顶管施工障碍物处理技术综述

顶管施工障碍物处理技术综述屈勇湖晓萌;赵阳森;王乐天;曾川峰【摘要】顶管技术以其不开挖地表的优势已广泛应用于给排水、电力、通信、油气、燃气等穿越工程中.顶管施工经常遇到各种障碍物，常用的顶管障碍物处理技术有地面处理技术和地下处理技术两大类，包括竖井开挖技术、钻孔清除技术、慢速磨顶技术、开舱清除技术、套管技术、顶管回退技术、顶进对接清除技术、钻爆清除技术.系统整理和对比分析了8种障碍物处理技术的原理、工艺流程、技术特点以及适用范围，以期为顶管施工技术人员提供借鉴.【期刊名称】《人民长江》【年(卷)，期】2018(049)021【总页数】7页(P77-83)【关键词】地质工程;顶管施工;障碍物处理;技术原理;工艺流程;适用范围【作者】屈勇湖晓萌;赵阳森;王乐天;曾川峰【作者单位】佛山供电局广州佛山528000佛山供电局广州佛山528000;中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉430074;佛山供电局广州佛山528000;佛山电力设计院有限公司，广州佛山528200【正文语种】中文【中图分类】TV512顶管施工是借助主千斤顶的顶进力，将顶管机顶入地下土层中，随着顶管机开挖前方土体，顶管机不断前进，再依次将管节顶入其后直至由始发井贯穿到接收井，从而完成整个顶进的施工方法（见图1）［1］。它具有对地表环境影响小、施工精度高、工期短、综合成本低等优点，正越来越多地被应用到地下人行通道、电力隧道、排水管道、城市综合管廊等工程［2］。由于地下环境复杂、不确定因素较多、物探技术能力有限等原因［3-6］，顶管施工不可避免会遇到各种地下障碍物。地下障碍物主要分为两种：可清除类，包括抛石、钢筋混凝土块、建筑垃圾等；不可清除类，包括重要建筑等的桩基、各种地下管线等。它们会影响施工进程，甚至具有一定安全隐患［7］。因此，如何经济有效地处理这些障碍物具有重大意义。目前常用障碍物处理技术分为两大类：避让技术和清除技术［8-9］。避让技术是通过改变顶管轨迹（包括采用曲线顶管技术）从而达到避让障碍物的目的，主要处理不可清除类障碍物［10］；清除技术分为地面处理技术及地下处理技术两种，可处理所有障碍物。常见的地面处理技术包括竖井开挖技术以及钻孔清除技术；地下处理技术主要包括慢速磨顶技术、开舱清除技术、套管技术、顶管回退技术、顶进对接清除技术以及钻爆清除技术。实际工程中，障碍物的清除比避让复杂，技术要求更高，出现频率也更多。本文通过归纳整理和对比分析，主要介绍上述8种清除技术。图1顶管施工原理Fig.1Schematicdiagramofpipejackingconstruction1地面处理技术1.1竖井开挖技术1.1.1技术原理及案例竖井开挖是直接通过开挖的方式取出障碍物［11］。覆土埋深、地下水位是影响竖井开挖施工工艺的关键因素，对于覆土较浅的情况，一般通过人工或挖掘机直接开挖;若埋藏较深时，采用先开挖导井后扩挖的方法。根据覆土埋深，竖井开挖主要分为以下3种工艺：①覆土浅（5m以内），周边无建筑物且地质条件好的可采用大开挖［12］:②覆土较浅（10m以内），周边有建筑物但地质条件好、地下水位较低且具备打桩相关设备进场条件的可采用密打钢板桩后开挖；③覆土较深（15m以内），周边有建筑物、施工场地小、土质为原状土、地下水位高时，可采用树根桩围护加注浆隔水帷幕方式［9］。工程案例：南京市外秦淮河污水截流管顶管工程［9］，管径0.8m，埋深8.2m，地层以黏土为主，施工中遇河堤灌注桩，选用树根桩围护注浆加固后开挖清障方案。树根桩直径0.4m，桩长11.9m。1.1.2技术评价竖井开挖技术应用最早、技术成熟、难度较低，可处理各种类型、尺寸的障碍物，尤其是处理不可清除类障碍物（如地下重要管线）。由于是直接开挖，因此要求障碍物埋深有限，且只适用于地质条件良好、方便开挖的地层。对于埋深较深的障碍物，开挖技术处理周期较长。考虑到障碍物所处地段、造价等各方面因素，竖井开挖技术不宜用于以下3种情况：①障碍物上方有特殊建（构）筑物或重要公用管线无法搬迁；②障碍物上方有特殊建（构）筑物或重要公用管线可以搬迁但搬迁费用过高，造成工程投资过高；③管道穿越河流、池塘时遇到障碍物。1.2钻孔清除技术1.2.1技术原理及案例钻孔清除技术是依靠钻探技术，从地面钻至障碍物所在位置，再对其进行相关处理。根据处理障碍物方式的不同，钻孔清除法可分为：①回转钻进清障法；②冲击清障法。（1）回转钻进清障法是在障碍物上方使用回转钻进装置清除障碍物（见图2）。钻具一般采用硬质合金钻头，具备很强的切削能力［13-14］。对于体积较小且易破除的障碍物，可直接回转破碎；否则，需钻入口径较障碍物更大的套管，再利用抓斗等取出障碍物。对于障碍物上方场地较小的情况，可使用潜孔钻机［15-17］。最后需进行孔内回填、封闭孔洞工作。图2回转钻进清障技术示意Fig.2Diagramofrotary-drillingbarriertreatmenttechnology冲击清障法利用钻孔桩冲击成孔原理，以末端冲击锤的冲击能量击碎目标障碍物或者将其击出顶进区域［18］。钻杆拔除后必须将孔洞回填，避免同步注浆时浆液从未填实的孔洞内冒出，造成地表沉降及交通影响等［19］。目前，钻孔清除技术应用比较普遍，典型工程案例如表1所列。表1钻孔清除技术工程案例Tab.1Casesofdrillingbarriertreatmenttechnology工程项目工程概况障碍物清障方法广州市大沙地污水处理系统厂外管网土建钢筋混凝土顶管工程［20］管径2m^^^8.5m,中粗砂层外径1800mm的旧污水管及300mm厚的混凝土管基冲击清障高集海堤原水管道迁改管道工程［21］管径2.2m,黏性土、淤泥层巨大的基岩山体冲击清障杭州某水厂改造工程［14］管径2m,黏质粉土最大粒径在80~100cm的抛填块石回转钻进清障福州市轨道交通隧道工程［13］管径6.2m,埋深约14.1m大量锚索回转钻进清障需要注意的是，实际钻孔清除时，清除区域一般比顶管所遇障碍物稍大，而各个钻孔之间必须保证一定的安全距离，破碎深度至顶管机底部。1.2.2技术评价回转钻进清障法安全、可靠、高效，能够切削硬度较大的块石或钢筋混凝土结构等障碍物，地质适应性强、施工周期较短。该方法可分布施工，对周边的影响达到最小，但机械投资大，且钻机自重大，要求清障处无其他管线及地下设施，对场地要求较高。冲击清障法对场地和设备要求较低，操作技术容易掌握，施工周期较长，可清除的障碍物种类包括混凝土桩基、块石、管道、钢桩、木桩等，其地质适应性强，能适应流砂层等各类复杂地质情况。对于开口型顶管工程，无法保证泥浆进入管道内，或顶管机与障碍物有黏连时，冲击能量可能会损坏顶管机，类似情况均不推荐使用该方法。采用钻孔清除技术的不足是对环境影响较大，有噪声。此外，与竖井开挖技术不同，钻孔清除法只能对障碍物进行直接清除或切割后取出，完整取出障碍物较难，不宜用不可清除类障碍物的处理。当埋深较大，地层条件较好时，优先使用冲击清障法;如遇坚硬地层则宜采用回转钻井清障技术。2地下处理技术2.1慢速磨顶技术2.1.1技术原理及案例慢速磨顶法的基本原理就是降低顶进速度，借助自身刀盘或其他辅助机构，不断对障碍物进行磨损破碎以达到去除目的。在慢速磨顶时，为增强清障效果，通常采用以下5种措施：①增加后背顶力，提高刀盘切削压力［22］；②加大泥浆密度，提高携渣能力，及时清理堵塞的管道［23］；③采用高分子聚合物膨润土触变泥浆，提升泥浆性能，减少顶管周边摩阻力［24］:④注入高压水，辅助破碎障碍物［25-26］；⑤增加碎石机构或对刀盘进行相关改造［8，27-29］，使其满足破除特定障碍物的要求，采用此措施会额外增加一定成本。工程案例：白龙港南线东段污水干管顶管工程［8］，顶管管径4m，淤泥质黏土层为主，前期探明有直径0.56m废弃PE管道，提前对顶管机进行改造，增设16把先行刀，让其接触PE管，并通过较宽锯齿进行切割，最终顺利磨除障碍物。2.1.2技术评价慢速磨顶技术难度较低，对环境影响小，应用范围广，不受地质条件限制，是顶管遇障时优先考虑的清障方法。该技术适用于片石、孤石、混凝土块、废弃桩基、木桩等相对易破除的可清除类障碍物，在遇到废弃管道、钢筋、全断面大块孤石等障碍物时清障效果不明显，但可作为辅助技术与其他破障措施结合使用。对于借助自身刀盘而进行切削的障碍物清除技术，它成本低、无需额外切削设备，但施工时要综合考虑各个顶进参数，针对变化做出相应措施，顶进时宜慢速推进，控制浆、土排量，以防止超排引起地表塌陷。对于某些特殊地层，可对顶管机先行特殊改造，虽然增大了成本，但提高了顶管机的清障能力。2.2开舱清除技术2.2.1技术原理及案例开舱清除技术的主要原理是在开挖面稳定条件下开舱进行人工、机械或爆破处理［28-30］。在地质条件良好、开挖面稳定时，经过专业人士检查确定后［6］，可直接打开清障孔进行障碍物清除。开挖面不稳定时，最常用的方法是通过气压平衡：气压平衡顶进中，利用气压舱所加压力和水土压力值相等，起到平衡作用［21］；泥水平衡或土压平衡顶进中，则需在顶管机内增加气压舱［28］。对于粉砂层等渗透系数较大易漏气地层，需要对地层进行加固处理：①高压旋喷帷幕和双液注浆止水［31］；②盐水或液氮冷冻加固［25，32］。采用第一种加固方法时，需先对障碍物上的地层进行旋喷桩加固处理，并在桩间进行双液注浆，待地层稳定后，带压开舱，进行人工清障处理。采用第二种加固方法的施工流程与第一种类似，只是最后需冷冻拔管。工程案例：汕头市第二过海水管顶管工程［21］，采用直径2m钢管，施工中遇坚硬岩石段及体积较大孤石，大部分需全断面破碎。为此，先对上部土体进行加固，然后在开舱加压条件下再对岩层进行爆破处理。2.2.2技术评价开舱清除技术对环境影响较小，成本较低，可处理各种可清除类障碍物，但在地下水位较高地层需提前降低地下水位。另外，采用此方法需满足人可进舱的条件。直接开舱处理清除障碍物时，所需工期短；地层加固开舱处理技术对地面场地有一定要求，相对直接开舱而言，施工周期较长，成本较高，但安全系数更高，施工时对地层扰动很小。此外，此技术是带压作业，存在较大风险，需专业人员操作，并做好保护措施。由于掌子面暴露时间越长就越不稳定，所以，操作人员进舱处理障碍物越快越好。2.3套管技术2.3.1技术原理及案例套管技术的原理是将管径不同的钢套管或顶管机顶入遇障顶管机外围或内部，然后进行障碍物处理［26］。在遇障顶管机外顶入套管为外套管技术，在机内顶入较小直径顶管为内套管技术。夕卜套管技术根据顶管机遇障时距工作井的距离分为正向套管法［27］和反向套管法［33］。由于钢管顶进过程中无法纠正方向与标高，故一般选取的外套钢管内径比受障顶管外径大20cm左右。正向套管技术。施工前需对顶管机前土体进行注浆加固，顶入钢套管至顶管机开挖面前1m左右，逐步拔出已有管道，人工清除顶管机前障碍物后，再在钢套管内铺设轨道，然后重新顶进施工，顶管完成后对钢管与混凝土管之间的空隙进行注砂灌浆加固处理(见图3)。施工应注意根据土质分析其流塑及渗水状况，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。图3正向套管技术示意Fig.3Diagramofforwardbushingtechnology工程案例：苏州某DN1350钢筋混凝土管污水顶管工程，开顶后至第一节管刚顶进，刀盘遇金属异物卡住，导致机头卡死，后采用直径1.6m的钢套筒顶至机头前大于1m，然后回拉出第一节管和机头，检查并机头故障，最终顺利解决并重新顶进施工。反向套管技术。施工工艺与正向套管法类似，不过需在接收井内安装油缸及导轨等设备，机械或人工开挖管内土方并清除障碍物，要求钢套管完全套住顶管机头，并与顶管机机头后续管道有一定搭接距离。施工时故障机头具体位置、轴线走向、标高等数据的测定十分重要，是能否成功处理问题的关键。同时，需提前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。工程案例：温州汤家桥北路DN1000过河污水顶管，在顶至离接收井洞门7m时遇较大钻孔灌注桩。由于地质条件较差，为保证人工顶管施工安全，先进行压密注浆处理、改善土质状况。然后在接收井安装顶进设备，并采用直径为1.4m的钢管反向顶进至遇障顶管第一节管位置，最终从接收井拉出机头。内套管技术。采用该技术前需对原顶管开挖面土层进行注浆加固处理，然后拆除顶管机主要构件，保留顶管机壳体，在顶管内部铺设导轨，并根据工程需求顶入小直径顶管至原顶管开挖面处。接着，在内顶管与外顶管之间进行注浆封堵，并在洞口做好密封处理，防止小管顶进时水土从两管间隙渗出。待间隙浆液稳定后，即可顶进内套顶管(见图4)。工程案例：常州戚墅堰DN1200钢筋混凝土污水顶管工程，地层以粉质土层为主，在顶进168m时顶管四周遇障，无法继续顶进。因地表无开挖条件，最终在原顶管内部顶入DN1150钢管，顶至机头位置并与其焊接。在洞口重新布设止水圈，并在机头连接处设置长约2m的止水带。最终顺利完成工程。图4内套管技术示意Fig.4Diagramofinnerbushingtechnology2.3.2技术评价套管技术较为成熟，施工风险低，成本适中。对于地下水位较高及粉砂等松散地层，建议先降低水位并对地层进行加固处理后再采用套管技术清除障碍物。外卜套管技术由于对障碍物位置要求严格，当所遇障碍物距始发井及接收井都较远时，采用此方法成本过高，故不推荐使用。此外，当障碍物较顶管直径过大时，所需套管管径亦较大，导致套管与顶管间隙封堵工作难度增加明显，亦不推荐此工法。内套管技术工艺流程复杂、成本较大、对地面沉降有一定影响，该方法主要针对原顶管四周遇障抱死的特殊状况，且要保障内套顶管的尺寸仍然满足原管道实际使用要求，否则不宜采用内套管技术。2.4顶管回退技术2.4.1技术原理及案例顶管回退技术的流程与正向套管类似，主要区别有两点：①顶管回退无需顶入外套管；②顶管回退的同时，需要不断通过顶管机头向开挖面注入浓泥等材料，填充已开挖空间，保持上部土体稳定。常用回退方法主要是通过顶进油缸反向拉拔管节，而管节本身需与顶管机头焊接或螺纹方式连接成为整体，逐渐拉出顶管。另外，李均山设计出一种可回退式顶管机，在遇到施工障碍可回退动力总成，实现顶管机核心部件的回退［34］。工程案例：金山一水厂二期供水管道DN1200钢顶管工程［35］，顶管埋深2.4m，顶进约10m后遇原水管混凝土支墩，为此采用顶管回退技术然后更改顶进线路。施工中先挖除顶管机头上方部分土方，然后回退顶管，并同时用土填实机头前空缺空间。2.4.2技术评价顶管回退技术能处理可清除类及不可清除类障碍物，但施工操作复杂，且对地表沉降影响较大，故如今已很少使用。对于上述可回退顶管机，局限性较大，其只适用于开挖面稳定性较好、含水量较代的地层。此外，考虑到技术难度以及成本问题，采用顶管回退技术必须满足顶进里程较小、顶管后续管节较少的前提条件。该技术主要适用以下两种遇障情况：①刀盘因受障碍物（如钢筋）影响而损坏或者卡死；②障碍物（如重要建筑的基础、仍在投入使用的管线等）本身不允许被直接破除。对于地质条件复杂的地层，需要做好地层加固措施，否则易造成地表坍塌等事故。2.5顶管对接清除技术2.5.1技术原理及案例顶进对接清除技术就是根据顶管对接技术原理［36］，从接收井顶入一个特制顶管，割除原顶管机内动力元件与仓板，破除障碍物后并清运后与第二次顶进的焊接处理，将顶管头作为特殊管，从而达到全线贯通的目的（见图5）。顶管地下对接主要包括:①正向的直线对接，一般多为同直径的管道连接；②带有角度的侧向对接，一般为较小口径管道对接较大口径管道。在施工过程中需采取一定的辅助性关键技术措施：掘进机对接段的加固措施以防止水土流失和控制地面的沉降；两个掘进机之间的准确定位和连接措施；顶管设备的拆除和连接；对接段内衬结构的施工等技术措施［37-39］。该技术在国内外顶管中已有应用先例［40-41］。图5顶管对接技术示意Fig.5Diagramofbuttingtechnologyinpipejacking2.5.2技术评价顶进对接清除技术施工精度要求极高、难度大、成本高。相比套管法，顶进对接技术处理障碍物更为灵活，不拘泥障碍物所处位置；相比开舱清除技术，该方法更为安全可靠。顶管对接清除技术主要处理直径不超过顶管直径的可清除类障碍物。该技术对接精度要求控制相当严格，一方面需要加强监测频率，及时指导顶管轴线及姿态调整，保证精准对接；另一方面，还需通过冰冻技术加固地层或在顶管外进行压力注浆，使管周形成不治水土体，以解决对接止水问题。此外，采用对接清除技术后，两个顶管机头最终会作为特殊管焊接后埋存于地层中，故在满足破除障碍物的前提下，尽量降低从接收井顶入机头的价格。2.6钻爆清除技术2.6.1技术原理及案例钻爆清除技术始于美国，核心思想是爆破成孔、顶管施工［42］。采用该方法时，先进行测量定位，然后钻孔、装药、爆破，排出烟及碎碴，铺设导向管基，最后进行顶管注浆工作。爆破、顶进反复进行，直至清除障碍物［43-44］。工程案例：长沙市新奥燃气有限公司次高压燃气管线DN2000顶管工程［45］需穿越弱分化板岩，线路长220m，全程采用控制爆破技术破除岩层，顶管随后顶进，最终顺利贯通。2.6.2技术评价钻爆清除技术目前已比较成熟。根据钻爆清除技术资料，该方法主要应用于手掘式顶管机。其处理岩石地层或大块孤石障碍物时效果比较明显。主要缺点是工序复杂、进度较慢、工作条件差、工人劳动强度较大，超欠挖较为严重。对于钻爆区上方有淤泥等不稳定地层时，需对其进行加固，使岩层爆破上部形成一个密封式的隔水、自立挡土层，以保证施工安全性及可靠性。另外，还需要对爆破所成洞与顶管间隙进行压密注浆处理，以防止地层坍塌、地面沉降。3技术对比对竖井开挖技术、钻孔清除技术、慢速磨顶技术、开舱清除技术、套管技术、顶管回退技术、顶进对接清除技术以及钻爆清除技术进行对比，详见表2。4建议及展望本文介绍了常用8种障碍物清除技术的原理、施工流程、技术特点及适用条件，并对其进行了对比分析。实际施工遇障后，要首先确定障碍物大小、相对顶管位置、材质和所处地质条件，同时结合场地要求、对环境影响、工期及成本要求等综合判断，选取合适的清障方法。表28种障碍物处理技术对比Tab.1Comparisonbetween8barriertransacttechnologies技术分类竖井开挖钻孔清除慢速磨顶开舱清除套管清障顶进对接钻爆清除顶管回退成本较高较高低较低适中高较高较低是否开挖是是否否否否否否环境影响大较大极小小较小小中较小施工难度低较低极低较高高极高高较高安全性高高高较低较高高较低较高障碍物类所有可清除类易磨、体积较小可清除类可清除、体积不宜过大可清除、尺寸不超过对接管直径坚硬所有必要条件障碍物上可开挖、埋深15m内具有钻机布设场地无开挖面稳定、人可进舱外套管:障碍物离两工作井近;内套管:顶管四周遇障且实际功用受管径影响小特制对接顶管可破碎被困顶管前的障碍物无障碍物距始发井近目前障碍物清除技术主要还是局限于顶管机具本身：①由于顶管结构所限，上方所能附加的破土装置有限，而且在刀盘受损时，更换刀盘不易，部分顶管机则无法更换刀盘，导致顶管刀盘遇坚硬障碍物磨损严重后，无法继续顶进，只能采取开挖、回退等措施进行弥补，严重降低清障效率：②工艺上仍存在一定挑战，主要表现为刀盘切削能力不足，使得顶管破障能力有限，尤其是顶遇坚硬障碍物、岩石地层、复杂地层等。可以预见，未来随着本身结构及工艺技术的改进与提高，顶管机清除障碍物能力也将不断加强。参考文献：【相关文献】马保松.非开挖工程学[M].北京：人民交通出版社,2008.姚敏亚.深度探讨顶管施工技术应用进展[J].科技资讯,2009(5):75.中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范[M].北京：中华计划出版社,2002.上海市政工程设计研究总院.给水排水工程顶管技术规程[M].北京：中国计划出版社,2008.G135028-2016给水排水管道工程施工及验收规范[S].李向南.大断面矩形盾构开舱处理障碍物技术[J].隧道建设,2018(2):1-4.庄子帆.盾构隧道掘进过程中原位清障处理案例剖析[J].中国市政工程,2014(3):46-48.陈晓晨，黄金明.顶管遇地下韧性障碍物处理施工技术分析[J].施工技术,2015(1):115-117.席刚.关于封闭式顶管施工过程遇到障碍物常见处理方案及案例分析[C]ll第一届中国城市地下工程非开挖技术研讨会，北京,2004.林建利.探讨在顶管线路上障碍物的穿越方案[J].安徽建筑,2012(2):109-110.舒钢强矩形顶管机施工中遇到的障碍及清障技术[J].中国市政工程,2010(4):66-68.赵红专.人工挖孔在破除突遇障碍桩的施工中的新应用[J].四川建材,2012(3):53-54.王欣.地铁盾构区间锚索障碍物处理方案研究与施工技术[J].福建建筑,2013(3):103-105.［14］王林.杭州某水厂顶管工程遇地下障碍物的处理［J］.特种结构,2010(4):114-115.［15］贺彩宏，高效率.低故障阿特拉斯科普柯ROCL8型钻机征服珠江水泥［J］.T程机械,2011(9):101.［16］侯志恩，高学径.阿特拉斯各型钻车性能参数介绍［J］.凿岩机械气动工具,2007(2):33-39.［17］王鹏.阿特拉斯钻机在顶管工程清障中的应用［J］.建筑施工,2017(6):842-843.［18］薛强雄.市政道路顶管遇地下韧性障碍物处理施工难点分析［J］.建材与装饰,2016(9):215-216.［19］陈元庆.宁波地铁1号线泽大区间盾构隧道障碍物处理技术［J］.隧道建设,2011(S2):162-170.［20］陈鸿杰，杨粤.顶管工程预防及破除地下障碍物的方法［J］广东建材,2006(7):74-75.［21］叶鸣宪.论高集海堤原水管道迁改工程过海顶管障碍物处理施工技术［J］.江西建材,2017(19):87-91.［22］张斌梁，潘建立,高海东，等.港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道曲线管幕9号管脱困方案研究［J］.铁道标准设计,2015(2):103-105.［23］高海东.拱北隧道管幕工程障碍物处理技术研究切.施工技术,2016(15):119-121.［24］龚叶锋，朱伟林，张振.泥水平衡顶管掘进机对地下障碍物的适应性研究［J］.特种结构,2009(6):90-93.［25］周诚，王承山,李勇军，等.地铁盾构隧道掘进地下障碍物处理技术［J］.铁道工程学报,2013(3):86-90.［26］净少敏.顶管施工过程中各种障碍的预防与解