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01 前言
在钢筋混凝土排水管的埋设工艺中，顶进法施工已经是比较普遍和成熟的一种施工方法，但在施工过程中，也难免有时会发生一些施工事故，比如管材破损、开裂等，笔者在之前的文章中也对相应的问题进行过讨论和分析。有一种施工事故比较少见，也容易被忽略。这就是顶进法施工过程中，在管子中部出现环向裂缝，严重时会直接折断，特别是小口径顶管更容易发生。
一旦出现这种情况，顶进法施工就会出现困难（管内渗漏、管材破损等），甚至顶进失败，大家又无法解释原因，更不知道如何防范。
02 施工原因分析
管材施工中出现环向开裂，从力学角度来看，其实原因也很明显：就是管子承受了纵向的弯矩。当管子的规格较小、长度和直径的比例较大时，管身更容易出现开裂，明显地：管径越小、管壁越薄、长度越大，管子折断就越容易。
那施工中的弯矩又是从哪里来的？我们来逐一分析。
2.1 纠偏引起
首先，顶进法施工中不可避免会需要进行纠偏，当顶管机头在前方掘进、出现方向偏差趋势时，就要启动纠偏油缸、让机头“转弯”，从而修正顶进的方向，在纠偏动作中管子会由于要跟着机头“拐弯”而承受“弯折力”（也就是弯矩），纠偏角度越大、土质越硬、弯矩就越大。
2.2 机头引起
其次，施工初始阶段，机头穿过工作井井壁进入到土层时，往往容易出现“磕头”现象，即机头因为重量较大，土层承载力不足，机头出现下沉、前端向下栽的现象。特别是机头全部进入土层后，后面的几节管子要承担起“撬起机头”的重任，去弥补土层承载力不足，从而造成在管子端部产生了一个较大的“弯折力”，甚至在机头刚出去就把机头后的管子折断了。或者已经造成管子外壁环向开裂（不明显或者没看到），继续顶进后管子在纠偏过程中才出现更严重的环向开裂甚至折断。
2.3 沉降引起
另外，在淤泥等软弱土层中顶进，又没有做管线底部基础处理的，随着管线的延长，甚至在管线顶通后，管线还会慢慢下沉，而中部下沉最大，造成整条管线由于弯曲而产生“弯折力”（弯矩），也会造成管子的开裂和折断。
03 管材原因分析
除了主要的施工原因外，混凝土管本身的质量及设计也是引起环向开裂的内在因素之一，这又与管身混凝土的强度以及纵向钢筋的配置、管子长度等有关。
3.1 纵向钢筋配置不合理
按照国标GB/T11836-2023《混凝土和钢筋混凝土排水管》的要求：纵向钢筋不少于6根，直径不小于4.0mm，环向间距不大于400mm，配筋位置宜在距管内壁2/5处，壁厚大于100mm的管子，应采用双层配筋。很多生产厂家不重视纵筋的作用，特别是小口径管单层配筋时，常采用满足生产要求的最低标准来配置，导致了管子的纵向抗弯能力不足。
当然，“纵向抗弯能力”这个指标不在国标的技术要求内，所以往往就被忽略了。且很多生产厂家也不明白纵向钢筋对于截面抗弯的作用和机理，更谈不上设计了。
在管子承受弯矩后，部分截面就可能变成受拉区域（图4中管断面的顶部），由于纵向钢筋靠近管内壁，混凝土的抗拉承载力又很低，在钢筋还没有受力、发挥其作用前，管身混凝土（外表面）已经开裂（环向）。从实际的工程经验看，出现环裂的主要是Φ1000以下的规格，其共同特点就是：都是单层配筋。
3.2 单节管子长度过大
再说说管子的长度，顶进用管子一般采用F型钢承口接头型式较多，管子在纠偏或“撬起”机头时，所承受的作用力都是在管子两端（接头），因此管子越长，力矩就越大，管身产生的弯矩也就越大。比如说，在机头从工作井穿出、进入软土层后，后面跟着的管要“撬起”机头不下沉，管子就要承受弯矩。
用Wj表示顶管机头重量，Lx表示管子最大悬出井壁距离（除0.5米卡在井壁，Lx=管长度-0.5），F1表示土层对机头的承托力（浮力），那么管子承受的弯矩大概计算为:M=(Wj-F1)×Lx
这种情况下，管子越长，即Lx越大，M也就越大，这也就解释了为什么2.5米及以上长度的管子发生环向开裂较多，实际施工中，也都是2.5米或3米长度的管子出现环向开裂问题。
3.3 混凝土强度等级不足
按照国标GB/T11836-2023《混凝土和钢筋混凝土排水管》的要求，顶管管身混凝土强度等级不应低于C45，一般设计时会控制在C50及以上等级。从结构设计规范表4.1.3-2中可以看到。C45的混凝土抗拉强度标准值2.51，C60的混凝土抗拉强度标准值为2.85，提高比例达到13.5%。而混凝土的抗拉强度直接影响管子受弯时的抗裂能力，如混凝土强度偏低，其抵抗弯矩的能力也就低，也就容易出现环向开裂或破损。
04 预防措施
根据以上的分析，要预防顶进施工中管子的环向开裂和折断，我们可以考虑以下几个方面的措施。
4.1 做好施工方案和技术监督。
施工是造成顶进施工中管材破损的主要原因，往往占到绝大部分的比例，施工队伍的技术水平高低、现场操作是否规范、措施是否足够等都应认真考虑和选择。
4.1.1 施工中要遵循“勤纠微调”的原则，在管子发生偏向趋势时就及时小幅纠偏，在管子发生回头趋势时就要减小纠偏、或停止纠偏，强调“看趋势”、“小幅纠偏”，避免出现大的纠偏角度、轴线反复来回弯折，造成管子之间出现过大转角。
4.1.2 在软弱土层顶进时，可以延长轨道，伸出井外，或者在洞口外加固土层，防止顶管机头出井后“磕头”下沉。也可以把机头后面几节管连接起来，并用型钢等加固，形成长串的受力整体，避免机头后的管子因单独作用“撬起”机头而折断。
4.1.3 在软弱土层中顶进时，应对管线进行基础处理，加固管底的土层，避免过程中及施工完成后管线出现下沉。在施工过程中，不能长时间停机，避免机头下沉。完成后，整条管线要拉紧、顶住，特别是两个井位的头尾管，应予以固定，阻止管线下沉。
4.2 提高混凝土强度。
提高管身混凝土强度等级，即提高混凝土的抗拉强度和抵抗开裂的能力，可以明显提高管子的纵向抗弯能力，从而抵抗更大的纠偏力和施工中产生的其他弯折力。实践中很多厂家都已经把顶进管用的混凝土强度等级提高到C60或更高。
4.3 加强纵向配筋。
以上分析中没有考虑纵筋发挥的作用，是因为钢筋布置在内侧。对于截面的抗弯计算，按照结构设计规范，受力钢筋应该是布置在截面的外侧，也就是靠近管外的位置，才能发挥其作用。对于Φ1000及以下规格的管子，采用单层配筋、靠内布置，即使加大纵向钢筋的配筋量，对于提高抗弯能力的帮助也很小。
所以，对于有抗弯要求的小口径顶管，建议改为双层配筋（要适当增大壁厚），外层的钢筋可以采用较小的保护层厚度（20mm），这样更能保证管子的纵向抗弯能力。即使在极端情况下，管子也只是外壁轻微开裂、不至于折断。
4.4 缩短管子的长度。
为了方便纠偏、曲线顶进等，我们也可以采用较短的管子，把管子长度调整为1.0m、1.5m、2.0m等，这样也可以减小管子转弯时承受的弯矩，这也是较为常见的和最容易实现的措施。
4.5 加大管子壁厚。
从以上分析我们可以看出，加大壁厚一方面满足配置双层钢筋的生产要求，同时在结构上也大大提高了管子的纵向刚度和抗裂性能。据了解，实际应用中有部分的厂家就采用了加大壁厚的小口径顶管，出现环向开裂的情况就很少。
05 总结
对于小口径的顶进法施工用管子，特别是曲线顶进法施工用的管子、连接机头的前面几节管子、管线容易下沉时用的管子、土质变化大不容易保证直线顶进（需要经常纠偏加大纠偏）时用的管子…等，针对这些可能出现受弯的顶进用管子，生产时可以根据自身条件和实际情况，采取以上建议预防措施的其中一种或几种同时实施，减少管子在顶进施工中出现环向开裂、折断的事故。
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