顶管施工中出现裂缝原因分析及处理方法

侯杰文 王汝成

摘要：市政排水管道建设对城市雨水的开发利用起着重要作用，但在管道的实际架设过程中时常会出现不同种类的裂缝，因此本论述结合某施工现场排水管顶管在顶进时出现裂缝的实际情况，使用超声检测仪及裂缝宽度仪等工具检测混凝土内部缺陷，确定管道内裂缝深度、宽度及长度，再通过钻芯取样后判定管材混凝土强度，接着根据施工方案对顶力和顶进距离进行校核，对管道裂缝的成因进行深度分析，最后结合管道裂缝情况对管道内部结构缺陷作出评估并给出修复建议。关键词：管道裂缝；
钻芯取样；
允许顶力；
顶进距离；
管道修复指数

中图分类号：TG141                            文献标志码：A

0引言

近年来伴随市场经济的蓬勃发展，在面对环境变迁及降雨所带来的自然灾害时，要求城市排水系统能够具备良好的吸收能力，因此出现了海绵城市的全新定义，即都市排水系统需要像海绵一般对雨水进行收集转化并进行合理开发利用，尽可能提升雨水在城市范围内的渗透、聚集和净化速度，从而实现降雨资源的合理转化并对市内生态系统形成保护效应。因此城市排水管道特别是顶管建设体现出了巨大作用，然而顶管在顶进施工中时常会产生不同种类的裂缝，因此本论述将结合某顶管施工时出现裂缝的实际案例给予分析，最终找出产生裂缝原因并提出解决办法。

1工程概况简介

钢筋混凝土排水管顶管顶进施工时出现裂缝的管道总长430 m，位于两段工作井之间，施工管道的主管管径2.4 m、管道长度2.5 m，主管道采用 F 型钢承口钢筋混凝土 III 级重力顶管，设计计算顶进最大距离为230 m，工作井为?8000的圆形钢筋混凝土制最大深度为11 m，顶进过程中采用触变泥浆浇灌方式进行减阻处理，施工管线相继穿过石油管道、市政管线等道路。

根据施工方提供的地理数据可以得出，该区域工程地质特征为第四系土地层，其中包括填土层、上变更统马兰黄土层、中变更统离石黄土层、下变更统午城黄土层、下伏坝基岩性属白垩系火山碎屑，但多数为湿陷量的黄土层且地质环境相当复杂。

2现场勘查及检测情况

技术人员根据《给水排水工程顶管技术规程》（CE? CS 246：2008）[1]要求，对管道内出现的肉眼可见的裂缝进行编号，使用混凝土超声波检测仪，依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CESC 21：2000）[2]标准对部分产生裂缝的管道实施裂缝深度测定，并使用裂缝宽度仪及卷尺测定裂缝宽度及长度；
通过实地勘察发现，管道内出现的问题主要表现为裂缝，其中纵向裂缝与斜向裂缝（如图1、图2所示）居多，个别管道内部产生环向裂缝，另外勘查中发现有部分管道间出现管节错台（如图3所示），顶进姿态出现蛇形偏差（如图4所示）等情况。现场随机选取管道内出现16处裂缝的部位进行编号并检测，统计出裂缝深度、宽度、长度等缺陷相关信息（如图5所示）。根据现场检测结果可知裂缝深度多为20～90 mm、不超过100 mm，裂缝宽度多为0.05～0.3 mm、不超过0.5 mm，裂缝长度多为800～1500 mm 存在各别贯穿性裂缝。

现场采用钻芯取样法，使用混凝土鉆孔取芯机于每50 m 顶管管身处取芯样共8孔，依据《钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》（GB/T 19496-2004）[3]，将钻取的样品进行抗压强度检测（见表1所列），检测结果按照《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009）[4]标准进行判定，通过表1可以看出钻取样品的抗压强度在60～70 MPa之间、均高于标准要求。

3施工方案评估

根据施工方案对顶力及顶进距离进行计算核验评估，查看是否满足设计要求。

3.1总顶力设计计算

通过《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246：2008）标准中第12.4条的有关规定，为了确定管道的总顶压力，按照公式（1）、公式（2）进行计算：

F0=πD1Lfk+NF ，                     （1）

NF=π（Dg－t）tR；
                     （2）

式中：F0-总顶力（kN）；
D1-管道外径（m），取2.86；

L-管道顶进长度设计值（m），取230；
fk-管道外壁与土层的摩擦力（kN/m2），根据地质条件取8；
NF-顶管机的迎面阻力（kN）；
Dg-顶管机外径（m），取2.86；
R-挤压阻力（kN/m2），取500；
t-刃口厚薄（m），取0.025。

通过以上取值代入公式（1）和公式（2）计算得：NF=111.27 kN；
F0=16635.2 kN。

3.2允许顶力设计值计算

排水管顶管传力面允许的顶力设计值按公式（3）计算：

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

式中：Fdc-管道允許的顶力设计值（N ）；
φ1-混凝土材料受压强度折减系数，取0.9（m）；
φ2-偏心受压强度提高系数，取1.05；

φ3-材料脆性系数，取0.85；

φ5-混凝土强度标准调整系数，取0.79；

f c -混凝土受压强度设计值（N/mm2）；

AP -管道的最小有效传力面积（mm2）；

γQd-顶力分项系数，取1.3。

通过以上取值代入公式（3）计算得：

Fdc=14187.2 kN。

3.3实际允许最大顶进距离计算

允许最大实际顶力按公式（4）计算：

F0*=Fdc－F0；
                       （4）

得 F0*=14075.9 kN，根据允许最大实际顶力代入公式（1）得允许最大顶进距离L=195.9 m。

4裂缝成因分析

4.1裂缝产生机理

大管径顶管在施工时随着顶进距离增大顶力也随之增加，混凝土顶管很容易出现裂缝。根据管道破坏形成的原因，裂缝主要分为受剪应力下的破坏裂缝和受压应力下的破坏裂缝两种，根据管道裂缝与管道轴线的走向关系分类，可以分为以下三种形式。

（1）纵向裂缝：近似平行或平行于排水管主轴方向，纵向裂缝一般会出现在管道拱形及边部部位，且边部及拱腰部位比拱形顶部出现的多。单线管道主要在边部部位，多线管道在拱腰部位出现纵向裂缝比较多。从受力情况分析看，拱形顶部出现的裂缝主要是因内部混凝土受挤压产生，拱腰和边部位置的裂缝则是由于内表面拉伸出现的。纵向裂缝对管道结构的安全性影响最大且破坏程度最强。

（2）环向裂缝：基本垂直或近似垂直于管道主轴方向，多出现于洞口、施工缝、沉降缝和地质层较为复杂的地方。环向裂缝的成因一般是管道纵向的不均匀沉降、管道周围岩石土层的地质发生改变和沉降缝处理不合理等，其对管道内部结构的安全性没有太大影响。

（3）斜向裂缝：与管道主轴方向近似为45°左右斜角，在边部和管道拱形部位均可能产生，一般为轴向和径向同时受力而产生的拉应力所致，如果同时出现多条斜线裂缝相互交叉，极易在混凝土内部结构发生掉落剥离现象，其产生的破坏程度仅次于纵向裂缝。

4.2地质因素

由于在管道下方土层的基础范围内，根据地质资料显示土质结构差异程度较大且地质条件复杂，这种环境将会引起不均匀沉降现象，完整度较高的管道内部结构会容易产生局部拉应力集中，当混凝土强度不足时，就会产生斜向裂缝。如图6（a）所示，顶管管道内壁局部出现了不均匀沉降；
而图6（b）所示的方位产生了拉压应力相互交错叠加过程，当拉应力大于管道所能承载的最大抗拉强度时便会产生裂缝[5]，即不均匀沉降所导致的裂缝；
如图6（c）所示，裂缝分布趋势是从沉降较轻的地方向沉降较强的方向逐渐扩展。另外由于施工区域的土层为湿陷性黄土层并且施工环境复杂，顶管顶进过程中采用触变泥浆进行减阻效果有限，因此顶进过程中导致摩阻力增大，更容易产生纵向裂缝。

4.3环境因素

从裂缝产生的机理来看，可能由于该地区管道施工时正处于秋冬两季，因此导致早晚温差较大引起顶管结构产生冻缩进，且管道上方土层较厚产生压应力，从而引发纵向与斜向裂缝。

4.4施工因素

顶管管道连接面出现阶梯状的分段面，在顶进施工时，阶梯状的分段面容易受到管道四周复杂土层条件的制约而在管道连接处产生变形及角度错位偏差现象。错位最常出现的形式有环之间缝张开、环间高差错台及错齿等[6]。造成管节错位或变形的主要因素包括地基不平衡沉降、管节接头不牢固、顶进姿态控制不理想等。

由于引起管节接头之间出现角度错位值高于上限，使接头间的有效荷载面积较小，管道间承压能力同步减小，那么在部分相邻接头处可能发生应力集中、顶力增加情况，从而出现局部承压不稳破坏造成管节出现裂缝[7]。

4.5结构设计因素

在进行顶管设计时，对顶力的设计值与允许顶力设计值计算不准确，中间井设计较少。根据本论述3.3中计算顶进距离为195.9 m 超出允许最大顶进距离的设计值230 m，且长距离顶进没有适当的减阻措施与减轻顶进设备的顶进压力措施，导致管道内壁产生较大的挤压应力从而产生纵向及斜向裂缝，这是造成管道结构表面产生裂缝的主要原因。

其次顶进距离大于195.9 m 应使用中继间，若不使用中继间则应相应增加工作井数量以减小工作井间距及顶进距离，但查看设计方案得知工作井间距较大，且未按施工方案要求使用中继间，若按顶进距离设计值去推进势必会导致管材本身超过所能承受的阻力极限，从而出现裂缝及破损现象。

5管道结构状况评估

因管道内部产生多条纵、斜向裂缝，依据《城镇排水管道检测与评估技术规程》（CJJ 181—2012）[8]标准中第8.3条计算公式对管道裂缝进行评价，以确定其结构现状。

管段结构性缺陷参数计算公式：

F=max{Smax，S}；

式中：F-管段结构性缺陷指数；

Smax-管段损坏情况参数；

S-管段损坏状况指数。

其中：S =（ Pi 1+α Pi2）；
            （6）

Smax = max{Pi}；
                      （7）

式中：Pi1-纵向净距大于1.5 m 的缺陷分值，取值0.5；
Pi2-纵向净距大于1.0 m 且不大于1.5 m 的缺陷分值，取0.5；
α-结构性缺陷影响系数，取1.1。

根据以上取值代入公式（5）～公式（7）分别计算2段工作井间管段结构性缺陷参数得：F1=2；
F2=1。

根据管段结构性缺陷指数，按公式（8）计算出管段的修复系数：

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

式中：RI-管段修复系数；
K-地区重要性系数，取6；
E-管段重要性系数，取10；
T-土质影响系数，取6。

故得：RI 1=3.4；
RI 2=2.7。依据《城镇排水管道检测与评估技术规程》（CJJ 181—2012）标准中表8.3.5要求对所做检测的管道进行修复系数等级划分，经评估该工作井管道修复系数等级为II 级，此管道结构在短期内不会发生破裂现象，但应有相应的裂缝修复处理方法。

6裂缝处理建议

6.1减少裂缝出现建议

通过以上计算和原因分析可知，导致施工中裂缝产生的主要原因是顶进距离过长导致管道阻力增加超过其承受极限，因此笔者结合实际给出以下几点减少裂缝产生的建议。

（1）根据工程施工进度，可适当增设工作井数量减小一次顶进的距离，防止因顶进距离过长引起阻力增加。

（2）顶进施工中同时在管道外表面加入润滑剂或触变泥浆填充等减阻措施，降低管壁与土层间的摩擦系数起到减阻作用。减轻顶进设备的顶进压力，以保证施工安全。

（3）保证实际顶进距离与允许顶进距离相符，以减少裂缝产生。

（4）若在较长距离的顶管施工中，可考虑分段顶进措施，使用中继间合理放置于管道间。中继间作为顶力传导的工具，可在顶进距离过长引起顶力减小时，起到分散并减小顶管机顶力在其允许范围内的作用。

6.2裂缝修复建议

6.2.1  表面处理法

使用市面上普通的防水工艺材料作为处理裂缝的表面涂层，包括合成树脂、无机胶凝等材料将其喷涂在裂缝表层，也可使用玻璃纤维布在裂纹面上加以密封，主要是在裂缝表面形成长久而高效的防水层，达到延长管道使用性的常规裂缝修复方式，适用于深度较小且未达到管道钢筋层的微小裂缝，其次是细微较浅的裂缝且注浆成型材料无法进入的部位，同时适用于修补未贯穿但不漏水、静态以及不再伸长或宽度低于0.3 mm 的微小裂缝。施工时均采用手提式砂轮机将管道内表层200mm 范围内的污渍打磨除去，再利用吹风清洁和用丙酮擦拭清洁干净混凝土表面，接着再将事先准备好的胶黏剂或粘贴纤维黏贴于裂缝表面风干后打磨平整即可。

6.2.2 填充法

使用开凿工具从裂缝延伸方向将混凝土修成 U、V 两种形状的沟槽，将树脂、凝胶或纤维布等不同修复材料填充于沟槽内部，此法可极大程度提升管道耐久、整体及不透水性，通常用于修复宽度不足0.2 mm 且深度较浅的裂缝、或是裂缝内有填充物，用灌浆法很难达到渗入效果的裂缝、以及小型裂缝的简单处理，此时可优先考虑开取 V 型沟再实施充填加固处理过程。凿沟时应注意沟深应大于15 mm，沟宽应大于10 mm；
若裂缝处于松动状态应酌情考虑加大。填充法修复裂缝所用建筑材料由修复效果决定，通常使用带有一定延伸率的各种高弹性树脂砂浆或改性环氧灌浆树脂胶。

6.2.3 灌浆法

灌浆法又名注浆法，是在规定时限内以较高的水压把不同黏度较小的胶粘剂以及防水涂料浇灌至裂隙深处，以达到复原管体完整体、持久性及防水性能的目的。适用于裂缝宽度大于0.3 mm、深度较深的裂隙修补，尤其是对受力裂隙的修补。注浆成型料在选择时因修补目的而异，在注重强度和耐久性时应选用硬度高、黏附力强的合成树脂料；
对比较宽的裂纹也可选用水泥浆；
若为了增强防水性，则应选用延展性强和防水渗漏特性较好的材料。

参考文献：

[1] 給水排水工程顶管技术规程.CECS 246-2008[S].北京：中国计划出版社，2008.

[2] 超声法检测混凝土缺陷技术规程.CECS 21：2000[S].北京：中国计划出版社，2000.

[3] 钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法.GB/T19496-2004[S].北京：中国标准出版社，2004.

[4] 混凝土和钢筋混凝土排水管.GB/T 11836-2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

[5] 张志军.某顶管工程用钢筋混凝土排水管裂缝成因分析[J].广东建材，2020，36（12）：31-32.

[6] 李君普.大断面矩形顶管隧道衬砌结构病害防治研究[D].郑州：郑州大学，2019.

[7] 王艳华，曹庆喜. 大直径微型盾构中混凝土顶管裂缝研究[J].公路，2015，6（8）：296-301.

[8] 城镇排水管道检测与评估技术规程.CJJ 181-2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.