摘要：本文介绍在某城市地下管廊建设过程中顶管施工顶管机头出现故障，顶管机由于主轴承破损，必须返厂维修的情况下，不设置临时工作井，采用逆向反顶的方法将已顶进的管节及顶管机头反顶至始发工作井吊出返厂维修的处理案例。
关键词：顶管；机械故障；逆向反顶
1 顶管机故障分析
经顶管机厂家人员检查发现：ID3000顶管机刀盘启动主轴承无支点运动，后方减速器有明显摆动；主轴明显后退5mm以上，与后轴承底座互相摩擦；刀盘启动后有明显金属挤压摩擦现象；后密封盖及齿轮箱内不断有清水流出；
经厂家及现场管理人员综合判断，二次破碎顶管机轴承碎裂，进而导致顶管机密封失效。因顶管机构造原因，轴承无法在地下完成更换维修，只能将顶管机头取出返厂维修。
2 处理方案的选择
鉴于顶管机主轴承损坏，顶管机在地下无法像盾构机一样开仓维修，只能将机头取出返厂，故处理方案有两种：①设置临时工作井，开天窗，将机头吊出；②利用千斤顶逆向反顶，将机头及已顶进的管节反向拔出。本例中顶管管节顶进7节，每节2.5m，共计17.5m，机头距离顶管始发井较近。由于顶管通道距离高铁和道路较近，不允许采取大开挖方式，设置临时工作井必需进行咬合支护桩施工及开挖，工期较长，施工费用较高，故第一种方式不可取。经慎重计算分析，决定尝试采取利用千斤顶逆向反顶的方式，将机头和已顶进管节反向拔出。
3 工艺原理及计算
3.1 顶管机内的型钢焊接位置、焊缝计算
3.1.1 顶管机头处槽钢连接安装
采用上下共四根40a工字钢焊接在机头内，槽钢与每节管节上的预埋铁环焊接连接，增加整体、牢固、稳定的作用。
3.1.2 顶管机内的型钢焊缝计算
机头部分焊接处如上图图所示：上下各2处，共8处，一般焊缝强度160n/mm2，每处焊缝约(400mm+400mm+142mm)*10.5mm=9891mm2，合计强度：9891*160*8=12660480n≈1266t。
另槽钢与每节管节上的预埋件也进行焊接连接，形成一个整体，增加整体、牢固、稳定的作用。
3.1.3 钢连续梁计算
[ 基本信息 ] 左支座自由 右支座自由
3.1.4 逆向反顶施工计算
顶力计算以DN3000顶管距离21m（W4-W3），工作井段顶管计算：F=F1+F2
其中F——总推力，F1——迎面阻力（逆向反顶无迎面阻力）
F2——顶进阻力F1=0T（逆向反顶无迎面阻力）
F2=πD*f*L式中：
f—管外表面综合摩阻力，取0.78T/M2
D—管外径3.6m
L—顶距21m
管外表面综合摩阻力取0.78T/M2依据如下：
顶进方向土压力：γh*0.42（地勘报告）*3.14/4*3.6^2=1384N
四个油缸总推力：*3.14/4*300^2*12（顶进记录）*4=3391N
反推实际摩阻力：（3391-1384）/3.6*3.14*22.5=0.78T/M2
F2=3.14*3.6*0.78*21=185.2T
因此，总推力F=F1+F2=0+185.2=185.2T，现场主顶计划使用四台200T级油缸，在推进时，每台油缸的最大顶力不超过200T，通过油泵压力来控制千斤顶总推力。后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形迹象是正常的，顶管中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。
3.1.5 千斤顶的选型（受力点同步均匀，机器整体平推出）
现场选用 6台Φ300mm 200t千斤顶（如下图所示）
（1）龙门洞处4台同时开启推进，平行推进。
（2）后方2台同时开启但不进行推进，为防止前方拔管突然回退。
（3）试顶前对受力点进行调试受力，待四个受力点受力均匀后同时开启四个千斤顶进行拔管作业，开展首节试推工作。
3.1.6 纠偏控制，管片与管片之间的转接
3.1.6.1 竖直方向纠偏
控制顶进方向的主要方法时改变单侧纠偏油缸行程，槽钢与每节管节上的预埋铁环焊接连接形成一个整体增加整体、牢固、稳定的作用。
当顶管机出现下俯时，可加大上侧纠偏油缸行程，当顶管机出现上仰时，可加大下侧纠偏油缸行程，来进行纠偏。
3.1.6.2 水平方向纠偏
与竖直方向纠偏的原理一样，左偏时加大右侧纠偏油缸行程，右偏时则加大左侧纠偏油缸行程。
3.1.6.3 纠偏注意事项：
（1）要随时根据工作面地层情况及时调整逆向反顶参数，修正反顶方向，避免偏差越来越大。
（2）反顶时要及时进行纠偏，消除偏差后，再继续逆向反顶。
3.1.7 注浆减摩，壳体周边保持润滑
拔管前对壳体周边注入触变泥浆保持润滑，减少管壁摩擦阻力。顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具管切土正压力、管壁摩擦阻力及工具管气水压力。
为了减小顶压进阻力，增大顶进力，并且为了防止出现塌方，顶管过程中，采用在管壁与土壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆护套，减少管壁与土壁之间的摩擦力。泥浆在输送和灌注过程中具有流动性、可泵性。
3.1.8 填充物的选择
为避免对地面造成沉降影响，逆向反顶的同时对空体进行注浆填充。在注浆前做注浆材料的配合比试验和强度检测，方便下次顶进刀具配置进行参考。
注浆浆液的配比为：1：0.5（初凝时间短，粘度高适合再次顶进）
水：砂：粉煤灰：膨润土：石灰：外加剂=100：210：87.5：18：15：1.125，粉煤灰中除二氧化硅和氧化铝外，含10%以上的氧化钙，本身具有一定的水硬性。由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好，能填充得更密实；能对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。
3.1.9 注浆施工工艺要求
（1）察看现场情况，规划好设备、钢管的摆放和位置。清理、平整好场地，接通水、电管线，做好安全防护措施。
（2）注浆管采用Φ40钢管，每根长18米，壁厚3.5mm，总长度与顶管道长度相同。钢管采用螺纹套筒连接，在钢管两端用套丝机械套丝，并用套丝机油进行润滑，不得用水或其他液体代替。为保证钢管螺纹根部的壁厚，必须严格控制管道螺纹的轴向螺纹偏差和轴向倾斜。制作好的钢管应保护好螺纹丝道，保持丝道干净、无杂物，丝道不受损害。连接时应在丝道上涂适量的黄油，起润滑、保护、密封作用。用管钳拧紧，但不得过于使劲，以防丝道破坏，出现滑丝现象。
（3）把连接好的注浆钢管固定在拖头上，采用焊接，应焊接牢固，可用钢板适当加强接头处的强度。钢管位置应尽量靠近顶管，布置在两侧，有利于拖拉，减少阻力。
（4）拖管前应检查管道连接是否牢固，钻机是否正常，喷泥浆头是否顺畅。拉管时要求匀速向前，中间严控停顿，严格按照规范要求操作。钻机操作手应密切注意钻机回拖力、扭矩变化，采取措施尽可能的减少管材与孔壁的摩擦阻力。进管口要有人查看管道拖拉过程中是否平顺，有无扭曲，让注浆管和顶管尽量靠拢。当注浆钢管拖出来后，从拖头上拆下注浆钢管，用钻机单独再拖出来一节6m。松开套筒，卸下第一根注浆钢管。
（5）当注浆满足要求后，停止注浆。拆下进浆管接口，用钻机拖出下一根注浆钢管，接上进浆接口。重复以上第四步（制浆、注浆）。如此循环，直到注浆钢管全部完成。
（6）注浆管下部开孔，上部应采用粘土密封。
（7）反顶至龙门洞口处，停止拔管，此段1米采用增加水玻璃注浆材料双液注浆加固，水玻璃为速凝材料，可以起到快速凝结的作用。
（8）洞口注浆料达到凝固强度后，机头吊出后，洞口用轻型钢板直接焊接封闭，并设置临时支撑加固。
根据以上计算和分析，倒拔顶管施工风险可控，工期短，造价低。
5 逆向反顶质量控制要点
顶管机头与型钢焊接必须严格遵守相关焊接规程，焊接完成后必须进行探伤检测，保证钢结构焊接强度。
在施工过程中严格控制注浆料配合比、注浆量、注浆速度，做好完整记录，保证注入浆液填充体积大于空体体积。
合理设置沉降观测点，严密监测周边环境的各种变形数据，出现异常沉降及时报监理及业主，保证工程的安全和避免对周围环境造成过大的影响，确保工程的顺利进行。
反顶至龙门洞口处时，为防止机头拔出后隧道塌方，必须等双注浆材料完全凝结并达到预定强度后，方可继续反顶。机头出洞口前，可从地面沿洞口垂直方向打拉森钢板桩进行支护，防止洞口内注浆材料强度不足坍塌至工作井内。
参考文献
[1]余彬泉 陈传灿 顶管施工技术[M] 北京：人民交通出版社 2003
[2]建筑结构荷载规范 GB 50009-2012
[3]钢结构设计规范 GB 50017-2003
[4]吉建华 俞锦山 反向顶套管处理顶管“死管”事故的实践 中华民居 2011（10）