泥水平衡頂管施工精度控制分析研究

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正文：

1.工程概況

城北大道及中關村大道污水管網工程位于江蘇省溧陽市江蘇中關村科技產業園內，為現狀城市道路污水管網建設工程。本工程包括江蘇中關村園區城北大道北側和中關村大道東側兩段污水主管道施工，總長3.27km。其中城北大道（環園西路-泓盛路）K1+300-K3+030段采用泥水平衡頂管施工法，全長1730m。頂管管材采用內徑800mm地混凝土頂管，管節接口采用F-B型接口。

2.泥水平衡頂管施工原理

頂管掘進機在工作井內兩個主頂油缸頂進下，頂管機頭緩慢地穿過預留洞口及橡膠止水圈，進入土層。頂管機頭中的電動機帶動切削刀盤轉動，通過切削土體穿越土層。頂管機頭前部的土質，石塊等在轉動的切削刀盤內被粉碎成小顆粒后進入機頭泥水艙，這些土石顆粒在泥水艙內和進水管流進的水混合后形成泥漿，泥漿系統的排泥泵將艙內泥漿抽出經管道內排泥管輸送至地面泥漿池。頂管機內的土壓平衡裝置在整個頂進過程中維持機頭及前部水土平衡，使其始終處于主動與被動土壓之間，防止施工地面發生沉降和隆起。當頂管機完全進入土體后，主頂油缸縮回至初始狀態，拆掉主電纜、視頻線、進水管、出漿管，吊下第一節頂進管，重新接上主電纜、視頻線、進水管、出漿管，主頂油缸繼續頂進。這個過程不斷重復，所有管節頂進土體，工作井和接收井實現貫通，一條永久性的地下管道便施工完成。

頂管機運用激光導向控制系統掌控著頂管的標高和方向。頂管機開頂前，將經緯儀安裝在之前定位的管道軸線上，并調整經緯儀投射的激光束至設計標高和軸線方向，激光束投射到前方頂管機頭上的激光靶上形成光點。前方激光靶上的動態影像通過管道內的視頻線傳輸到操控室的顯示屏上。操作者根據顯示屏上反映的激光束動態位置來及時地調整頂管機前部4個內置式油缸進行伸縮，調整刀盤部分上下左右的角度來實現頂管糾偏的目的。頂管機的糾偏系統在整個頂進過程中可以將頂管的軸線及標高控制在水平、垂直±30cm的精度范圍內。

3 研究目的

3.1 頂管施工難點多

1.地質報告顯示頂管區域內地質情況復雜，頂管需穿越4-2黏土和4-4粉質黏土，局部區域存在流沙，這對頂管線型控制提出了更高的要求。

2.本工程中騎馬井采用現澆混凝土沉井，頂管穿越騎馬井時機頭由于四周土壓不平衡發生偏移。

3.頂管需穿越多條主干道，且道路兩旁存在燃氣管、電力管、供水管等多種管線，給頂管施工增加了難度。

3.2 頂管線型控制要求嚴格

1.設計圖紙中規定頂管工具管開始頂進5～10m的范圍內，軸線位置3mm，高程0～+3mm，當超過允許偏差時，應采取措施糾正。

2.本工程工作井到接收井距離160m，接收井預埋頂管接收口套管內徑=混凝土頂管外徑D+300mm，管線必須將偏移量控制在15cm之內才能順利出洞到達接收井。

3.3 污水管線密封性要求高

給水排水管道工程施工及驗收規范9.11中規定污水管道必須經嚴密性試驗后方可投入運行。

4 頂管精度控制

4.1 偏位預防

4.1.1 根據不同地質調整頂力

在長距離頂管過程中，頂管機可能會穿越多種地質情況，只有根據不同地質情況實時地調節后臺千斤頂的頂力，才能保證頂管機頂進的連續性和穩定性，以避免出現脫節、偏位等問題。給水排水管道工程施工及驗收規范《GB 50268-2008》中頂管頂進阻力計算公式如下：

通過實驗確定；對于采用觸變泥漿減阻技術的按表4.1-1選用；

表1 采用觸變泥漿的管外壁單位面積平均摩擦阻力

4.1.2 穿越騎馬井回填夯實

頂管施工中必須保證掘進機前方及上方的土體平衡，本工程中騎馬井為現澆混凝土沉井，在當頂管機穿越騎馬井時，為保證頂管機四周土體壓力平衡不發生偏移，頂管管頂以上3.5m內須回填黏土，且夯實密實度不小于90%。

4.1.3 進出洞口前頂管機頭防下沉

頂管機頭由于自重較大，在進出洞口及遇到流砂等不良地質時容易發生“磕頭”現象，因此需對頂管設備及地質情況進行針對性的改良。

1.進出洞口土體改良

頂管機從工作井頂出預留洞口進入土體和從土體進入接收井時，采用高壓旋噴樁對進出洞口一定范圍內土體進行加固止水，提高地基土的承載力，防止頂管機“磕頭”和流砂現象。加固范圍管道兩側、管底、管頂從管邊算起均不小于2.0倍管外徑，沿管道縱向3m。高壓旋噴樁φ600，縱橫向間距400，搭接200，水泥摻量35%。

2.頂管設備改良

頂管頂進時為防止出現不良地質時地基承載力急劇下降，頂管機工作井進入洞口前將頂管機和后續管材聯成一個可調節剛性連接，以增加其剛性和整體性，從而可避免機頭突然沉陷。

頂管出洞時為防止較重的頂管機在出洞時產生“磕頭”現象，一方面可在洞口下部填一些硬質黏土或者用低標號砼在洞內下部澆一塊托板，把頂管機托起；也可在出洞口外安裝一副短的延伸導軌，也可把頂管機托起。

4.2.頂管糾偏

4.2.1 糾偏原理

頂管糾偏是在管道頂進過程中管道標高及軸線偏離設計位置后，利用糾偏油缸將管道線型糾正至設計位置的一個動態調整過程。頂管機前部分為糾偏段和機身段兩部分，糾偏段位于頂管機后部，在上下左右各安裝有糾偏油缸，操控室通過調整油缸頂的頂力和伸縮量來實現糾偏。頂管機在糾偏力矩的作用下，糾偏段和機身段之間的環形超挖間隙發生變化，機頭的頂進阻力便失去了原有的平衡，在后方頂推力和土壓力的共同作用下，迫使機身和后續管節向糾偏偏轉的方向前進。

圖2 糾偏動態示意圖

糾偏示意圖反映了頂管機糾偏的一個動態過程，圖a中管道在頂進過程在豎直方向上放生了偏移，軸線需要向下調整；圖b中頂管機前部開始向下糾偏，頂管機機身段下降導致機頭與第一節管的上部間隙增大。此時頂管機的假定糾偏角是β1，糾偏段與原管道軸線夾角為α1；圖c中管道繼續頂進，頂管機與第一節管之間的下部間隙隨著管道的頂進慢慢變小直至消失。這時頂管機糾偏段與原管道軸線的夾角由α1變為α2，且α2＞α1。此時管道軸線的偏移得到了有效控制不再擴大，并隨著隨后的頂進過程開始減少；圖d中管道繼續頂進，頂管機前部緩慢地向管道設計軸線靠攏，后續管段進入彎曲段，頂管機與第一節管段之間的上部間隙增加，第一節和第二節管的間隙進入彎曲段后，上部間隙也會相應增加，頂管機糾偏段與后續管道軸線的夾角由α2增大到α3，并有α3＞α2＞α1，即管道線型與設計軸線之間的夾角逐漸減小，從而實現糾偏的目的。

4.2.2 糾偏原則

1.動態糾偏，頂管糾偏應在頂進過程中進行。

2.勤糾微糾，糾偏角不宜過大，否則會造成軸線彎曲過大導致管接口開口漏水。

3.首節管質量要牢靠，因為首節管要承受頂管機糾偏時產生的反復應力，而且最大。

4.首節管長度不宜過長，管段越短越有利于糾偏，管段過長會影響糾偏的靈敏度。

5.標不離靶，任何時候激光束都不要離開標靶，否則會造成偏差過大甚至糾偏失控。

6.頂管機糾偏效果滯后，激光靶測點和機頭前段有一定的距離。

4.2.3 糾偏措施

在頂管施工過程中，頂管機操作人員應持續觀察顯示屏、指示燈和工作井內的情況，盡可能將偏差控制在可控范圍內，并及時記錄顯示屏中頂管的偏差值。糾偏應根據偏差的方位采取相應地措施，一般按照水平和豎直方向進行劃分。正常情況下，頂管機發生偏位時，應根據頂管機前部激光靶反饋的偏位結果調節糾偏油缸，并及時進行調整。

當激光靶上的光點偏離靶心時，我們一般結合成熟的糾偏經驗采取反方向糾偏法，利用糾偏油缸提供的反向力矩來實現頂管糾偏。但為數不多的時候，這種經驗性的反方向糾偏法效果并不明顯，甚至會造成糾偏失控。糾偏失控時，我們逆向思維運用激光束跟蹤光靶的方法將頂管線型調整回來。具體做法如下：當光點脫離激光靶時，工作井中的測量員立即重新調整經緯儀使激光束重回靶心。頂管操作者應結合測量員提供的水平、豎直偏移角度以及顯示屏中光點在激光靶中移動方向和位移量實時調整糾偏油缸，從而實現精確糾偏。在這個復雜的糾偏過程中，測量工作和糾偏工作必須保證同時同步、連續進行、微量調整。

結合本工程實際情況介紹激光束跟蹤光靶糾偏處理法，激光束脫靶發生在W6-W8段，該段全長160m，設計坡度1‰。頂管施工前，測量員根據設計圖紙中管線設計坡度及管內底標高將經緯儀調整完畢，初始水平角為α0，初始垂直角為β0（設計值），此時激光束處于靶心。頂管頂進時，頂管操作者根據顯示屏中激光束和靶心的相對位置實時控制糾偏油缸以確保頂管精度。在頂進距離=L處頂管機發生磕頭，激光束脫離激光靶。測量員重新調整經緯儀后，激光靶束回歸靶心，此時經緯儀的水平角為α1，偏移角度為Δα，計算得知機頭水平方向偏移距離為L0；垂直角度為β1，偏移角度為Δβ，計算得知豎直方向偏移距離為H0。計算方法如下：

ΔL：水平偏移量；S：頂進總長度；Δα：糾偏前后水平角變化值

ΔH：垂直偏移量；S：頂進總長度；Δβ：糾偏前后垂直角變化值

圖3 激光束跟蹤光靶示意圖

從距離=L處，開始頂進時，頂管操作員根據測量數據糾偏，當頂完第一節后，測量員再次將經緯儀激光束調整至靶心，同時觀測水平角和垂直角，與上次觀測角度作對比，計算出α；β，依據上述公式計算出水平糾偏值 (ΔL1)和垂直糾偏值(ΔH1)，當第二節管頂完后，按同樣辦法計算出水平糾偏值(ΔL2)和垂直糾偏值(ΔH2)。以此類推，將每節管道糾偏量相加：ΔL=ΔL1+ΔL2+……，ΔH=ΔH1+ΔH2+……。

當ΔL≈L0，ΔH≈H0時，糾偏目的基本實現，使偏移的激光束按設計軌跡回到了激光靶上。

5.結束語

在城市高速發展的過程中，頂管施工已經是應用十分廣泛的一項施工技術。在泥水平衡頂管施工過程中，精度控制是極其重要的一環，糾偏前要對可能對頂管產生偏差的因素進行科學系統的分析，并有針對性地采取預防措施，當管線發生偏位時，則需采取及時有效的糾偏措施以防糾偏失控。本文結合工程實例，總結了泥水平衡頂管施工過程精度控制的經驗，有效地預防了可能出現的管線偏差、也能在管線偏位時及時糾偏，確保頂管施工的工期和質量，以期為今后類似工況下頂管施工提供借鑒。