港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道復雜曲線管幕頂管施工軌跡控制技術

高海東

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道復雜曲線管幕頂管施工軌跡控制技術

高海東

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

管幕工程是港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道的重要組成部分,曲線頂管是本工程核心技術之一，其成功與否將直接關系到項目的成敗。管幕下穿拱北口岸，埋深4～5 m，平均長度257.92 m，位于半徑890 m圓曲線和緩和曲線組成的組合曲線上，精度要求±50 mm，地表沉降要求小于30 mm，管幕所處地層地質條件復雜，周邊環境敏感，人流、車流眾多，管節軌跡控制難度大，軌跡精度控制是管幕工程難點之一。從頂管機設備選型、管節長度、F形接頭設計、測量控制、動態糾偏、始發接收控制、管節軌跡實際偏差等幾個方面介紹管幕軌跡控制技術。

海底隧道；曲線頂管；F形接頭；施工軌跡；測設控制

1 工程概況

管幕工程是港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道的重要組成部分，曲線頂管是本工程核心技術之一，其成功與否將直接關系到本項目的成敗，設計方案幾經修改完善，最終確定管幕工程由36根鋼管組成，另加1根0號試驗管，共37根，平均長度257.92 m，其中壁厚20 mm管節18根，壁厚24 mm管節19根，管節材料為Q235BZ鋼，管幕的橫斷面布置如圖1所示。管幕下穿拱北口岸，埋深4～5 m，管徑1 620 mm，位于半徑890 m圓曲線和緩和曲線組成的組合曲線上。

圖1 管幕橫斷面示意(單位：cm)

管幕所處地層地質條件復雜，周邊環境敏感，人流、車流密集，管節軌跡控制難度大，軌跡精度控制是管幕工程難點之一，管幕的軌跡精度偏差要求≤±50 mm，地面沉降要求控制在30 mm以內。目前管幕工程已完成0號、5號、29號管施工，管節軌跡精度偏差控制在要求范圍內。

2 管幕軌跡精準控制的影響因素

影響管幕軌跡精度控制的因素主要如下。

(1)管幕平均長度257.92 m，距離長，且位于緩和曲線和半徑890 m的圓曲線組成的組合曲線上，線形復雜。

(2)管幕所處地層地質條件復雜，有人工填土、淤泥質土、富水砂層等，且內含混凝土塊、漂石等障礙物，施工難度大。

(3)管幕直徑達1 620 mm，每節管節質量4.3 t，操作難度大。

(4)管幕埋深較深，承受的水壓大(最大水壓0.32 MPa)，安全風險高。

(5)周邊環境敏感，建筑物眾多，人流、車流密集，頂管期間要保證拱北口岸正常通關。

3 設備選型

頂管機使用德國海瑞克AVN1200TC泥水平衡頂管機，該頂管機為本工程專門設計，管徑1 620 mm，最大頂力6 000 kN，機頭后50 m處設中繼間，可提供4 500 kN頂力，其主要特點如下。

(1)頂管機分為前后兩段鉸結，可調間隙100 mm，間隔120°，布置有3個油缸，可依據機頭采集到的數據隨時進行動態糾偏。

(2)配置全自動UNS導向系統進行精準導向，并按設定的軌跡向前推進。

(3)配置了復合刀盤用以適應不同地層的需要，能處理一般的混凝土塊、小塊石等障礙物，并可穿過素混凝土墻。

(4)采用先進的泥水處理和自動絮凝系統，環保安全，對地層影響小。

4 總體測量方案

首先對始發端和接收端進行聯系測量，統一坐標系統，再通過全站儀，把坐標傳遞至海瑞克AVN1200TC頂管機自帶的UNS導向系統內。頂管過程中，根據機頭采集到的數據實時調整頂進方向，通過F形接頭實現動態糾偏，然后每20 m左右再進行1次人工測量校核，以人工測量為準。頂管始發和接收階段要根據頂管機姿態與軌跡線形做好姿態調整。

5 管節及F形接頭設計

5.1 管節長度設計

根據《頂管工程施工規范》(DG/TJ09—2049—2008)的要求，偏轉角度應≤0.3°，并綜合考慮鋼板定尺規格、管節焊接工作量、糾偏力作用下的穩定性、施工工藝等因素，確定管節基本長度采用4 m，經驗算偏轉角度為0.26°，能夠滿足規范要求，管節長度計算如圖2所示。

圖2 管節長度計算示意

5.2 F形接頭和木質墊塊

為保證頂進過程中鋼管能夠順利偏轉，兩節鋼管間采用F形接頭連接，接頭型式如圖3所示。另外承插口間設置木質墊塊(厚度20 mm，松木或其他材質的復合板均可)，其作用是保證在頂進過程中承插口能較好接合并通過內外壓力差形成楔形。

圖3 F形接頭(單位：mm)

5.3 限位螺栓

為滿足線形要求同時保證管節能夠形成有效鉸接，且不超過外側最大間隙的要求，采用M33螺栓連接，螺栓最大間隙預留7 mm，頂管結束后擰緊所有螺栓，現場的實際情況如圖4所示。

圖4 F形接頭及木墊塊

6 測量控制

管節頂進過程中的導向精度直接決定了管幕軌跡的精度，因此，要高度重視測量控制。測量控制分為3個方面：一是始發端和接收端的聯系測量，確保兩端采用的坐標在同一坐標系統內；二是頂管機自身的導向，采用海瑞克頂管機配套UNS自動導向系統；三是定期人工復核，修正頂管機UNS系統的姿態控制參數，及時糾偏。

6.1 導線聯測與井內聯系測量

6.1.1 始發端與接收端導線聯測

頂進工作開始前，始發端與接收端所用導線要進行聯測，結果符合要求后進行平差計算，按平差后坐標作為計算依據，用來指導后續施工。

6.1.2 井內聯系測量

聯測后，需要將坐標傳遞至工作井內。試驗管階段采用后方交會法測量，在井壁上布設4個控制點，置鏡于工作平臺上，后視4個控制點建站，建站完成后按支導線法向前施測。全面頂管階段采用井內投點法向管內傳遞坐標和高程。

6.2 UNS系統導向控制

UNS導向系統為AVN1200TC頂管機配套導向系統，最大偏差為1 mm/m。開始頂進前，把相應管幕對應的軌跡參數輸入到UNS系統內，作為初始頂進的參數，其機頭尾部有靶心，經靶心把坐標傳遞至頂管機內，過程中糾偏也以靶心作為傳遞介質，UNS系統激光靶見圖5。

圖5 UNS導向系統靶心示意

初始參數設置分3個部分：激光標靶參數設置(ELS)、高度傳感器設置(HWL)、激活陀螺儀(GNS)。通過ELS參數設置可以確定機器的狀態，與設計值比較，如有偏差進行及時調整；HWL高度傳感器實時反應頂進過程中的高程變化，指導操作人員動態調整操作參數；通過GNS系統輸入對應管幕對應曲線要素，確定管幕走向，指導頂進作業。

6.3 動態糾偏

頂管過程中，控制室顯示屏上能夠隨時顯示頂管機的偏位情況，操作人員要依據屏幕顯示的數據及時調整各項參數，并依據顯示的機頭偏差情況動態調整機頭姿態，保證機頭偏差控制在50 mm以內，顯示屏如圖6所示。另外，機頭形成軌跡空腔后，后續的管節即按空腔的軌跡前進，即使發生偏位，調整的可能性也很小，因此，確保機頭軌跡在偏差允許范圍內是軌跡控制的關鍵。

圖6 控制臺顯示屏

6.4 人工校核

頂管機在UNS導向系統支持下持續向前推進，每頂進20 m左右人工校核1次。人工校核時將全站儀建站于始發端工作平臺之上，按建立的支導線向前延伸。測量采用索佳SET1X全站儀，測距精度2 mm+2 ppm、測角精度為1″，高程采用S3水準儀測設，每次復測成果輸入UNS系統修正姿態控制參數。

7 始發與接收軌跡控制

7.1 始發控制

始發時，無論是自西向東還是自東向西頂進，均應采用曲線直頂方式，滿足3個鉸接后再啟用機頭糾偏功能，本工程取3個管節長度作為直頂段，如圖7所示，始發現場如圖8所示。這樣做的主要原因如下。

(1)由于始發端推進導軌、孔口管長度、井壁混凝土厚度、止水素混凝土墻厚度、頂管機機身長度及機械設備性能的影響，必須采用曲線直頂。

(2)始發時后背墻、推進油缸導軌道、孔口管應位于同一條直線之上，以保證管節居中穿過孔口管，均勻擠壓環形止水裝置，實現孔口有效止水，否則長距離頂進時易造成止水裝置失效。

(3)管幕穿過地連墻、素混凝土墻及始發端土體加固區時不方便糾偏。

圖7 始發段3段鉸接示意(單位：cm)

圖8 始發和接收現場

7.2 接收控制

接收時，為保證機頭姿態正確，距離破墻面20 m時，需對機頭姿態進行精確調整，以便使機頭準確落至接收艙內。姿態調整的參數有橫向偏差、高程、里程3項。

8 已完成管節軌跡偏差曲線

0號、5號、29號管節中心點軌跡偏差曲線如圖9所示，正值表示向南側偏移，負值向北側偏移，從圖中可知，3根管幕所有偏差均在±50 mm以內，可滿足設計要求。

圖9 0號、5號、29號管節軌跡偏差

9 不同地質條件頂進速度對軌跡的影響

從現場頂管的情況來看，淤泥段、黏土段的頂進速度為30～100 mm/min，富水砂層段為200～350 mm/min，推進速度相差較大。推進速度快的地段往往就是地層松軟，線形較難控制地段，從0號、5號、29號管節的施工來看，較大偏差出現在富水砂層段。因此，進入松軟砂層后要控制推進速度≤200 mm/min，同時人工復核頻率調整為1次/8 m。

10 結語

截止2013年12月，拱北隧道已順利完成0號、5號、29號管節施工，并形成了一套可靠的軌跡控制技術，已頂管節軌跡偏差均在50 mm以內，達到了設計意圖，對剩余管幕施工具有重要的指導意義，但仍有一些問題需要解決，如UNS系統與人工校核的匹配性、不同頂管順序對頂管精度的影響、后頂管對先頂管的軌跡影響、管節適當加長后精度控制方案等尚需在下一階段頂管時進一步研究和實踐。

[1] 楊慧林.北京地區采用新管幕工法修建深埋地鐵暗挖車站方案初探[J].鐵道標準設計，2012(12)：72-77.

[2] 王曉州.丁維利.王慶林.趙永明.初厚之.蘇杰.淺埋大斷面黃土隧道下既有穿鐵路施工技術[J].鐵道標準設計，2007(S1)：67-71.

[3] 胡友剛.北京地鐵10號線大直徑管幕穿越京包鐵路框架橋施工技術[J].鐵道標準設計，2008(12)：84-86.

[4] 沈桂平，曹文宏，楊俊龍，等.管幕法綜述[J].巖土工程界，2006，9 (2):27-29.

[5] 葛金科.飽和軟土地層中管幕法隧道施工方案研究[J].上海公路，2004(1)：38-43.

[6] 顏振聰.下穿鐵路隧道長大管幕施工精度控制技術[J].福建建筑，2010(2):113-115.

[7] 李耀良，張云海，李偉強.軟土地區管幕法工藝研究與應用[J].地下空間與工程學報，2011(10)：962-967.

[8] 程勇，劉繼國.拱北隧道設計方案[J].公路隧道，2012(3):34-38.

[9] 朱合華，閆治國，李向陽，等.飽和軟土地層中管幕法隧道施工風險分析[J].巖石力學與工程學報，2005，24(S2):5549-5554.

[10] 張吉兆，李武.鋼管幕頂進技術[J].建筑施工，2006，28( 12):1003-1005.

[11] 余晶，程勇，賈瑞華.港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道方案論證[J].現代隧道技術，2012(2):119-125.

[12] 葛金科，楊光輝，田晶.鋼管幕頂進高精度方向控制[J].巖土工程界，2005，9(2):37-39.

[13] 袁金榮，陳鴻.利用小口徑頂管機建造大斷面地下空間的一種新手段-管幕工法[J].地下工程與隧道，2004(1):23-26.

Trajectory Control over Complex Curve Pipe Jacking in Gongbei Tunnel on Zhuhai Macao Bridge Zhuhai Connecting Line

GAO Hai-dong

(China Railway 18thBureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 300222, China)

2013-12-05；

：2013-12-26

高海東(1974—)，男，高級工程師，1998年畢業于石家莊鐵道學院，工學學士。

1004-2954(2014)09-0106-04

U455.47

：B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.026