清河水庫102國道頂管施工失敗原因分析

王 宇，洪 波，劉志勇

（遼寧省清河水庫管理局有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112003）

1 工程概況

清河水庫供水工程起點位于水庫右岸泄洪洞進口，途經鐵嶺市清河區至開原市婁相屯凈水廠，供水工程主要任務是解決清河區、開原市城市生活、生產用水，輸水規模30.8萬t/d。管線總長13.3km。管道穿越102國道時，國道管理部門不允許采用開槽方法穿越，國道東側有一私人工廠，征地動遷中要價極高，工作不通。經技術經濟比較，此部位采用不開槽施工方法，選擇頂管施工穿越，頂管長294m。頂管部位由兩根DN1200PCCP管變為1根DN1800鋼管，設在混凝土套管內，內徑2400mm，外徑2860mm的預應力鋼筋混凝土F管，管節長2500mm。

2 頂管機選擇

2.1 頂管施工分類

按頂管口徑大小分為大口徑（2m以上），中口徑（1.2～1.8m），小口徑（0.5～1m），微口徑（0.075～0.4m）；按頂管距離長短可分為普通頂管一般距離≤100m，無中繼環（某些專家認為可提高到300m），長距離頂管＞100m，長大距離＞1000m；按開挖面是否密閉分為敞開式和密閉式； 密閉式頂管按平衡開挖面土壓與水壓的原理不同，又分為泥水平衡式、土壓平衡式和氣壓平衡式3種。

2.2 泥水平衡頂管和土壓平衡頂管

目前建筑市場頂管主流類型基本為密閉的泥水平衡和土壓平衡頂管。

2.2.1 土壓平衡式頂管

一般由刀盤、泥土倉（有攪拌系統）、螺旋輸送機和頂進系統組成，適用于均質、強度不太高的地層，如淤泥土、沙土、黏土等。這種地層切削阻力小，需要的扭矩不大，不需要破碎功能，需要動力不大，機頭構造簡單，價格較低，頂管單價相對較低。土壓平衡頂管機通過轉動刀盤切削泥土進入泥土倉，倉內泥土通過改良變成具有塑性、流動性及密封性的泥土，隨著主頂系統的加壓頂進，泥土倉逐漸充滿泥土，壓力逐漸增大，開動螺旋輸送機，輸出泥土，使泥土倉壓力與開挖面土壓力取得平衡，頂管進入正常掘進狀態。當主頂系統千斤頂達到行程后，縮回千斤頂活塞桿，安裝頂鐵或下節管道繼續頂進，直達接收井。

2.2.2 泥水平衡式頂管機

由刀盤、泥水倉、進出泥漿系統和頂進系統組成。帶破碎功能的頂管機在刀盤后設破碎倉，其適用地層范圍較廣，特別是粒徑較大的砂卵石地層，堅硬地層掘進。這種頂管機能提供大扭力，所需動力大，機身、刀盤剛度強度大，結構復雜，因此機頭造價高，運行費用高，而且需要布置泥漿池，處理泥漿，占地面積大，單位工程造價比土壓平衡頂管高。

泥水平衡式頂管是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，又以泥水作為輸送棄土介質的機械自動化頂管施工法。泥水頂管機開始工作時，通過泥漿注入系統把泥漿送進泥水倉，泥水通過泥水倉、刀盤注入地層，泥漿逐漸在地層中形成泥膜，阻止泥漿繼續滲透，啟動刀盤與頂進系統，開挖面泥土進入泥水倉，啟動排泥泵，將攜帶渣土的泥漿輸出管外，在此過程中保持泥水倉壓力與開挖面水土壓力平衡，進入正常頂進過程。

2.3 頂管機選擇及施工過程

102國道頂管工程所頂套管直徑大，地層土質為砂卵石，頂進距離294m，長度較大。施工單位第一次頂管中選擇了DN2400DK式大刀盤土壓平衡頂管機。該頂管機由刀盤、泥土倉、螺旋輸送機、水力出渣系統、頂進系統和控制系統組成。頂管機刀盤根據砂卵石地質情況進行了簡單改造，擴大了刀盤進土口，對刮刀和刀盤面板用耐磨焊條進行了加固。此頂管機安裝后，經過不斷的試驗、調試，始終未能進入正常工作狀態，最終在頂進10m時，在機頭前方塌方，頂管失敗。

第一次頂管失敗后，施工單位分析發生問題原因，重新選擇頂管設備。根據前期施工實際情況，地層卵石粒徑大，地層密實，強度大等特點，選擇帶破碎功能的泥水平衡式頂管機，型號為HB-DN2400型。該頂管機刀盤有大小形狀不同的4類刀具，具有較強的一次破碎功能。刀盤后面為帶有圓錐破碎機構的破碎倉，具有具有較強的二次破碎功能。被齒刀切削下來的經過初步破碎的砂卵石從刀盤孔進入破碎倉，未破碎大的石塊經過圓錐破碎機進一步碾壓破碎，石塊得到充分破碎順利通過排泥泵被輸送到泥漿池。

2.4 施工中出現的問題

102國道頂管工程2017年9月進場，開始修建工作井，10月中旬工作井施工完畢。11月末，頂管機運至現場，12月中旬安裝完成。12月下旬開始調試、掘進，到2018年3月16日，掘進總長度10m（含機頭），機頭前方發生塌方，地面塌陷。前后歷時108d。過程中不斷出現各種問題： 刀盤電動機過載，電流過大；刀盤減速機齒輪、軸承損壞；螺旋輸送機電流過大；出渣泵損壞，出渣管路砂石堵塞；供水管路、水力出渣管路冰凍堵塞；地面塌陷。第一次頂管以失敗告終。

2.4.1 第一次頂管失敗原因分析

2.4.1.1 不適應地質條件

第一次頂管失敗，最根本原因是頂管機選擇與地質條件不相適應。施工單位所選頂管機為泥水平衡頂管機。刀盤功率30kW×3，變速箱3臺，頂管機結構形式，二段一鉸；外形尺寸，總長4.3m，前殼體長2.2m，后殼體長2.1m，外徑2.9m。這個機頭尺寸較小，結構單薄，刀盤共有3套驅動裝置，動力薄弱，破碎能力弱。而穿越G102國道，設計管道埋深4.2～5.4m，頂管范圍內巖性為圓礫，圓礫呈密實狀態。頂進范圍內礫石含量79.9%，招標文件提供的石塊最大粒徑60mm； 圓礫密實程度較高，地基承力550kPa，地層密實堅硬。在實際頂進中，地層中卵石粒徑超過60mm，有些達130mm以上。頂進過程中，頂管機表現動力不足，負載過大，電流不穩定，經常出現電流超載情況，有時因過流保護而跳閘；且發生刀盤齒輪、軸承破壞情況。機頭破碎能力很弱。掘進洞身范圍內存在較多的大粒徑卵石，刀盤上的進土孔小，大石塊過不了刀盤面板，頂管機不能正常前進，掘進中又向開挖面不斷注水，開挖面在刀盤和石塊攪動下，前上方的砂卵石不斷脫落，細顆粒不斷被螺旋輸送機輸送到外面，在機頭前上方形成大的空腔，最終造成塌方事故。

2.4.1.2 天氣寒冷

102國道套管頂進開始時間是12月下旬。地處東北，天氣寒冷，施工環境惡劣。從當年12月到次年3月，東北天寒地凍，施工中沒有采取符合要求的冬季施工措施，設備處在負溫下運行，機械性能下降，設備和管道經常出現受凍問題； 施工人員面臨寒冷的工作環境和不順利的工作情況，產生煩躁和不穩定情緒，違反操作規程，導致工作面壓力失去平衡而塌方。這也是頂管失敗的原因。

2.4.1.3 施工管理不到位

施工組織機構不健全，缺乏管理的系統性和整體性，也是頂管失敗的原因之一。

2.4.2 第二次頂管

第二次重新選擇帶破碎功能的泥水平衡頂管機取得了成功。從2018年9月1日到9月30日，經過30d施工，順利完成了294m頂管施工任務，平均每天進尺18m。開始時也出現頂進不正常的情況，經檢查，還是有大石塊不能通過面板進入破碎倉而堆在刀盤前，經研究討論，采用擴大進土口的辦法，在面板上用火焊割出3個大的進土口，使大卵石可以進入破碎倉，問題最終得到了解決。

3 結語

（1）頂管第一次失敗，施工損失近百萬，拖延了施工進度。究其原因是所選關鍵設備頂管機與地質條件不符。所以施工設備選擇必須慎重，要進行充分調查研究，掌握第一手準確資料，進行認真科學論證，確保所選設備與工程實際情況相符合，這是保證施工項目成功的必備條件。第一次選擇土壓平衡頂管機頂管失敗從反面證明了施工設備的重要性，第二次選擇帶破碎功能頂管機成功高效完成頂管施工任務從正面證明了施工設備的重要性。

（2）施工環境的好壞直接影響施工質量，施工進度和施工成本。選擇有利的施工季節施工條件，工作人員的心情、情緒都會產生正面影響，設備的工作性能也能正常發揮。第一次頂管時天氣寒冷，對施工人員和設備都產生了不利影響，進而對工程施工造成不利影響，易導致各種事故，終致失敗。