顶进法施工过程中管材破损的原因

顶进法施工过程中管材破损的原因分析

（谈维汉高级工程师139********wayne888@https://www.wendangku.net/doc/971620091.html,）

[摘要] 作者根据工程实践经验，结合理论分析，总结了顶进法施工中钢筋混凝土管材破损的常见原因，并提出了相关的处理和预防方法。

[关键词] 顶管施工破损原因预防

顶管施工最早始于1896年美国的北太平洋铁路下铺设地下管道工程的施工中。从那以后，顶管施工法被视为在铁路、公路下铺设管线的标准施工法，其应用遍及美国各地。60年代后，随着液压技术的发展及大型千斤顶的采用，顶管施工法获得了迅速推广应用。日本于1948年开始使用顶管施工法，主要是顶进铸铁管和钢套管，直到50年代才首次顶进混凝土管。我国早在50年代末，北京和上海就有用顶管方法穿越铁路和堤坝的先例。

顶管法与地面开槽法施工相比，占地面积少，不影响地面交通运输，又不破坏原有的地下管线及基础工程等设施，能穿越铁路、公路、河道及建筑物等障碍物，还可大量减少土方的挖填量，节约资金和时间，且施工无噪音，大大降低了劳动强度，成为近年来国内外迅速发展起来的地下施工新技术。

随着顶管施工技术的广泛应用，顶管施工工艺有了突飞猛进的发展。目前，顶管施工技术已能在各种复杂的地质条件下采用。它不仅适用于粘性土、粉质土和砂土，也适用于卵石、碎石、风化残积土等非粘性土。但在顶进过程中有时会出现管材破损的现象，造成了或大或小的质量隐患和经济损失，对于其原因管材生产厂家与施工单位各执一词。

施工过程中钢筋混凝土顶管的破损状态各有不同，但归根到底都是局部压应力过大而导致破坏，根据施工条件的不同，笔者将其分为两大类：

一、插口或承口端整圈（或大部分）被压碎

这种现象往往比较突然而

且发展较快，破碎的面积和深度

都较大，其引起的质量问题和处

理难度也较大。一般是沿钢圈

（承口端）整圈或大半个圆周被

压碎，纵向钢筋被压弯，端面沿

顶进方向凹陷，其原因有：

1、顶进过程中停歇时间过长，特别是在粘土层或粉（细）砂层中顶进时，由于土体的恢复和砂的沉聚，使得顶管外表面的压力和摩擦系数都大大增长，再恢复顶进的初始阶段，顶进力将成倍增大，若顶进力大于管材所能承受的压力时，就会发生压碎破坏。因此，施工时应尽量减少停机的时间，若因特殊情况不能连续顶进，可以采用“短间隔短距离”的顶进方法，即每停机一段时间（如1~3小时）就开机顶进一小段（如0.5~1m），同时可以加强注浆，减少管外壁的摩擦阻力。另外，在停机后重新顶进时，不能一下把压力全部加上去，要分几次加荷、持荷，比如预计要400吨的顶力才能顶进的，先加压至200吨，保持1~2分钟，卸载，再加压至250吨，保持1~2分钟，卸载，再加压至300吨…，以此类推，直至管材顶进或达到极限压力。这样的操作，在砂层特别明显，多次启动的压力比一次加压的压力要小很多。

2、顶管机前方遇到障碍物或坚硬岩层，导致阻力太大，顶力大大增加。

遇到这种情况时不要盲目加大顶力，应留意观察排泥管排出的泥水成分，看是否有石块及土质变化，还可以听一下机头刀盘转动时的声音，以确定是否遇到障碍物（如：旧基础、孤石、搅拌桩等）还是坚硬土（岩）层。若是遇到障碍物，则要停止顶进，采取措施（如开挖）排除障碍后再继续顶进；若是遇到坚硬土层或强度较低的无钢筋水泥桩，则要控制好顶进力，在保证顶进压力不超过管材允许压力的前提下慢慢顶进穿越。

因管线的受力是从机头往后一直增加的，到靠近千斤顶的最后一节管时达到最大值，同时也是直接承受千斤顶的压力，因此这种破坏一般发生在靠近千斤顶的最后一节管。这种破坏发生后可以把该节管拔出，更换一根管子即可

如上图，在某工程中顶进D800的混凝土管，顶进10米后顶力突然增加到250多吨，后来开挖后发现前面有2排D600的灌注桩，挖除后正常顶进。

3、由于目前部分的施工队伍不规范，顶进液压站的压力无法显示（不装压力表或压力表损坏不更换），在顶进时凭感觉操作，实际顶力有多大也不清

楚，往往造成顶进力超过管材的承压能力（特别是小口径的管）。特别是人工顶的队伍，操作人员的素质不高，对土建的基本知识不了解，忽略了在前期控制顶进力的重要性，造成减阻降压的措施不足，顶进力往往过大。一旦出现问题，难以挽救。

二、插口或承口局部被压坏

这种现象发生最多，一般先是在管内壁的水泥浆层或砂浆层开始小块崩裂，发展到一定程度时管身结构层被压碎破坏。只要加强监察，大多可以在初始阶段就发现，从而避免其进一步破坏。其破坏的机理就是混凝土局部受压，超过混凝土的抗压强度，而施工队往往与管材厂家争辩说，顶力还很小，只有多少多少，但不明白整个管材的截面只有小半甚至百分之几是接触受力的，其引起的应力将是成倍甚至几十倍地增长，对混凝土是最不利的因素。

1、相邻两根管中心线不重合，端面局部接触。

在顶管过程中，经常会遇到机头偏向和纠偏，从而导致了管线或多或少存在折曲（如下图所示），管子由整个端面均匀受压变成了局部受压，在承受同样顶力时，管子的压应力就会大大增加，并最终超过允许应力而被压碎。

管线偏位导致接触面减少示意图

管线折角处外弯位置不接触管线折角处内弯位置局部受力破碎

为了避免这种破坏，在顶进的过程中一定要严格监控管线的偏差，纠偏的幅度也应尽量控制在小范围内，相邻两根管的折角越小越好。另外，适当加大木垫板的厚度，对于调整偏差也有一定的效果。

根据《顶管施工技术验收规范》的要求，施工中纠偏角度应控制在10’~20’，

不得超过0.5o，按此最大直计算，相邻管子内壁的允许开缝宽度可以简化计算

表中数据可以看出，在实际施工过程中，超过允许开缝宽度的现象比比皆是，发生顶烂管的情况也就不足为怪了。

2、顶环尺寸过小或变形，与管端面接触不均匀（如下图所示）。

在千斤顶和管子之间有一个过渡的顶环，其外径一般应比管承口钢圈内径小5~10mm，若过小，则无法保证其中心与管中心重合。

另外，有时顶环变形、端面不平整也会导致与管端面的接触无法全部贴切。这样在受力状态下，局部的受力不一致，有些范围接触面大或先接触，所承受的压应力也就越大，最终的破坏也就先从这些地方开始（一般是在千斤顶的位置钢环变形、混凝土破坏）。

顶环尺寸偏差示意图

这种情况一般比较好解决，只要把顶环加工好，做到外径适当、两端面平整且平行则可。若外径小了，可以沿外圈加焊一些钢筋等限位，而端面变形则要用车床加工。此外，加大木垫板的厚度，对于消除顶环端面不平整所引起的应力集中有着很好的效果。

这种情况只要更换足够钢度的顶环，保证其在管材能承受的极限荷载作用下不发生变形，再加上厚度足够的木垫板，即可解决问题，顺利恢复顶进。

变形的顶环与顶环接触位置局部破坏

3、管子“反顶”或不用顶环。

有些施工单位（特别是采用人工顶进时）在施工时将管子的方向掉转，钢承口向前（俗称“反顶”），把千斤顶直接顶在管子的插口端，或在插口段横放一块钢板。这种做法其实是不符合规范要求的，千斤顶直接作用在管壁上，其局部的压应力很大，即使加了钢板，如果钢板过小或厚度不足，也同样会引起局部的应力集中，造成管子集中受力处被压坏。正确的做法应该避免采用“反顶”，同时必须要采用符合要求的顶环，人工顶进时也可以采用刚度足够的半圆环，将千斤顶施加顶力均匀地传递到管子的承口端面。

正常顶进（钢承口朝井内）“反顶”（插口朝井内）

三、管材本身的原因

在这两类管材破损的原因中，除了以上提到施工的因素外，管材的内在质量也可能是原因之一。混凝土管材的生产有多种工艺，主要的有离心成型法、悬滚法、芯模震动法及浇筑成型法等。不同的生产工艺上都有其控制点，若控

制不好就会造成质量缺陷，导致施工过程中的破损，大体上也可以分为两类：

1、管材两端质量缺陷

在生产中出现端头漏浆、混凝土蜂窝、端面不垂直等，造成混凝土的结构不密实，强度不足，或顶进时接触不均匀，受力集中而导致破坏。

2、混凝土强度不够

某些厂家为节约成本，混凝土强度控制过低，没有足够的富余。在生产中出现称量偏差、养护时间不够、原材料质量偏差等情况时，就不能保证出厂管材的混凝土强度，造成在受力时破坏。

3、管子允许极限顶力

按照标准要求，顶管管身混凝土的强度要达到C40以上，则管子的允许极限顶力为

[ F ] = fc×A fc = 19.1 N/mm2

一般取安全系数为S = 2.5~3.0

A为加压面积，考虑顶环及胶圈槽深度t1，

A=π(D+t-t1)(t-t1)

按施工经验，一般取S=1.5较为合理

根据笔者的工程经验，管材的质量问题所引起的破坏所占的比例较小，而在施工中遇到的客观原因以及操作时造成的破坏原因占了90%以上。因此，要避免在施工过程中出现管材破损造成损失，除了严格控制管材的质量外，还应该在施工前作好准备，针对以上的原因检查好施工机具，在顶进过程中注意监测管线和管材的变化，及时作出反应并采取相应的有效的处理措施。

目前，在发生顶管破坏时的争议很大，施工方多咬住厂家，认为是管材质量问题。但管材混凝土强度是否足够？如何检测？是回弹还是抽芯？按什么标准？行业内没有明确的规定，管桩有专门的标准，排水管是否应该也编制相关的标准？顶管施工的误差是否合理？如何测量？等等问题，仍有待行内专业人士以及各级领导的进一步研究和决策。