頂管施工中出現裂縫原因分析及處理方法

侯杰文 王汝成

摘要：市政排水管道建設對城市雨水的開發利用起著重要作用，但在管道的實際架設過程中時常會出現不同種類的裂縫，因此本論述結合某施工現場排水管頂管在頂進時出現裂縫的實際情況，使用超聲檢測儀及裂縫寬度儀等工具檢測混凝土內部缺陷，確定管道內裂縫深度、寬度及長度，再通過鉆芯取樣后判定管材混凝土強度，接著根據施工方案對頂力和頂進距離進行校核，對管道裂縫的成因進行深度分析，最后結合管道裂縫情況對管道內部結構缺陷作出評估并給出修復建議。關鍵詞：管道裂縫；鉆芯取樣；允許頂力；頂進距離；管道修復指數

中圖分類號：TG141??? ????????????????????????文獻標志碼：A

0引言

近年來伴隨市場經濟的蓬勃發展，在面對環境變遷及降雨所帶來的自然災害時，要求城市排水系統能夠具備良好的吸收能力，因此出現了海綿城市的全新定義，即都市排水系統需要像海綿一般對雨水進行收集轉化并進行合理開發利用，盡可能提升雨水在城市范圍內的滲透、聚集和凈化速度，從而實現降雨資源的合理轉化并對市內生態系統形成保護效應。因此城市排水管道特別是頂管建設體現出了巨大作用，然而頂管在頂進施工中時常會產生不同種類的裂縫，因此本論述將結合某頂管施工時出現裂縫的實際案例給予分析，最終找出產生裂縫原因并提出解決辦法。

1工程概況簡介

鋼筋混凝土排水管頂管頂進施工時出現裂縫的管道總長430 m，位于兩段工作井之間，施工管道的主管管徑2.4 m、管道長度2.5 m，主管道采用 F 型鋼承口鋼筋混凝土 III 級重力頂管，設計計算頂進最大距離為230 m，工作井為?8000的圓形鋼筋混凝土制最大深度為11 m，頂進過程中采用觸變泥漿澆灌方式進行減阻處理，施工管線相繼穿過石油管道、市政管線等道路。

根據施工方提供的地理數據可以得出，該區域工程地質特征為第四系土地層，其中包括填土層、上變更統馬蘭黃土層、中變更統離石黃土層、下變更統午城黃土層、下伏壩基巖性屬白堊系火山碎屑，但多數為濕陷量的黃土層且地質環境相當復雜。

2現場勘查及檢測情況

技術人員根據《給水排水工程頂管技術規程》（CE? CS 246：2008）[1]要求，對管道內出現的肉眼可見的裂縫進行編號，使用混凝土超聲波檢測儀，依據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》（CESC 21：2000）[2]標準對部分產生裂縫的管道實施裂縫深度測定，并使用裂縫寬度儀及卷尺測定裂縫寬度及長度；通過實地勘察發現，管道內出現的問題主要表現為裂縫，其中縱向裂縫與斜向裂縫（如圖1、圖2所示）居多，個別管道內部產生環向裂縫，另外勘查中發現有部分管道間出現管節錯臺（如圖3所示），頂進姿態出現蛇形偏差（如圖4所示）等情況。現場隨機選取管道內出現16處裂縫的部位進行編號并檢測，統計出裂縫深度、寬度、長度等缺陷相關信息（如圖5所示）。根據現場檢測結果可知裂縫深度多為20～90 mm、不超過100 mm，裂縫寬度多為0.05～0.3 mm、不超過0.5 mm，裂縫長度多為800～1500 mm 存在各別貫穿性裂縫。

現場采用鉆芯取樣法，使用混凝土鉆孔取芯機于每50 m 頂管管身處取芯樣共8孔，依據《鉆芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法》（GB/T 19496-2004）[3]，將鉆取的樣品進行抗壓強度檢測（見表1所列），檢測結果按照《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009）[4]標準進行判定，通過表1可以看出鉆取樣品的抗壓強度在60～70 MPa之間、均高于標準要求。

3施工方案評估

根據施工方案對頂力及頂進距離進行計算核驗評估，查看是否滿足設計要求。

3.1總頂力設計計算

通過《給水排水工程頂管技術規程》（CECS 246：2008）標準中第12.4條的有關規定，為了確定管道的總頂壓力，按照公式（1）、公式（2）進行計算：

F0=πD1Lfk+NF ，???????????????????? （1）

NF=π（Dg－t）tR；???????????????????? （2）

式中：F0-總頂力（kN）；D1-管道外徑（m），取2.86； L-管道頂進長度設計值（m），取230；fk-管道外壁與土層的摩擦力（kN/m2），根據地質條件取8；NF-頂管機的迎面阻力（kN）；Dg-頂管機外徑（m），取2.86；R-擠壓阻力（kN/m2），取500；t-刃口厚薄（m），取0.025。

通過以上取值代入公式（1）和公式（2）計算得：NF=111.27 kN；F0=16635.2 kN。

3.2允許頂力設計值計算

排水管頂管傳力面允許的頂力設計值按公式（3）計算：

Fdc =0.5 f c? AP （φ1φ2φ3）/（γQdφ5）；?????????? （3）

式中：Fdc-管道允許的頂力設計值（N ）；φ1-混凝土材料受壓強度折減系數，取0.9（m）；φ2-偏心受壓強度提高系數，取1.05；

φ3-材料脆性系數，取0.85；

φ5-混凝土強度標準調整系數，取0.79；

f c -混凝土受壓強度設計值（N/mm2）；

AP -管道的最小有效傳力面積（mm2）；

γQd-頂力分項系數，取1.3。

通過以上取值代入公式（3）計算得：

Fdc=14187.2 kN。

3.3實際允許最大頂進距離計算

允許最大實際頂力按公式（4）計算：

F0*=Fdc－F0；?????????????????????? （4）

得 F0*=14075.9 kN，根據允許最大實際頂力代入公式（1）得允許最大頂進距離L=195.9 m。

4裂縫成因分析

4.1裂縫產生機理

大管徑頂管在施工時隨著頂進距離增大頂力也隨之增加，混凝土頂管很容易出現裂縫。根據管道破壞形成的原因，裂縫主要分為受剪應力下的破壞裂縫和受壓應力下的破壞裂縫兩種，根據管道裂縫與管道軸線的走向關系分類，可以分為以下三種形式。

（1）縱向裂縫：近似平行或平行于排水管主軸方向，縱向裂縫一般會出現在管道拱形及邊部部位，且邊部及拱腰部位比拱形頂部出現的多。單線管道主要在邊部部位，多線管道在拱腰部位出現縱向裂縫比較多。從受力情況分析看，拱形頂部出現的裂縫主要是因內部混凝土受擠壓產生，拱腰和邊部位置的裂縫則是由于內表面拉伸出現的。縱向裂縫對管道結構的安全性影響最大且破壞程度最強。

（2）環向裂縫：基本垂直或近似垂直于管道主軸方向，多出現于洞口、施工縫、沉降縫和地質層較為復雜的地方。環向裂縫的成因一般是管道縱向的不均勻沉降、管道周圍巖石土層的地質發生改變和沉降縫處理不合理等，其對管道內部結構的安全性沒有太大影響。

（3）斜向裂縫：與管道主軸方向近似為45°左右斜角，在邊部和管道拱形部位均可能產生，一般為軸向和徑向同時受力而產生的拉應力所致，如果同時出現多條斜線裂縫相互交叉，極易在混凝土內部結構發生掉落剝離現象，其產生的破壞程度僅次于縱向裂縫。

4.2地質因素

由于在管道下方土層的基礎范圍內，根據地質資料顯示土質結構差異程度較大且地質條件復雜，這種環境將會引起不均勻沉降現象，完整度較高的管道內部結構會容易產生局部拉應力集中，當混凝土強度不足時，就會產生斜向裂縫。如圖6（a）所示，頂管管道內壁局部出現了不均勻沉降；而圖6（b）所示的方位產生了拉壓應力相互交錯疊加過程，當拉應力大于管道所能承載的最大抗拉強度時便會產生裂縫[5]，即不均勻沉降所導致的裂縫；如圖6（c）所示，裂縫分布趨勢是從沉降較輕的地方向沉降較強的方向逐漸擴展。另外由于施工區域的土層為濕陷性黃土層并且施工環境復雜，頂管頂進過程中采用觸變泥漿進行減阻效果有限，因此頂進過程中導致摩阻力增大，更容易產生縱向裂縫。

4.3環境因素

從裂縫產生的機理來看，可能由于該地區管道施工時正處于秋冬兩季，因此導致早晚溫差較大引起頂管結構產生凍縮進，且管道上方土層較厚產生壓應力，從而引發縱向與斜向裂縫。

4.4施工因素

頂管管道連接面出現階梯狀的分段面，在頂進施工時，階梯狀的分段面容易受到管道四周復雜土層條件的制約而在管道連接處產生變形及角度錯位偏差現象。錯位最常出現的形式有環之間縫張開、環間高差錯臺及錯齒等[6]。造成管節錯位或變形的主要因素包括地基不平衡沉降、管節接頭不牢固、頂進姿態控制不理想等。

由于引起管節接頭之間出現角度錯位值高于上限，使接頭間的有效荷載面積較小，管道間承壓能力同步減小，那么在部分相鄰接頭處可能發生應力集中、頂力增加情況，從而出現局部承壓不穩破壞造成管節出現裂縫[7]。

4.5結構設計因素

在進行頂管設計時，對頂力的設計值與允許頂力設計值計算不準確，中間井設計較少。根據本論述3.3中計算頂進距離為195.9 m 超出允許最大頂進距離的設計值230 m，且長距離頂進沒有適當的減阻措施與減輕頂進設備的頂進壓力措施，導致管道內壁產生較大的擠壓應力從而產生縱向及斜向裂縫，這是造成管道結構表面產生裂縫的主要原因。

其次頂進距離大于195.9 m 應使用中繼間，若不使用中繼間則應相應增加工作井數量以減小工作井間距及頂進距離，但查看設計方案得知工作井間距較大，且未按施工方案要求使用中繼間，若按頂進距離設計值去推進勢必會導致管材本身超過所能承受的阻力極限，從而出現裂縫及破損現象。

5管道結構狀況評估

因管道內部產生多條縱、斜向裂縫，依據《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》（CJJ 181—2012）[8]標準中第8.3條計算公式對管道裂縫進行評價，以確定其結構現狀。

管段結構性缺陷參數計算公式：

F=max{Smax，S}；

式中：F-管段結構性缺陷指數；

Smax-管段損壞情況參數；

S-管段損壞狀況指數。

其中：S =（ Pi 1+α Pi2）；??????????? （6）

Smax = max{Pi}；????????????????????? （7）

式中：Pi1-縱向凈距大于1.5 m 的缺陷分值，取值0.5；Pi2-縱向凈距大于1.0 m 且不大于1.5 m 的缺陷分值，取0.5；α-結構性缺陷影響系數，取1.1。

根據以上取值代入公式（5）～公式（7）分別計算2段工作井間管段結構性缺陷參數得：F1=2；F2=1。

根據管段結構性缺陷指數，按公式（8）計算出管段的修復系數：

RI=0.7×F+0.1×K+0.05×E+0.15×T ；??????? （8）

式中：RI-管段修復系數；K-地區重要性系數，取6；E-管段重要性系數，取10；T-土質影響系數，取6。

故得：RI 1=3.4；RI 2=2.7。依據《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》（CJJ 181—2012）標準中表8.3.5要求對所做檢測的管道進行修復系數等級劃分，經評估該工作井管道修復系數等級為II 級，此管道結構在短期內不會發生破裂現象，但應有相應的裂縫修復處理方法。

6裂縫處理建議

6.1減少裂縫出現建議

通過以上計算和原因分析可知，導致施工中裂縫產生的主要原因是頂進距離過長導致管道阻力增加超過其承受極限，因此筆者結合實際給出以下幾點減少裂縫產生的建議。

（1）根據工程施工進度，可適當增設工作井數量減小一次頂進的距離，防止因頂進距離過長引起阻力增加。

（2）頂進施工中同時在管道外表面加入潤滑劑或觸變泥漿填充等減阻措施，降低管壁與土層間的摩擦系數起到減阻作用。減輕頂進設備的頂進壓力，以保證施工安全。

（3）保證實際頂進距離與允許頂進距離相符，以減少裂縫產生。

（4）若在較長距離的頂管施工中，可考慮分段頂進措施，使用中繼間合理放置于管道間。中繼間作為頂力傳導的工具，可在頂進距離過長引起頂力減小時，起到分散并減小頂管機頂力在其允許范圍內的作用。

6.2裂縫修復建議

6.2.1? 表面處理法

使用市面上普通的防水工藝材料作為處理裂縫的表面涂層，包括合成樹脂、無機膠凝等材料將其噴涂在裂縫表層，也可使用玻璃纖維布在裂紋面上加以密封，主要是在裂縫表面形成長久而高效的防水層，達到延長管道使用性的常規裂縫修復方式，適用于深度較小且未達到管道鋼筋層的微小裂縫，其次是細微較淺的裂縫且注漿成型材料無法進入的部位，同時適用于修補未貫穿但不漏水、靜態以及不再伸長或寬度低于0.3 mm 的微小裂縫。施工時均采用手提式砂輪機將管道內表層200mm 范圍內的污漬打磨除去，再利用吹風清潔和用丙酮擦拭清潔干凈混凝土表面，接著再將事先準備好的膠黏劑或粘貼纖維黏貼于裂縫表面風干后打磨平整即可。

6.2.2 填充法

使用開鑿工具從裂縫延伸方向將混凝土修成 U、V 兩種形狀的溝槽，將樹脂、凝膠或纖維布等不同修復材料填充于溝槽內部，此法可極大程度提升管道耐久、整體及不透水性，通常用于修復寬度不足0.2 mm 且深度較淺的裂縫、或是裂縫內有填充物，用灌漿法很難達到滲入效果的裂縫、以及小型裂縫的簡單處理，此時可優先考慮開取 V 型溝再實施充填加固處理過程。鑿溝時應注意溝深應大于15 mm，溝寬應大于10 mm；若裂縫處于松動狀態應酌情考慮加大。填充法修復裂縫所用建筑材料由修復效果決定，通常使用帶有一定延伸率的各種高彈性樹脂砂漿或改性環氧灌漿樹脂膠。

6.2.3 灌漿法

灌漿法又名注漿法，是在規定時限內以較高的水壓把不同黏度較小的膠粘劑以及防水涂料澆灌至裂隙深處，以達到復原管體完整體、持久性及防水性能的目的。適用于裂縫寬度大于0.3 mm、深度較深的裂隙修補，尤其是對受力裂隙的修補。注漿成型料在選擇時因修補目的而異，在注重強度和耐久性時應選用硬度高、黏附力強的合成樹脂料；對比較寬的裂紋也可選用水泥漿；若為了增強防水性，則應選用延展性強和防水滲漏特性較好的材料。

參考文獻：

[1] 給水排水工程頂管技術規程.CECS 246-2008[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2] 超聲法檢測混凝土缺陷技術規程.CECS 21：2000[S].北京：中國計劃出版社，2000.

[3] 鉆芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法.GB/T19496-2004[S].北京：中國標準出版社，2004.

[4] 混凝土和鋼筋混凝土排水管.GB/T 11836-2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[5] 張志軍.某頂管工程用鋼筋混凝土排水管裂縫成因分析[J].廣東建材，2020，36（12）：31-32.

[6] 李君普.大斷面矩形頂管隧道襯砌結構病害防治研究[D].鄭州：鄭州大學，2019.

[7] 王艷華，曹慶喜. 大直徑微型盾構中混凝土頂管裂縫研究[J].公路，2015，6（8）：296-301.

[8] 城鎮排水管道檢測與評估技術規程.CJJ 181-2012[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.