非开挖技术 ●顶管施工障碍物处理技术综述

顶管施工是借助工作井油缸的顶推力，将顶管机以及管节顶入地下土层中，随着顶管机旋转刀盘开挖前方土体机岩石，顶管机以及管节不断前进，再依次将管节顶入其后直至由始发井贯穿到接收井，从而完成整个顶进的施工方法。它具有对地表环境影响小、施工精度高、工期短、综合成本低等优点，正越来越多地被应用到地下人行通道、电力隧道、排水管道、城市综合管廊等工程。由于地下环境复杂、不确定因素较多、物探技术能力有限等原因，顶管施工不可避免会遇到各种地下障碍物。地下障碍物主要分为两种: 可清除类，包括抛石、钢筋混凝土块、建筑垃圾等; 不可清除类，包括重要建筑等的桩基、各种地下管线等。它会严重影响施工进程，甚至具有一定安全隐患。

目前常用顶管遇障碍物处理技术分为两大类: 避让技术和清除技术。避让技术是通过改变顶管轴线 从而达到避让障碍物的目的，适用于不可清除类障碍物; 而清除技术分为地面处理技术及地下处理技术两种，可处理所有障碍物。常见的地面处理技术包括竖井开挖技术（开天窗）以及钻孔清除技术; 地下处理技术主要包括慢速磨顶技术、开舱清除技术、套管技术、顶管回退技术、顶进对接清除技术以及钻爆清除技术。实际工程中，障碍物的清除比避让复杂，技术要求更高，出现频率也更多。本文主要介绍上述八种清除技术。

一、地面处理技术

1.1竖井开挖技术（开天窗）

竖井开挖是直接通过开挖的方式取出障碍物。覆土埋深、地下水位是影响竖井开挖施工工艺的关键因素，对于覆土较浅的情况，一般通过人工或挖掘机直接开挖; 若埋藏较深时，采用先开挖导井后扩挖的方法。根据覆土埋深，竖井开挖主要分为以下3 种工艺:① 覆土浅( 5 m 以内) ，周边无建筑物且地质条件好的可采用大开挖; ② 覆土较浅( 10 m 以内) ，周边有建筑物但地质条件好、地下水位较低且具备打桩相关设备进场条件的可采用密打钢板桩后开挖; ③ 覆土较深( 15 m 以内) ，周边有建筑物、施工场地小、土质为原状土、地下水位高时，可采用树根桩围护加注浆隔水帷幕方式。  

1.2钻孔清除技术

钻孔清除技术是依靠钻探技术，从地面钻至障碍物所在位置，再对其进行相关处理。根据处理障碍物方式的不同，钻孔清除法可分为: ① 回转钻进清障法;② 冲击清障法。

( 1) 回转钻进清障法是在障碍物上方使用回转钻进装置清除障碍物。钻具一般采用硬质合金钻头，具备很强的切削能力。对于体积较小且易破除的障碍物，可直接回转破碎; 否则，需钻入口径较障碍物更大的套管，再利用抓斗等取出障碍物。对于障碍物上方场地较小的情况，可使用潜孔钻机。最后需进行孔内回填、封闭孔洞工作。    

( 2) 冲击清障法利用钻孔桩冲击成孔原理，以末端冲击锤的冲击能量击碎目标障碍物或者将其击出顶进区域。钻杆拔除后必须将孔洞回填，避免同步注浆时浆液从未填实的孔洞内冒出，造成地表沉降及交通影响等   

需要注意的是，实际钻孔清除时，清除区域一般比顶管所遇障碍物稍大，而各个钻孔之间必须保证一定的安全距离，破碎深度至顶管机底部。

技术优缺点：

( 1) 回转钻进清障法安全、可靠、高效，能够切削硬度较大的块石或钢筋混凝土结构等障碍物，地质适应性强、施工周期较短。该方法可分布施工，对周边的影响达到最小，但机械投资大，且钻机自重大，要求清障处无其他管线及地下设施，对场地要求较高。

( 2) 冲击清障法对场地和设备要求较低，操作技术容易掌握，施工周期较长，可清除的障碍物种类包括混凝土桩基、块石、管道、钢桩、木桩等，其地质适应性强，能适应流砂层等各类复杂地质情况。对于开口型顶管工程，无法保证泥浆进入管道内，或顶管机与障碍物有黏连时，冲击能量可能会损坏顶管机，类似情况均不推荐使用该方法。

二、地下处理技术

2.1慢速磨顶技术

慢速磨顶法的基本原理就是降低顶进速度，借助自身刀盘或其他辅助机构，不断对障碍物进行磨损破碎以达到去除目的。在慢速磨顶时，为增强清障效果，通常采用以下5 种措施: ① 增加后背顶力，提高刀盘切削压力; ② 加大泥浆密度，提高携渣能力，及时清理堵塞的管道; ③ 采用高分子聚合物膨润土触变泥浆，提升泥浆性能，减少顶管周边摩阻力; ④注入高压水，辅助破碎障碍物; ⑤ 增加碎石机构或对刀盘进行相关改造，使其满足破除特定障碍物的要求，采用此措施会额外增加一定成本。

2.2开舱清除技术

开舱清除技术的主要原理是在开挖面稳定条件下开舱进行人工、机械或爆破处理。在地质条件良好、开挖面稳定时，经过专业人士检查确定后，可直接打开清障孔进行障碍物清除。开挖面不稳定时，最常用的方法是通过气压平衡: 气压平衡顶进中，利用气压舱所加压力和水土压力值相等，起到平衡作用;

泥水平衡或土压平衡顶进中，则需在顶管机内增加气压舱。对于粉砂层等渗透系数较大易漏气地层，需要对地层进行加固处理: ① 高压旋喷帷幕和双液注浆止水; ② 盐水或液氮冷冻加固。采用第一种加固方法时，需先对障碍物上的地层进行旋喷桩加固处理，并在桩间进行双液注浆，待地层稳定后，带压开舱，进行人工清障处理。采用第二种加固方法的施工流程与第一种类似，只是最后需冷冻拔管。

2.3套管技术

套管技术的原理是将管径不同的钢套管或顶管机顶入遇障顶管机外围或内部，然后进行障碍物处理。在遇障顶管机外顶入套管为外套管技术，在机内顶入较小直径顶管为内套管技术。外套管技术根据顶管机遇障时距工作井的距离分为正向套管法和反向套管法。由于钢管顶进过程中无法纠正方向与标高，故一般选取的外套钢管内径比受障顶管外径大20 cm 左右。    

( 1) 正向套管技术。施工前需对顶管机前土体进行注浆加固，顶入钢套管至顶管机开挖面前1 m 左右，逐步拔出已有管道，人工清除顶管机前障碍物后，再在钢套管内铺设轨道，然后重新顶进施工，顶管完成后对钢管与混凝土管之间的空隙进行注砂灌浆加固处理，施工应注意根据土质分析其流塑及渗水状况，确定是否需要注浆或降水处理。同时，注意防止洞口止水圈拆卸时的井壁周围水土流失。

( 2) 反向套管技术。施工工艺与正向套管法类似，不过需在接收井内安装油缸及导轨等设备，机械或人工开挖管内土方并清除障碍物，要求钢套管完全套住顶管机头，并与顶管机机头后续管道有一定搭接距离。施工时故障机头具体位置、轴线走向、标高等数据的测定十分重要，是能否成功处理问题的关键。同时，需提前正确判断该地层是否适用于人工挖土顶管，否则需进行土壤改良处理。    

( 3) 内套管技术。采用该技术前需对原顶管开挖面土层进行注浆加固处理，然后拆除顶管机主要构件，保留顶管机壳体，在顶管内部铺设导轨，并根据工程需求顶入小直径顶管至原顶管开挖面处。接着，在内顶管与外顶管之间进行注浆封堵，并在洞口做好密封处理，防止小管顶进时水土从两管间隙渗出。待间隙浆液稳定后，即可顶进内套顶管。

2.4顶管回退技术

顶管回退技术的流程与正向套管类似，主要区别有两点: ① 顶管回退无需顶入外套管; ② 顶管回退的同时，需要不断通过顶管机头向开挖面注入特制泥浆等材料，填充已开挖空间，保持上部土体稳定。常用回退方法主要是通过顶进油缸反向拉拔管节，而管节需与顶管机头焊接或螺纹方式连接成为整体，逐渐拉出顶管。另外，李均山设计出一种可回退式顶管机，在遇到施工障碍可回退动力总成，实现顶管机核心部件的回退。

2.5顶管对接清除技术

顶进对接清除技术就是根据顶管对接技术原理，从接收井顶入一个特制顶管，割除原顶管机内动力元件与仓板，破除障碍物后并清运后与第二次顶进的焊接处理，将顶管头作为特殊管，从而达到全线贯通的目的。顶管地下对接主要包括: ① 正向的直线对接，一般多为同直径的管道连接; ② 带有角度的侧向对接，一般为较小口径管道对接较大口径管道。在施工过程中需采取一定的辅助性关键技术措施: 掘进机对接段的加固措施以防止水土流失和控制地面的沉降; 两个掘进机之间的准确定位和连接措施;顶管设备的拆除和连接; 对接段内衬结构的施工等技术措施。该技术在国内外顶管中已有应用先例。

2.6钻爆清除技术

钻爆清除技术始于美国，核心思想是爆破成孔、顶管施工。采用该方法时，先进行测量定位，然后钻孔、装药、爆破，排出烟及碎碴，铺设导向管基，最后进行顶管注浆工作。爆破、顶进反复进行，直至清除障碍物。