地质条件为土层，但存在较多卵石、石渣时，宜选择带具有二次破碎功能的复合顶管机，避免卡钻；管段埋深处无地下水时，也可选择手掘式顶管。

5 泥质粉砂岩特殊地质条件导致异常问题及处理措施

实例一：某段顶管总长73.6 m，DN800 钢筋混凝土管，穿越土层为中风化泥质粉砂岩，管顶覆土平均约4.3 m，选用泥水平衡岩石顶管机。开始顶进后，发现顶进速度缓慢，平均约1 m/d。经分析，地层为中风化泥质粉砂岩层，刀盘切削岩粉，搅拌形成的泥浆过于黏稠，不能顺利排出，影响刀盘切削岩石。虽然采取了加大更换泥浆频次，加大注入清水量等措施，但效果有限。

应对措施：回退顶管机及钢筋混凝土管，增大顶管机刀盘边刀尺寸，使顶进孔洞直径较顶管机外径大2～4 cm，泥浆直接从管道外壁与岩石之间空隙排出，避免造成刀盘堵塞。改进后，顶进速度大大提高。

实例二：某段顶管总长78 m，DN1000 钢筋混凝土管，地勘报告显示穿越土层为粉质黏土、中风化泥质粉砂岩层，岩石抗压强度5～20 MPa，管顶覆土平均约5.6 m，选用泥水平衡复合岩石顶管机，顶进至15 m时，顶进速度大大降低。经分析判断，顶管机滚刀磨损严重，不能正常切削岩石。

应对措施：取样实测岩石实际抗压强度达40～50MPa，与地勘报告出入较大，泥水平衡复合岩石顶管机刀盘选型不当。回退顶管机及已完成顶管后，更换为岩石顶管机，重新顶进后，恢复正常。

实例三：某段顶管总长420 m，DN1350 钢筋混凝土管，地勘报告显示穿越土层为中风化泥质粉砂岩层，岩石抗压强度5～20 MPa，管顶覆土平均约11.3 m。选用泥水平衡岩石顶管机，在60 m、156 m 增加中继间。顶进至106 m 时，顶管机电流异常，通过回浆情况，判断遇到黏土层。岩石顶管机顶黏性土时，刀盘顶进削切时，黏性土不能形成破裂的块状被刮入泥水仓，而是在顶管机推力的作用下形成刀盘泥饼，使整个刀盘锥体接触土层端面面积增大，从而使顶力大增，刀盘电流也经常处在超负荷运转状态。采取增大进水量，在循环水中添加分离剂，减缓顶进速度，但效果均不明显，近一个月的平均进尺不到2 m/d；顶进220 m 时，滚刀轴变形，不得不停止顶进。

应对措施：本段管道长度420 m，且埋深较大，设计阶段，DN1000 管道即满足过流要求，考虑异常问题处理，开天窗难度大，故将管径调大至DN1350，人员可通过管道进入顶管机内部处理。本次刀盘故障，人员即通过管道进入，更换刀具。同时在顶管机内额外增加一根Φ50 mm 水管，通过高压水冲洗，带走部分黏稠泥浆。继续顶进至254 m 后，由于管壁与黏土地层摩擦阻力大，顶管承插接头漏浆、润滑泥浆套失效等减阻效果差，顶进顶力过大，发生管材破裂问题，最终不得不停止顶进，采取开天窗措施处理。

总结：顶管施工需准确判断土层地质情况，但泥质粉砂岩物理性能比较特殊，粉砂、黏土含量、风化程度、含水率等因素对其影响较大；加之地勘通常带水钻孔取芯，影响结果判定。应结合顶管井开挖取样进一步试验，最终选择合适的顶管机。在复杂地层进行中长距离顶管时，应采用更多的减阻措施，如管材外壁涂蜡（2 mm 工业蜡）（图3），承插接头设双橡胶圈防止减阻泥浆外漏（图4）等，防止顶力过大造成管材破裂。

图3 管材涂蜡减阻

图4 管材承插接头设双橡胶圈

6 结束语

顶管施工前应该综合了解工程地质情况、水文特征、地下管线分布情况，充分考虑可能出现的各种情况，选用合适的顶进方式，并制定相应的应急预案。施工时应加强现场管理，采用信息化手段监控、掌握顶进情况。出现异常问题时，结合实际情况，可选用开天窗、逆套管、回退顶管机、调整施工工艺等措施处理。