中繼環聯動系統在超長距離曲線頂管中的施工應用*

毛海明 張海鋒 徐玉夏

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233； 2. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433；3. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200433

近年來頂管施工已經廣泛應用到供水、排水、電力等市政、工業領域[1]。一方面，隨著頂管施工水平的逐步提高，頂管長度越來越長，曲線頂管越來越常見，頂管應用在了越來越多以前不曾到過的地方；另一方面，隨著我國經濟持續穩定地增長，城市化進程將進一步加快，我國的地下管線的需求量也在逐年增加，一些行業對于管線的鋪設有著更高的要求，比如近海排放口的安裝，往往需要遠離陸地長達4 km以上，目前最長距離的頂管還遠未達到這個指標，所以，超長距離頂管還有很大的發展空間[2]。

1 中繼環的主要作用

超長距離頂管施工能夠完成，依賴于各個系統的高標準運行，而在頂進系統中最重要的組成部分就是中繼環接力頂進。中繼環的主要作用是增加頂管施工的總頂力，從而使得更長距離的頂管能夠得以實現，除此以外還有其他多項功能，主要功能有以下幾個方面。

1.1 增加總頂力

頂進過程中，后座油缸不可能無限制地增加頂力，在側壁摩阻力一定情況下，長度達到一定距離后后座將無法提供足夠的頂力來繼續頂進，此時啟用中繼環可將頂進過程中越來越長的頂管分割為幾個部分來單獨頂進，解決了頂進問題，增加了總頂力。

1.2 頂力分布更為平均

使用中繼環后，每個中繼環僅需頂進整條頂管其中一段距離的管節，即只需克服一小段距離管節的側壁摩阻力即可完成頂進。尤其是比較靠近工作井的管節受力將大大降低，這對于超長距離頂管來說很重要。因為越靠近工作井，這里土體被擾動的時間越長，在大頂力頂進過程中，若洞口附近土質條件較差，就更容易產生問題。

1.3 有利于超長距離曲線頂管頂進

城區頂管往往會遇到平面上的曲線頂管，穿越江河通向水域的管道則常為垂直方向的曲線頂管。無論是水平面向的還是垂直方向的一般均稱為曲線頂管。頂力沿直線傳遞這種屬性，使得曲線頂管在超長距離條件下會給頂管工程增加許多難度。中繼環在曲線段內不僅可以降低局部位置的頂力，而且可以略微調整頂力的方向，這對超長距離曲線頂管來說有著積極的意義。

綜合來說，中繼環在超長距離頂管中的作用是極高的，但在使用方面還需結合實際針對性地設立啟用方式。

2 存在的問題及分析

傳統的中繼環控制方法為前一環頂進完成后，操作人員電話通知后一環接力頂進，如此反復，“蠕動”式的向前進（圖1），但這對于超長距離頂管來說，存在著巨大的弊端：頂進效率低。這種操作方法在多只中繼環啟用的頂管工程中存在很多問題，而且這種問題會在更大中繼環啟用規模的頂管中演變成無法頂進的局面。

圖1 傳統中繼環啟動流程

頂管中繼環的控制效率問題和很多方面都有關系，比如通訊方面，環與環之間溝通不暢會導致中繼環啟動時間滯后，從而影響了頂進效率；比如回彈方面，若頂管回彈量過大（尤其是混凝土頂管），又會使得單次頂進距離縮短。以上這些都會大幅降低頂管施工的效率。

3 解決方案

3.1 建立聯動系統

中繼環聯動系統是對同時啟用3 個及以上中繼環來說的，它可大大提高中繼環的使用效率。仍然以圖1的例子來說，改進后見圖2。

圖2 中繼環聯動控制

上圖2中中繼環3頂進完成后，中繼環1直接啟動的同時，后座也同步頂進，形成了環1和后座的聯動。可以看出雖然啟動了3 個中繼環，加上后座總共有4 個頂進區間，但實際上消耗頂進時長的只有3 個區間，相當于效率提高了25％，而且隨著啟用中繼環數量的增加，效率的提高會更為明顯。

當然，在選擇啟用中繼環方面也有更為靈活的選擇，比如環1與環2的間距距離較長，或者摩阻力足夠大，在環1頂進過程中不至于會讓環2閉合，那么就可以使得環1和環3形成聯動，環2和后座形成聯動（視具體情況設置），這種情況下效率會提高50％。

3.2 建立PLC系統控制平臺

中繼環啟用的設置依賴于現場的實際情況，在聯動系統中，對已經啟用的中繼環參數設置更為復雜，涉及到中繼環允許進尺長度以及允許頂力。

隨著近些年設備控制工藝的提高，尤其是PLC工控系統在頂管設備控制方面的應用，為中繼環聯動創造了一個極佳的平臺。

中繼環聯動系統由兩部分組成：PLC控制系統以及傳感器。上海市污水治理白龍港片區南線東段工程中一段混凝土頂管長度達2 080 m，且為曲線頂管，在全線設置了16 只中繼環。所有中繼環都納入到了PLC控制系統管理之下，如圖3所示。

圖3 PLC控制系統

傳感器包括中繼環油泵車的壓力變送器以及位移傳感器，主要用來檢測中繼環的工作油壓，并對壓力進行統計；位移傳感器安裝于中繼環的左右以及上部，對中繼環的行程進行測量，在曲線段還測出中繼環的張縫值。

3.3 過程參數調節

中繼環聯動系統的本質就是“多點同時頂進”，即在頂進過程中，能夠實現多個中繼環同時工作，從而大幅提高頂管的施工效率。

圖4 中繼環聯動實例

中繼環的頂進參數調整將影響到多個方面，包括油壓、位移、頂進時間以及形成聯動的具體中繼環。

在圖4中可以看出頂管同時啟用了8 只中繼環共9 個頂進區間，形成了三級的聯動，也就是說同時可以有3 個區間進行頂進。從時間上來說相當于僅僅啟用了3 只中繼環。這個效率的提升是巨大的，將頂進效率提升了3 倍。在這條2 080 m的頂管中，中繼環聯動系統起到了極為重要的作用。

4 結語

采用上述中繼環聯動系統應用于白龍港超長距離曲線頂管，最終使得頂管順利進行，不僅完成了超長距離頂管，而且極大的提高了施工效率，為以后更長距離的頂管積累了寶貴經驗。