1.顶管施工工艺

在地下管道施工中，采用顶管施工工艺能够深入地下作业，而且占用场地小、作业噪声小、周围环境影响较小，具有开挖埋管无 法 比 拟的优点，因此逐渐成为地下管道施工的重要手段。随着注浆减摩、中继顶进、顶进导向等技术的广泛应用，超过400 m的长距离顶管工程已经普及，1 000 m以上的超 长距离也屡见不鲜，目前顶管最长距离已经达到2 050 m。但是在长距离顶管工程中，经常出现顶进管道局部隆起的异常情况，管底隆起从十几厘米至数十厘米，并已发生管底最 大隆起>2 m的案例。在顶管施工验收规范中，轴线偏差是衡量施工质量的主要项目之一，重力流管道对高程偏差的要求更加严格，而管底局部隆起会严重影响管道功能的质量，必须引起足够的重视。

2.顶管失稳分析

地下顶管受力情况复杂，主要包括迎面阻力、后端顶推力、沿管外壁分布的摩阻力等轴向力。地下顶管类似于细长压杆结构，长距离顶管长细比大多为200︰1～500︰1，最 大可达1 000︰1。由于受到管外土体的约束，顶管才不致失稳。分布在管道同一侧的顶推力称为单边荷载；分布在管道的不同侧，并从一侧传递到另一侧的顶推力，称为对角荷载。对角荷载主要出现在管线偏斜突然改变的地方。顶进管道失稳是因为管道周围土体提供的抵抗力矩小于偏心顶推力产生的扭转力矩，而造成管节偏离设计轴线[1]。



直线顶管管道失稳的条件为：管节受到对角荷载作用，顶进力达到一定值，管节的顶推偏心距较大，土体的承载力较差。失稳通常会出现在离中继间较近、管线偏斜方向突然改变的管节处，此处管节受到对角荷载作用，且顶推力较大。管道进入曲线段后，管段之间的顶推力传递面靠向曲线内侧，管节受到单边荷载作用，偏心受力。顶推力方向不一致，存在子项曲线外侧的径向分离，产生转动力矩。随着顶距增大，后续管节受到的顶推力和转动力矩也不断增大，当周围土体反力提供的抵抗力矩小于转动力矩时，土体遭破坏，管道产生失稳现象。



顶管局部隆起现象的本质也是压杆稳定失效。当土体约束力不足以抵抗管道变形时，管道稳定开始失效。土体约束力主要为被动土压力。



在土体性质确定的情况下，土压力主要和埋深相关。其分布呈现上部约束较小于下部约束力，上部土体易被破坏，尤其是在淤泥质黏土等塑性土壤中，管道局部隆起是最常见的顶管失稳现象。

3.顶管局部隆起失稳的防治措施

3.1 顶管局部隆起失稳的特点

通过对出现管道隆起失稳的工程案例统计分析，可以发现顶管局部隆起失稳通常呈现以下特点。


(1)隆起部位常位于河浜等浅覆土处。


(2)由于管节传递的顶推力从前往后逐步增大，隆起部位通常位于顶管后端，靠近始发井处。


(3)曲线顶管直线转换至曲线处，因管节受到对角荷载，管道易发生局部隆起失稳。


(4)当注浆减摩效果不佳，顶推力急剧增大时，管道易发生局部隆起失稳。


(5)在软弱土层施工长距离顶管，管道易发生局部隆起失稳。


(6)顶管局部出现隆起失稳后，其管底隆起变形将会加速发展增大。

3.2 顶管局部隆起失稳的预防措施

顶管局部隆起失稳的直接原因是顶推力过大，降低顶推力是避免和减少局部隆起的关键。对于长距离顶管应该重视分析引起失稳风险的因素，在施工前和施工过程中积极采取预防措施。主要预防措施如下：


(1)当顶管沿线存在河浜等浅覆土情况时，应根据现场条件优化设计。如浅覆土处靠近工作井，应调整顶进方向将工作井变为接收井，使浅覆土部位靠近终点；条件许可时对河浜采取临时填土或堆载土袋的措施，以增加管顶荷载。


(2)在淤泥质软土层中顶管时，在曲线变化等易隆起失稳部位，可采用高压旋喷等方法事先对土体进行加固，以提高土体反力。


(3)调整管线线型设计，避免在软弱土层区域或在河浜等浅覆土处出现管线弯曲。


(4)缩小中继间间隔，增加中继间数量，降低最 大控制顶推力数值。


(5)在管道内预先压载。由于顶管处于不断移动状态，压载也应方便移动。可在顶管管底铺设钢轨，压载可采用橡胶水囊、砂箱、钢锭、钢筋等材料。


(6)采用先进的注浆减摩工艺，尽力降低施工顶推力。


(7)调整管线竖向施工控制措施，当出现隆起失稳趋势时，主动降低管道高程。


在长距离顶管施工中，对管底高程进行持续监测极其重要。需要注意的是由于顶管结构随顶进施工动态变化，管内监测点也应随顶进向前延伸及时后移。长距离管底高程监测措施作业任务繁重工作量大，应尽量采取自动化手段缩短顶管停顿时间，避免因长时间停顿造成顶进阻力大幅上升。

3.3 顶管局部隆起失稳的纠正措施

一旦监测到管底有隆起的趋势，须暂停顶进并仔细分析原因制定对策，果断采取纠正措施，及时制止并消除管底隆起。常用的纠正措施如下：


(1)及时启动全部中继间以降低顶推力。


(2)加强注浆减摩操作的控制，通过改善注浆减摩效果降低顶推力。


(3)在隆起处管内设置重物压载，如已有压载措施则应增加荷载，如改换铅块等重物。


(4)在隆起部位的管道底部开孔，采用高压射流冲刷管底泥土。如果现场开孔不便，而且对管道结构有不利影响，可事先在管材上设置预埋孔。


(5)在隆起部位管顶开孔，向管外压注黏土团以增加顶部土体反力。


(6)实践经验表明，在大直径顶管施工中，减摩泥浆会呈现从管顶汇流到管底的趋势，并在管底形成压力聚集区，产生对管道向上的侧向力。因此应暂停隆起处管底减摩泥浆的压注，安装压力表监测管底外泥浆的压力，必要时开孔放浆以释放压力。


4.结语

(1)单独使用上述某一项防治措施难以达到理想效果，而且可能会对正常顶进作业造成严重干扰。实践证明，只有根据实际情况组合使用上述措施，并且常抓不懈，才能取得理想的效果。


(2)随着时代的发展和进步，地下管道顶管工程在向长距离化快速发展。长距离顶管管道局部隆起失稳，会对施工质量造成重大影响，因此绝不能忽视。施工前应优化设计方案，施工中则改进工艺，采取预防措施，如对管底高程变化进行密切监测，一旦发现管道隆起及时采取措施。这样才能有效控制顶管隆起失稳的发展趋势，直至消除隆起失稳现象。

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