長距離地鐵隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)研究

趙志龍

摘要：在簡述隧道頂管施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了長距離地鐵隧道頂管在軸向測量方法、頂管機頂進偏差控制、管節(jié)頂進速度與注漿控制、頂管軸向偏差控制等方面的隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)，通過頂管偏差糾正實例，驗證了該項技術(shù)可以應(yīng)用到長距離地鐵隧道頂管施工項目中，具備可行性和適用性，可供頂管工程施工技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；頂管施工；軸向測量；糾偏控制；技術(shù)研究

1? ?隧道頂管施工技術(shù)概述

頂管法施工的工作原理是利用頂管機主頂液壓缸產(chǎn)生的推力，推動管節(jié)從工作井出發(fā)，穿過土體向接收井頂進的施工方法。在頂管施工之前，需預(yù)先制作管道施工所需的管節(jié)，開挖一個垂直的工作井和一個接收井。將頂管機在工作井中設(shè)置好后，把管節(jié)逐個吊入工作井，通過頂管機主頂液壓缸提供的巨大推力，將每個管節(jié)順序頂壓至土體的頂進面，直到最前面的管節(jié)露出接收井為止。先開挖土體，后頂進管節(jié)，并將多余的土方運走。就這樣，將一根管節(jié)頂入地層后，再把另一根管節(jié)抬入工作井繼續(xù)頂進[1]。

頂管施工技術(shù)是一種最大限度減少挖掘地面進行地下管線鋪設(shè)的施工方法。當(dāng)前，頂管施工技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到了地鐵隧道施工當(dāng)中，并作為一種有效的技術(shù)手段，實現(xiàn)了在地鐵領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。針對地鐵隧道頂管施工應(yīng)用的實際情況，開展了長距離地鐵隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)研究。

2? ?隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)

2.1? 隧道頂管軸向測量方法

在進行長距離地鐵隧道頂管施工時，頂進方向容易出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，進而造成頂進軸線與設(shè)計軸線之間產(chǎn)生偏差。為確保施工精度，必須及時掌握頂管施工頂進軸線變化參數(shù)。長距離地鐵隧道頂管施工的頂進速度通常在2.2～3.0m/h范圍內(nèi)。為了確保頂管機在運行時的實際頂進方向與設(shè)計軸線方向一致，需對其頂進方向和機頭位置進行測量[2]。平面偏移是指頂管軸向與設(shè)計中心線之間的偏移量，可以用“-”表示左偏，用“+”表示右偏。頂管機頂進過程中產(chǎn)生的軸向平面偏差，如圖1所示。

當(dāng)頂管機頭部的平面偏差為10mm，頂管機端部的平面偏差為5mm，平面趨勢偏差為1mm/m時，在不糾偏的情況下，繼續(xù)向前推進1m，這時頂管機頭部的平面偏差將變成11mm，頂管機端部的平面偏差為6mm，平面趨勢偏差依然為1mm/m[3]。所以，在頂管機頂進過程中，應(yīng)盡可能使傾角的數(shù)值維持在“0”左右，其絕對值不應(yīng)過大。

將頂管機的坐標(biāo)系建立在x、y、z坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系是以頂管機的頭部為基準(zhǔn)，以切割中心為坐標(biāo)原點，將其橫置于頂管機的頭部。在沒有變形的情況下，以頭部的尾部中心到切割中心的軸線設(shè)為x軸，其垂直方向設(shè)為z軸，結(jié)合左手坐標(biāo)確定y軸[4]。

假設(shè)某一點A的大地坐標(biāo)系坐標(biāo)為（X、Y、Z），其頂管機坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（x、y、z）。在頂管機的坐標(biāo)系當(dāng)中，大地坐標(biāo)系中的方向余弦矩陣和角度之間的關(guān)系如公式（1）所示。

θ=cosα·cosγ-sinα·sinβ·sinγ? ? ? ?（1）

式中：θ表示從大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到頂管機坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)；α表示頂管機坐標(biāo)系中的頂管施工頂進俯仰角；β表示頂管機坐標(biāo)系中的頂管施工頂進回轉(zhuǎn)角；γ表示頂管機坐標(biāo)系中的頂管施工頂進方位角。根據(jù)上述關(guān)系，得到點在大地坐標(biāo)系和頂管機坐標(biāo)系中的坐標(biāo)關(guān)系如表（2）所示。

（2）

式中：μ表示尺度比。結(jié)合上述2種坐標(biāo)系，確定μ的取值為1。根據(jù)上述公式，實現(xiàn)對頂管施工頂進偏差的測量。

2.2? ?頂管機頂進偏差控制

2.2.1? ?偏差的產(chǎn)生

由于頂管頂進機的斷面較大、其前端阻力較大，在實際工作中，即使管節(jié)頂進了很久，但每次安裝一個管節(jié)或添加一個墊塊，在主頂液壓缸回縮時，頂管機的機頭和所頂管節(jié)都要向后移動20～30cm。在頂管機向后移動時，頂管機與管節(jié)之間的壓力平衡被打破，二者之間沒有了穩(wěn)定的支撐，很容易導(dǎo)致頂管機前方的土層塌陷[5]。如果不采取相應(yīng)的措施，將很難有效地控制管節(jié)的偏差和沉降。

2.2.2? ?控制方法

為了實現(xiàn)對頂管施工頂進姿態(tài)的控制，避免管節(jié)倒退，在前底座的兩邊都安裝1套制動裝置，在主頂液壓缸推完行程、加上墊塊或管節(jié)的時候，將銷插入管節(jié)的吊裝孔中，在銷座與底座的后支柱之間放上鋼墊塊和鋼板。管節(jié)的收縮力經(jīng)銷座及襯墊，傳至制動器后拉桿上[6]。

止回器與基座焊接在一起，以保證管節(jié)的穩(wěn)定性。根據(jù)以往大斷面長方形頂管施工的經(jīng)驗，所需的止回器質(zhì)量為2t。為了減少管道斷面的回縮力，可以在管道斷面上安裝鎖扣，這樣可以將管道斷面前緣的土壓力降低到0.09MPa左右。

2.3? ?管節(jié)頂進速度與注漿控制

2.3.1? ?頂進速度控制

在頂管施工初期，要將頂進速度控制在5～10mm/min，不能太快；在正常頂管施工過程中，頂進速度可以控制在10～20mm/min。在頂管施工中，應(yīng)嚴(yán)格避免土方超挖、欠挖現(xiàn)象。通常情況下，頂管的排土量應(yīng)保持在理論計算值的98%以上，出土方式是利用吊運設(shè)備將其輸送至地面。

2.3.2? ?注漿控制

為了降低管節(jié)外部與土體之間的摩擦阻力、防止地面發(fā)生沉降，在管節(jié)頂進過程中需要向管節(jié)外部與其周圍土體之間的空隙內(nèi)注入事先配置好的泥漿。注漿分為機頭注漿和管道補漿兩部分。在管節(jié)頂進施工時，使用壓漿泵首先在工具管尾部的注漿孔注漿，注漿量根據(jù)管節(jié)頂進長度和估算的管節(jié)外部空隙計算，一般實際注漿量應(yīng)是計算注漿量的1.5倍以上。

2.4? ?頂管軸向偏差控制

2.4.1? ?糾偏原則

頂管的頂進施工，要堅持“多測量、多糾偏、緩糾偏”的原則，以確保頂管頂進施工的準(zhǔn)確順利進行。在實際頂管施工中，常出現(xiàn)頂管軸線偏離設(shè)計軸線的情況。在長距離地鐵隧道頂管施工中，當(dāng)軸線偏離標(biāo)準(zhǔn)值很大時，會增加糾偏的難度。因此在頂管施工過程中，應(yīng)實時對施工軸線進行嚴(yán)格控制。一般情況下，頂管施工時，必須隨時對其進行糾斜。采用糾斜措施后，管道的頂進軸線與設(shè)計軸線之間的偏差就會大大減小，并可使二者保持在同一條軸線上。當(dāng)頂進軸線發(fā)生偏移時，要適時調(diào)整糾偏缸的伸縮，從而逐漸降低頂進軸線與設(shè)計軸線的偏移值，恢復(fù)到設(shè)計軸線的位置。

2.4.2? ?糾偏方法

頂管機的結(jié)構(gòu)通常為“二段一鉸”，對頂管進行糾偏實際上是對頂管機進行調(diào)整，使其產(chǎn)生彎曲角度，從而達(dá)到糾偏目的。結(jié)合頂管機的長度和橫截面直徑，確定頂管機糾偏的靈敏度，其計算公式如下：

（3）

式中：δ表示頂管機的糾偏靈敏度；L表示頂管機的長度；D表示頂管機的橫截面直徑。

在頂管機的糾偏系統(tǒng)包含4臺糾偏液壓缸和控制閥組。4臺糾偏缸在頂管機殼體上均布，將頂管機前、后2段殼體連接為一體，從而使頂管機在某一位置均可實現(xiàn)任意角度的糾偏。4個控制閥分別以控制4臺糾偏缸。每臺糾偏缸的前、后腔各有一組平衡閥。當(dāng)液壓泵停止運轉(zhuǎn)時，糾偏缸的前、后腔油道由平衡閥關(guān)閉，以保持糾偏缸的壓力在某一范圍內(nèi)，從而確保糾偏動作的可靠性。

3? ?頂管偏差糾正實例

為驗證上述長距離地鐵隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)是否具備可行性，本文以昌盛路段頂管區(qū)間工程項目為實例，在其進行隧道頂管施工過程中，按照上述控制技術(shù)實施施工測量，并對頂管偏差進行糾正和控制。

3.1? ?工況概況

昌盛路段頂管工程位于坪山區(qū)龍坪路與站前路交匯口西南方向，包括昌盛路1座工作井、昌盛路1座接收井和昌-昌頂管區(qū)間，該工程設(shè)計的起終點里程為KE0+016～KE0+214.232，全長198.232m。該工程頂管施工現(xiàn)場如圖2所示。

該頂管工程的工作井位于現(xiàn)狀新和一路南側(cè)端頭位置，其寬度為12.3m，其長度為15.5m。工作井東北方向臨近地鐵16號線坪山站至六聯(lián)村站區(qū)間的盾構(gòu)隧道，其最短平面距離為17.7m。

該頂管工程的接收井位于現(xiàn)狀龍坪路與站前路交匯口西南方向約100m，臨近綜合井，其寬度為10.16m，其長度為16.78m。

該頂管工程的頂管區(qū)間全長為166.3m，管節(jié)外部寬度為7.7m，長度為4.5m，管節(jié)覆土深度在3.3～5.4m之間。頂管區(qū)間于KE0+020～KE0+120段臨近或上跨地鐵16號線坪山站至六聯(lián)村站盾構(gòu)區(qū)間，左線最短垂直距離為8.28m、右線最短垂直距離為7.75m。

3.2? ?應(yīng)用效果分析

應(yīng)用上述隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)，對昌盛路段頂管工程進行了測量及糾偏。在施工過程中，設(shè)置了5組人為設(shè)定的偏差值。應(yīng)用本文研究的技術(shù)對該頂管工程進行實際糾偏，形成了糾偏數(shù)據(jù)。效果進行分析，并記錄為表1。

由表1可知，同一組數(shù)據(jù)中，人為設(shè)定的糾偏值過大；而實際應(yīng)用本文技術(shù)的糾偏值進行糾偏，其各個方向上的糾偏值均未超過0.15°。按照該糾偏值糾偏后，能夠有效提高長距離地鐵隧道頂管的施工精度，進而促進整個頂管施工質(zhì)量的提高。

上述頂管施工實例證明，本文設(shè)計的隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)，可以應(yīng)用到長距離地鐵隧道頂管施工項目中，具備很好的可行性和適用性。

4? ?結(jié)束語

通過地鐵隧道頂管施工實例，驗證了本文提出的隧道頂管軸向測量和偏差控制技術(shù)的可行性和適用性。通過該項技術(shù)的應(yīng)用，可以精確糾正頂管過程中的偏移問題，可有效避免人工操作造成的糾偏量過大問題。在后續(xù)的研究中，還將結(jié)合光學(xué)測量方法，為糾偏控制提供更加準(zhǔn)確的基準(zhǔn)，避免出現(xiàn)累積誤差，進一步提高測量和糾偏精度。

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