王 宇，洪 波，劉志勇

（遼寧省清河水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112003）

1 工程概況

清河水庫供水工程起點(diǎn)位于水庫右岸泄洪洞進(jìn)口，途經(jīng)鐵嶺市清河區(qū)至開原市婁相屯凈水廠，供水工程主要任務(wù)是解決清河區(qū)、開原市城市生活、生產(chǎn)用水，輸水規(guī)模30.8萬t/d。管線總長13.3km。管道穿越102國道時(shí)，國道管理部門不允許采用開槽方法穿越，國道東側(cè)有一私人工廠，征地動(dòng)遷中要價(jià)極高，工作不通。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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?yōu)?根DN1800鋼管，設(shè)在混凝土套管內(nèi)，內(nèi)徑2400mm，外徑2860mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土F管，管節(jié)長2500mm。

2 頂管機(jī)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(huán)（某些專家認(rèn)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(tǒng)）、螺旋輸送機(jī)和頂進(jìn)系統(tǒng)組成，適用于均質(zhì)、強(qiáng)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?jiǎng)恿Σ淮?，機(jī)頭構(gòu)造簡單，價(jià)格較低，頂管單價(jià)相對較低。土壓平衡頂管機(jī)通過轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤切削泥土進(jìn)入泥土倉，倉內(nèi)泥土通過改良變成具有塑性、流動(dòng)性及密封性的泥土，隨著主頂系統(tǒng)的加壓頂進(jìn)，泥土倉逐漸充滿泥土，壓力逐漸增大，開動(dòng)螺旋輸送機(jī)，輸出泥土，使泥土倉壓力與開挖面土壓力取得平衡，頂管進(jìn)入正常掘進(jìn)狀態(tài)。當(dāng)主頂系統(tǒng)千斤頂達(dá)到行程后，縮回千斤頂活塞桿，安裝頂鐵或下節(jié)管道繼續(xù)頂進(jìn)，直達(dá)接收井。

2.2.2 泥水平衡式頂管機(jī)

由刀盤、泥水倉、進(jìn)出泥漿系統(tǒng)和頂進(jìn)系統(tǒng)組成。帶破碎功能的頂管機(jī)在刀盤后設(shè)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(jiān)硬地層掘進(jìn)。這種頂管機(jī)能提供大扭力，所需動(dòng)力大，機(jī)身、刀盤剛度強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此機(jī)頭造價(jià)高，運(yùn)行費(fèi)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(jià)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(zhì)的機(jī)械自動(dòng)化頂管施工法。泥水頂管機(jī)開始工作時(shí)，通過泥漿注入系統(tǒng)把泥漿送進(jìn)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(xù)滲透，啟動(dòng)刀盤與頂進(jìn)系統(tǒng)，開挖面泥土進(jìn)入泥水倉，啟動(dòng)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(jìn)入正常頂進(jìn)過程。

2.3 頂管機(jī)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(zhì)為砂卵石，頂進(jìn)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(jī)。該頂管機(jī)由刀盤、泥土倉、螺旋輸送機(jī)、水力出渣系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。頂管機(jī)刀盤根據(jù)砂卵石地質(zhì)情況進(jìn)行了簡單改造，擴(kuò)大了刀盤進(jìn)土口，對刮刀和刀盤面板用耐磨焊條進(jìn)行了加固。此頂管機(jī)安裝后，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)、調(diào)試，始終未能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，最終在頂進(jìn)10m時(shí)，在機(jī)頭前方塌方，頂管失敗。

第一次頂管失敗后，施工單位分析發(fā)生問題原因，重新選擇頂管設(shè)備。根據(jù)前期施工實(shí)際情況，地層卵石粒徑大，地層密實(shí)，強(qiáng)度大等特點(diǎn)，選擇帶破碎功能的泥水平衡式頂管機(jī)，型號為HB-DN2400型。該頂管機(jī)刀盤有大小形狀不同的4類刀具，具有較強(qiáng)的一次破碎功能。刀盤后面為帶有圓錐破碎機(jī)構(gòu)的破碎倉，具有具有較強(qiáng)的二次破碎功能。被齒刀切削下來的經(jīng)過初步破碎的砂卵石從刀盤孔進(jìn)入破碎倉，未破碎大的石塊經(jīng)過圓錐破碎機(jī)進(jìn)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(xiàn)的問題

102國道頂管工程2017年9月進(jìn)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(jī)運(yùn)至現(xiàn)場，12月中旬安裝完成。12月下旬開始調(diào)試、掘進(jìn)，到2018年3月16日，掘進(jìn)總長度10m（含機(jī)頭），機(jī)頭前方發(fā)生塌方，地面塌陷。前后歷時(shí)108d。過程中不斷出現(xiàn)各種問題： 刀盤電動(dòng)機(jī)過載，電流過大；刀盤減速機(jī)齒輪、軸承損壞；螺旋輸送機(jī)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(yīng)地質(zhì)條件

第一次頂管失敗，最根本原因是頂管機(jī)選擇與地質(zhì)條件不相適應(yīng)。施工單位所選頂管機(jī)為泥水平衡頂管機(jī)。刀盤功率30kW×3，變速箱3臺，頂管機(jī)結(jié)構(gòu)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(gè)機(jī)頭尺寸較小，結(jié)構(gòu)單薄，刀盤共有3套驅(qū)動(dòng)裝置，動(dòng)力薄弱，破碎能力弱。而穿越G102國道，設(shè)計(jì)管道埋深4.2～5.4m，頂管范圍內(nèi)巖性為圓礫，圓礫呈密實(shí)狀態(tài)。頂進(jìn)范圍內(nèi)礫石含量79.9%，招標(biāo)文件提供的石塊最大粒徑60mm； 圓礫密實(shí)程度較高，地基承力550kPa，地層密實(shí)堅(jiān)硬。在實(shí)際頂進(jìn)中，地層中卵石粒徑超過60mm，有些達(dá)130mm以上。頂進(jìn)過程中，頂管機(jī)表現(xiàn)動(dòng)力不足，負(fù)載過大，電流不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)電流超載情況，有時(shí)因過流保護(hù)而跳閘；且發(fā)生刀盤齒輪、軸承破壞情況。機(jī)頭破碎能力很弱。掘進(jìn)洞身范圍內(nèi)存在較多的大粒徑卵石，刀盤上的進(jìn)土孔小，大石塊過不了刀盤面板，頂管機(jī)不能正常前進(jìn)，掘進(jìn)中又向開挖面不斷注水，開挖面在刀盤和石塊攪動(dòng)下，前上方的砂卵石不斷脫落，細(xì)顆粒不斷被螺旋輸送機(jī)輸送到外面，在機(jī)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(jìn)開始時(shí)間是12月下旬。地處東北，天氣寒冷，施工環(huán)境惡劣。從當(dāng)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(shè)備處在負(fù)溫下運(yùn)行，機(jī)械性能下降，設(shè)備和管道經(jīng)常出現(xiàn)受凍問題； 施工人員面臨寒冷的工作環(huán)境和不順利的工作情況，產(chǎn)生煩躁和不穩(wěn)定情緒，違反操作規(guī)程，導(dǎo)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(jī)構(gòu)不健全，缺乏管理的系統(tǒng)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(jī)取得了成功。從2018年9月1日到9月30日，經(jīng)過30d施工，順利完成了294m頂管施工任務(wù)，平均每天進(jìn)尺18m。開始時(shí)也出現(xiàn)頂進(jìn)不正常的情況，經(jīng)檢查，還是有大石塊不能通過面板進(jìn)入破碎倉而堆在刀盤前，經(jīng)研究討論，采用擴(kuò)大進(jìn)土口的辦法，在面板上用火焊割出3個(gè)大的進(jìn)土口，使大卵石可以進(jìn)入破碎倉，問題最終得到了解決。

3 結(jié)語

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

（2）施工環(huán)境的好壞直接影響施工質(zhì)量，施工進(jìn)度和施工成本。選擇有利的施工季節(jié)施工條件，工作人員的心情、情緒都會(huì)產(chǎn)生正面影響，設(shè)備的工作性能也能正常發(fā)揮。第一次頂管時(shí)天氣寒冷，對施工人員和設(shè)備都產(chǎn)生了不利影響，進(jìn)而對工程施工造成不利影響，易導(dǎo)致各種事故，終致失敗。