鋼管頂進施工滾動角與糾偏技術研究

路 剛

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 前言

小型頂管機將越來越多地被廣泛應用，是城市化建設的大勢所趨。頂管機施工與地理條件及地理位置緊密相關，淺埋深土層對施工要求更高。

太原市迎澤大街下穿火車站通道工程為全國首次采用管幕結構法施工，要在火車站正常運營的前提下，保質保量完成施工任務。要求頂管機精確無誤地按照設定的軸線頂進，淺埋深土層下復雜的環境[1－4]，對敞開式頂管機的糾偏造成了巨大的困擾。本文結合工程實踐，對敞開式頂管機滾動角與糾偏進行探討和研究。

2 工程概述及水文地質條件

(1)工程簡介

太原市迎澤大街下穿火車站通道建設工程是迎澤大街向東發展的主要通道，緩解了以火車站為城市中心的交通壓力，便捷了通往火車站的出行條件。主要施工任務為南北兩條車行通道，其中管幕段南通道長107.4 m，北通道長102.5 m，管幕段施工需要將20根φ2 000 mm的鋼管頂進，形成環形管幕作為永久支護，最淺埋深距火車股道2.7 m。施工過程中對可能遇到障礙物的淺埋深管幕采用敞開式頂管機，其余采用土壓平衡式頂管機施工。圖1為管幕鋼管布置圖。

圖1 管幕鋼管布置

(2)周邊環境

太原火車站是全國多條鐵路線的交匯點，改造后的太原站采用無柱雨棚，在站臺下殘留了部分原雨棚柱鋼筋混凝土基礎。南下穿通道需經過既有行包地道，北下穿通道需經過既有排水暗涵。下穿鐵路接觸網、通信、信號、電力等，太原火車站經過多次站場改造，下穿范圍內存在廢棄接觸網基礎、鋼筋混凝土樁基礎、軌枕、孤石、磚墻等障礙物。

(3)地質及水文

施工區屬于暖溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候區，四季分明。根據勘察資料顯示，施工區域地層上部以雜填土、素填土為主，下部為新黃土地層。施工區域內未見地表水，地下水主要賦存于新黃土、填土中，水位變化受大氣降水的影響有升降變化，新黃土滲透性等級為弱透水；雜填土、素填土滲透性等級為中等透水。

3 滾動角與糾偏原理

敞開式頂管機在淺埋深土層中施工，糾偏過程有很多不可預見的影響因素，常會發生意想不到的偏轉，致使頂管機不受控制從而不能按照既定軸線頂進，因此在頂進過程中要高度重視糾偏[5]。

敞開式頂管機通過調整四組鉸接油缸來進行糾偏。頂管機發生偏轉是因為頂管機的機頭受掌子面土體土質不同，產生的摩擦力不均勻而造成的。一般偏差分為三個方面:

(1)水平方向上的偏差:頂管機在水平方向上與設計軸線產生的方向偏差。

(2)高程方向上的誤差:頂管機在豎直方向上與設計軸線產生的高程誤差。

(3)自轉形成的滾動角:頂管機管壁受到的土體摩擦力不均勻，沿著設計軸線向摩擦力大的一側發生旋轉而產生的角度偏轉。

如果在頂進過程中機頭向一方偏轉，則將同偏轉方向的兩組鉸接油缸伸長，相反方向的兩組鉸接油缸縮短。如果自轉形成滾動角，軸線位置不受這種偏差影響。如果偏轉角度過大，會使頂管機不受控制，在頂進過程通過外加配重來調節滾動角，滾動角的方向與外加配重的方向剛好相反[6－10]。圖2為四組鉸接油缸布置示意圖。

圖2 四組鉸接油缸布置

4 滾動角與糾偏技術

4.1 偏轉原因分析

引起敞開式頂管機發生偏轉的因素比較多，主要原因有土質條件影響、工作井前后背墻的標準程度、安裝導軌的準確度、安裝壓力板與千斤頂及配套設備的準確度、頂管機始發的準確度、頂進過程挖機開挖的方式及對鉸接油缸糾偏的操作控制。具體形式如下:

(1)淺埋深地層土質復雜多樣，內含障礙物眾多，對頂進影響頗為嚴重。局部地層的障礙物致使管壁受力不均勻，導致頂管機產生偏轉和滾動角。

(2)工作井的前后背墻是基礎建設，預埋套筒中心線與設計軸線需重合，保證頂進精確始發。

(3)安裝導軌受人為因素影響較大，在安裝導軌前要精確測量放點，確保導軌中心與預埋套筒中心在同一垂直面。如果導軌安裝精度有誤差，頂進受力不均勻將發生偏轉。圖3為安裝導軌現場。

圖3 導軌安裝現場

(4)安裝壓力板要盡量保證豎向垂直，兩組頂進千斤頂油缸要平衡，配套頂進設備要安裝準確。

(5)頂進過程中對挖機的操作至關重要，如果操作不當極易發生偏轉；施工過程中土體開挖、土方運輸不規范，是造成管道頂進發生偏轉的直接原因。

(6)糾偏鉸接油缸操作不當，糾偏效果適得其反，并出現惡性循環。

(7)如果兩節管道在焊接時中心線不重合，造成焊接不均勻，在頂進過程由于受力不平衡而發生偏轉。圖4為管節調整現場。

圖4 管節調整現場

4.2 調整偏轉的目的

調整偏轉的目的就是改變頂管機當前的頂進方向和滾動角方向，頂進一定距離后頂進軸線與原有設定的軸線再次重合。在實際操作中，糾偏需要做到“勤糾、微糾”，并且要實時檢測。由于焊接的管節比較多，頂管機帶動后面的管節前進，頂管機方向發生偏轉后，后面的管節也會隨之偏轉。

4.3 調整偏轉的方式

在正常頂進時，四組鉸接油缸位置為均布設置，油缸伸長和收縮的長度相同，只有連續頂進才能調節鉸接油缸。調節過程應避免猛烈、野蠻的操作；除油缸糾偏外，也可以在開挖過程通過開挖取土技巧調整。如果在有滾動角的情況下糾偏，就要同時糾偏方向和糾偏角度。保證可觸變泥漿的注漿量有利于調整偏轉。圖5為糾偏姿態數據圖。

圖5 糾偏姿態數據

(1)水平方向糾偏

水平方向的糾偏相對簡單，在頂進過程中，同時調節1/2或3/4兩組油缸即可，見圖6。

圖6 水平方向糾偏

(2)高程方向上糾偏

高程方向上的糾偏可以通過開挖取土技巧調整，也可以通過調節鉸接油缸糾偏。如果頂進軸線高于設計軸線，開挖取土時保證掌子面穩定的情況下盡量將掌子面下部土體多開挖，這樣有利于頂管機低頭，促使頂管機頂進軸線回到設計軸線，見圖7。

圖7 高程方向上糾偏

(3)水平、高程方向同時糾偏

出現水平、高程方向同時偏轉的現象，則需要通過45°對角線控制鉸接油缸，在四組鉸接油缸保持初始位置的前提下，45°對角線控制時需要對另外兩組鉸接油缸成比例隨動，見圖8。

圖8 水平、高程方向同時糾偏

(4)滾動角調節

如果頂進過程中出現滾動角決不能忽視，滾動角過大會影響正常的頂進方向，甚至頂管機無法操作而失去平衡。具體要根據滾動角的方向通過外加配重調節，另外在導軌上焊接防扭轉鋼板也可以有效抑制滾動角增大。圖9為外滾動角調節方法，圖10為外加配重調節滾動角現場。

圖9 外滾動角調節

圖10 外加配重調節滾動角

(5)滾動角對糾偏的影響

存在滾動角的糾偏技術難度更高，不僅要考慮滾動角的調節方式，而且要在方向上進行糾偏，同時在外加配重的情況下進行水平、高程方向的糾偏。滾動角存在對糾偏有一定的干擾，滾動角越大影響越大，滾動角會使糾偏不能按照正常的糾偏軌跡頂進，因此糾偏要謹慎，不能急于求成。在糾偏前要畫好頂進軌跡分析圖，控制好糾偏量、糾偏距離，避免出現“過糾”。如果糾偏不能按照設想的軌跡回到設計軸線，需要停止頂進，研究針對性的頂進方法，不能盲目操作。

(6)滾動角的危害

敞開式頂管機不能靠刀盤反轉抵消滾動角，在頂進過程滾動角的存在危害很大[11－12]。在實際操作過程中，滾動角要及時調節，外加配重掛在與滾動角相反的反向。如果偏轉方向過大，會使頂管機管壁摩擦力急劇增大，千斤頂推力也會明顯增加，到一定程度后頂進將不能繼續，管節焊縫開裂，頂進設備損壞，這種危害是致命性的。

4.4 滾動角與糾偏的重要性

頂管機是隧道、地下工程的重要施工工具，消除滾動角和糾偏技術在施工過程中必不可少。進行糾偏施工時要認真分析機頭的偏差值，減小管道偏差值，謹慎糾偏，糾偏量越小對管壁周邊土體擾動越小，越有利于控制地層沉降。

在淺埋深土層土質突變時，糾偏和調節滾動角需結合土質變化情況減小頂進速度，實時觀察頂進數據，分析頂進姿態，微量調節。在偏差量較大時，應該緩慢糾偏。滾動角調節和糾偏技術是頂管成敗的關鍵，是整個工程的質量保證，在實際操作中一定要高度重視。

5 結束語

頂管機在太原下穿火車站工程中的應用，開啟了小型盾構機在隧道、地下工程的新篇章。在頂進施工過程中遇到淺埋深土層障礙物，通過開挖技術和調整偏轉技術，歷經10個月于2018年10月16日順利完成南北通道40根管幕段鋼管頂進施工，頂進軸線與設計軸線偏差在2 cm以內，滿足設計要求，取得了太原下穿火車站工程階段性的勝利。通過本次頂管施工，總結出關于調節滾動角和糾偏的技術措施，為以后類似頂管工程提供數據和技術依據。