顶管施工中的大幅度纠偏

机械顶管施工中的大幅度纠偏

武志国 许庆业
摘要：在北 京清河污水管线截流工程中，采用机械顶管施工方法，施工中
出现了管道高程偏差过大的质量问题。本文 分析了此工程中高程失去控制
的原因，并介绍了采取“错口换管”进行纠偏的施工方法。
关键词：机械顶管、纠偏、错口换管

目前，机械顶管技术作为一种较为成熟的非开 挖施工方法，已经在市政管
道铺设中广泛采用。原因是机械顶管工艺先进，技术可靠，安全性高，节省空
间，适应性强。也正因为如此，深受建设单位的欢迎。在实际工作中，因为不
同的原因，会出现 各种各样的质量问题，严重时甚至会造成顶进失败。出现质
量问题以后，如何进行补救，成为顶管施工中 必须面对的问题。
在北京市清河流域污水截流管线二期工程的施工中，北京市中宣市政工程
有 限公司采用机械顶管施工技术进行管道铺设，其中的一个顶段，因刀盘的严
重磨损及土质的显著变化，引 起了管道高程偏差过大。因污水排放是通过重力
流排放的，对污水管道的坡度要求很高，如果高程偏差幅 度过大，则管道不能
正常使用，为了修正该段管道的坡度，施工人员发明了“错口换管”的纠偏方
法。
一、工程概况
北京清河流域污水截流管线二期工程，管线全长4326米，设计坡度 为
0.0009～0.0012，管道埋深为7至13米，铺设内径为1550毫米的钢筋混凝土管材，沿线设立检查井93座，井间距离从55米至243米不等，沿线需穿越路口
20余处。工程全 线设计为顶管施工，采用人工顶管和机械顶管的施工方法，根

据一次顶进的长度、土质条 件、地面建筑物及施工进度的要求等不同情况，确
定采用不同的顶管方法。实际施工中，机械顶管16段 、长度2182.8米，约占
总长度的50%，其中，一次顶进的最长距离是243米。
顶管 穿越的土层为河流相，多为洪积、冲积形成，土质极不稳定，变化快，
包括砾石层、中砂层、细砂层、粉 砂层、粘土层，有时在一个顶段中上述所有
土质均可遇到，大大增加了顶管施工难度。特别是施工98< br>#
井至95
#
井之间的管
道时，造成管道高程偏差过大，险些使全段管 道报废。
二、顶管施工中遇到困难
98
#
-95
#
顶段 ，全长172米，坡度+0.0011，采用土压平衡机械顶管方法施
工，自98
#
坑 向95
#
坑顶进，计划管道铺设完成后，在98
#
-95
#
顶段之间，进行
96
#
检查井的施工，根据工程的具体情况，取消97
#检查井。
土质情况：
根据钻孔勘探资料，土层由上至下为：
① 人工填土，厚度为1～3.3米；
② 粉土夹粉质粘土，厚度为0.6～6.6米；
③ 含 砾中砂夹砾石层，其中砾石的粒径2～6厘米，亚圆形，含量10%～
70%，堆积紧密，标准贯入值平 均达35，厚度为1.2～13.9米；
④ 粉质粘土，标准贯入值平均为18，未见底。
98
#
-95
#
顶段的管道沿③层、④层的分界线处铺设，紧贴③层的底部穿 行，
两层土质差别明显，标准贯入值相差较大，标准贯入值直接反映出土质的硬度，
③层的土质 硬度大，④层土质相对较软，预测管道会向下走偏，反复提示施工
人员注意，并准备了预防低偏的措施。
开始进行顶管施工时，较为顺利，第十天顶进到100米时，偏差为高偏25
毫米，右偏16毫 米，质量较好，完全合格。随后出现的问题始料未及，101米
时高偏急增至40毫米，立即启动纠偏系 统，并增加了测量频度；102米时高偏
到50毫米；106米时高偏60毫米；加大纠偏量，仍不能制 止管道继续升高，

110米时高偏70毫米，继续加大掘进机的纠偏角度，115米时高 偏80毫米，将
上部两个纠偏油缸全部顶出，高偏被控制在80毫米上下徘徊，正当大家感到有
好转的可能时，情况又一次恶化，顶进到132米处，高程偏差突然增大到100
毫米，采取的纠偏措施 丝毫不起作用；顶进到139米时高偏110毫米；142米
时高偏125毫米，146米时高偏达到1 57毫米，顶管施工多年来，从未遇到过
这种情况，技术人员束手无策，只能靠顶管掘进机的纠偏油缸继 续做着无效的
纠偏动作；到150米时管道还是一路上升，高偏达190毫米；155米处高偏215< br>毫米，随着偏差逐渐加大，顶推力也在不断增加；160米处高偏282毫米；到
162米处高偏 达到364毫米。此时，顶力已达极限，如果再强行顶进将会造成
管口破裂，管道报废。经研究决定停止 顶进施工，此时，加上4.8米掘进机的
长度，掘进机距离95
#
接收坑仅5.2米（ 图一）。


350




300




250



200




150





100




50



高

程
偏
差

?
毫

米
停顶点
机头位置



接收坑
98 100 110 120 130 140 150 160 170 172


顶进距离 ? 米
图一 98#～95#顶段高程偏差图
三、管道偏高的原因分析

出现的问题与施工 前的预料正好相反，从地勘剖面图中看到，管线沿③层、
④层的分界处通过，土质分界层面不是一个水平 面，而是由98#坑向95#坑不断
抬高，管道在③层中穿行，不断爬升，沿分界面行进，从未进入④层 ，管道上
升轨迹与土层分界线完全吻合。
随后，进行了土质补充钻探，发现：在③层底部有一 层含砾中砂层，其中
砾石的粒径2～6厘米，亚圆形，含量达70%，堆积紧密。顶管掘进机一直沿本< br>层的顶部移动，管道随层面的起伏，其高程发生相应变化。
待掘进机出坑后，发现掘进机刀盘已 严重磨损。原来，顶进过程中，掘进
机的刀盘旋转切削土体，因为土质以坚硬的石英砂为主，并且堆积密 实，对刀
盘的损害极大。正常情况下，刀盘直径应该大于掘进机外壳直径约2厘米，而
在前10 0米的顶进施工中，刀盘严重磨蚀，致使刀盘直径已经小于掘进机的外
径约30厘米（如图三）。掘进机 平贴在砂砾层的顶面，刀盘被掘进机架起，无
论纠偏系统如何摆动，均不能切削掘进机下部的土层。掘进 机行进的方向与砂
砾层层面的夹角较小，几乎平行于层面行进，刀盘始终未能切断砂砾层，纠偏
系统已不能发挥任何作用，掘进机在顶推力的作用下沿砂砾层顶面向前滑行，
致使管道随砂砾层一路爬升 。






刀盘
③
掘进机







④
图二 刀盘被磨蚀后直径减小，已不能切削到砂砾
层，在顶推力作用下，掘进机沿砂砾层顶面滑行
四、管道的整体纠偏

管道爬高的原因找到了，但其偏差已经形成，此时的基本 情况是：98
#
～95
#
之间管道全长172米，此区间内需开挖96
#
检查井。顶管铺设的前100米管道完
全合格，100米后偏差依次加大，高程最大偏差为 高偏364mm，中线位移偏差
最大为右偏167mm。
2002年2月，北京市建委下发了 《北京市土压平衡机械顶管工程质量检验
标准（暂行）》，高程允许偏差为高偏40毫米、低偏50毫米 ，中线位移允许偏
差150毫米。本工程严重超标，属于不合格工程。如果不能修正，已铺设的管
道将全部报废，若采取大开挖施工方法修正，会造成极大的经济损失，修正偏
差成为决定本工程成败的 关键。


图三 掘进机刀盘磨蚀现状
刀盘旋转外径已比掘进机的外径小30厘米

经过研究，我们决定采用了“错口换管 ”的纠偏方案，施工顺序为：开挖
96
#
坑→释放掘进机迎面阻力→错口换管。施工过 程介绍如下：
1．开挖96
#
坑：因为前100米管道完全合格，选择在距98#
坑100米处开
挖96
#
坑，96
#
坑按人工顶管坑 的标准施作，以此为新的顶进工作坑。

2．释放掘进机迎面阻力：在95
#< br>接收坑处，以人工顶管的方式，向掘进机
方向顶进相同管径的混凝土管二节，直接将管节推进到掘 进机前端，清除掘进
机前端的土体，释放掘进机的迎面阻力。
3．错口换管：
首先 ，制造一个钢质工具管，长度为2米，其外径与混凝土管的外径相同。
工具管前端制作为平接口，可直接 插入混凝土管的承口内，其底部90°夹角范
围内的钢板被裁去，作为人工挖土槽使用，槽宽约1米，被 裁去的钢板剩余部
分形成一个弧形钢板——铲板，铲板宽（弧长）约1.2米，外径与铺设的管材
外径相同，在工具管被推行过程中，铲板具有挖掘泥土的功能。工具管后端设
一个承口，与其后部混凝 土管的管口接合（图四）。










其次，将96
#
坑内已铺设的管道拆除，以98#
坑至96
#
坑之间的混凝土管为
后背，安装人工顶管的顶进设备。 < br>然后安装工具管，定位工具管的水平高程与该处管道的设计高程相同，其
前端与原铺设的管道接合 ，但高程比原已铺设的管道低约60毫米，形成错口接
合，工具管的后端安装新的混凝土管节。
随后，对96
#
～95
#
之间的管道全线注浆，通过原管道内的注浆孔，向 管道
外壁注入膨润土泥浆，泥浆浓度调配得稍微低些。因为已停顶的时间较长，为
铲板
后端承口
前端平口
图四 工具管外形图

使管外壁充分润滑，减小摩擦阻力，注浆持续了两天时间。



错口接合






纠偏后管道
工具管
顶进方向
原管道
图五 换管顶进工作图
做好所有这些工作，经过再次测量，核实无误后，开始纠偏，顶进施工。
随着 顶力的增大，管道慢慢地移动，工具管入洞以后，铲板挖掘出大量的泥土，
采用人工方法将泥土装入土车 、运出管道。顶进过程中，每隔0.5米，测量一
次工具管的高程变化，如果发生偏差，通过工具管底部 的人工挖土槽，采用人
工方式调节高程，保证铺设的管道合格。
新铺设的管道与原管道的高程 不同，管道顶部出现空洞，为防止顶部土体
坍塌，向空洞内注入大量的膨润土泥浆，此处注入的泥浆浓度 较高，随着管道
的前行，还需要不停地进行补浆。
采用这种工作方法，用了二天时间，从95
#
坑先推出了掘进机前端的两节混
凝土管、接着推出了掘进机、而后推出了其后部偏差 超标的所有混凝土管，与
此同时，铺设了新的混凝土管道，通过检验，管道最大高程偏差为高偏30毫米 ，
低偏16毫米；最大水平偏差为右偏75毫米，左偏35毫米，各项指标完全合格，
纠偏一次 成功。
换管纠偏工作完成后，必须做的一件事是泥浆置换，采用水泥+粉煤灰浆，
通过管内注 浆孔将管外壁的膨润土泥浆全部置换，水泥浆在压力的作用下，充
入管外壁土体内的所有空洞，保证了地 面土体不发生沉降。

五、结语
在本工程的机械顶管施 工过程中，因为土质不均匀性及刀盘严重磨损，造
成掘进机纠偏失效，出现偏差很大的质量问题。通过仔 细分析原因、认真寻找
解决办法，发明了“错口换管”的纠偏方法，在施工中采用，获得了成功。实践证明，对于顶管施工中产生的大幅度偏差，采用“错口换管”进行纠偏的施
工方法速度快、纠偏效 果明显、用时较短、节省资金，是确实可行的一种纠偏
方法。
曾经有文献报道，在广州市某顶 管工程中，铺设的管道发生高程低偏现象，
工程采用“灌浆顶升”的方法进行了成功修正，本文介绍的“ 错口换管”是对
发生高程高偏的管道进行纠偏的方法，以此作为同行技术人员相互交流的补充，
不当之处请指正。

参考文献：
[1] 马保松 D. Stein 蒋国盛等，顶管及微型隧道技术，人民交通出版社，2004.
[2] 余彬泉 陈传灿，顶管施工技术，人民交通出版社，2003.
[3] 吕建卫，加泥式土压平衡顶管工艺研究，非开挖技术，2005. 1
[4] 袁丽，灌浆顶升技术在顶管施工中的应用，非开挖技术，2005. 1