泥水平衡顶管施工精度控制分析研究

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正文：

1.工程概况

城北大道及中关村大道污水管网工程位于江苏省溧阳市江苏中关村科技产业园内，为现状城市道路污水管网建设工程。本工程包括江苏中关村园区城北大道北侧和中关村大道东侧两段污水主管道施工，总长3.27km。其中城北大道（环园西路-泓盛路）K1+300-K3+030段采用泥水平衡顶管施工法，全长1730m。顶管管材采用内径800mm地混凝土顶管，管节接口采用F-B型接口。

2.泥水平衡顶管施工原理

顶管掘进机在工作井内两个主顶油缸顶进下，顶管机头缓慢地穿过预留洞口及橡胶止水圈，进入土层。顶管机头中的电动机带动切削刀盘转动，通过切削土体穿越土层。顶管机头前部的土质，石块等在转动的切削刀盘内被粉碎成小颗粒后进入机头泥水舱，这些土石颗粒在泥水舱内和进水管流进的水混合后形成泥浆，泥浆系统的排泥泵将舱内泥浆抽出经管道内排泥管输送至地面泥浆池。顶管机内的土压平衡装置在整个顶进过程中维持机头及前部水土平衡，使其始终处于主动与被动土压之间，防止施工地面发生沉降和隆起。当顶管机完全进入土体后，主顶油缸缩回至初始状态，拆掉主电缆、视频线、进水管、出浆管，吊下第一节顶进管，重新接上主电缆、视频线、进水管、出浆管，主顶油缸继续顶进。这个过程不断重复，所有管节顶进土体，工作井和接收井实现贯通，一条永久性的地下管道便施工完成。

顶管机运用激光导向控制系统掌控着顶管的标高和方向。顶管机开顶前，将经纬仪安装在之前定位的管道轴线上，并调整经纬仪投射的激光束至设计标高和轴线方向，激光束投射到前方顶管机头上的激光靶上形成光点。前方激光靶上的动态影像通过管道内的视频线传输到操控室的显示屏上。操作者根据显示屏上反映的激光束动态位置来及时地调整顶管机前部4个内置式油缸进行伸缩，调整刀盘部分上下左右的角度来实现顶管纠偏的目的。顶管机的纠偏系统在整个顶进过程中可以将顶管的轴线及标高控制在水平、垂直±30cm的精度范围内。

3 研究目的

3.1 顶管施工难点多

1.地质报告显示顶管区域内地质情况复杂，顶管需穿越4-2黏土和4-4粉质黏土，局部区域存在流沙，这对顶管线型控制提出了更高的要求。

2.本工程中骑马井采用现浇混凝土沉井，顶管穿越骑马井时机头由于四周土压不平衡发生偏移。

3.顶管需穿越多条主干道，且道路两旁存在燃气管、电力管、供水管等多种管线，给顶管施工增加了难度。

3.2 顶管线型控制要求严格

1.设计图纸中规定顶管工具管开始顶进5～10m的范围内，轴线位置3mm，高程0～+3mm，当超过允许偏差时，应采取措施纠正。

2.本工程工作井到接收井距离160m，接收井预埋顶管接收口套管内径=混凝土顶管外径D+300mm，管线必须将偏移量控制在15cm之内才能顺利出洞到达接收井。

3.3 污水管线密封性要求高

给水排水管道工程施工及验收规范9.11中规定污水管道必须经严密性试验后方可投入运行。

4 顶管精度控制

4.1 偏位预防

4.1.1 根据不同地质调整顶力

在长距离顶管过程中，顶管机可能会穿越多种地质情况，只有根据不同地质情况实时地调节后台千斤顶的顶力，才能保证顶管机顶进的连续性和稳定性，以避免出现脱节、偏位等问题。给水排水管道工程施工及验收规范《GB 50268-2008》中顶管顶进阻力计算公式如下：

通过实验确定；对于采用触变泥浆减阻技术的按表4.1-1选用；

表1 采用触变泥浆的管外壁单位面积平均摩擦阻力

4.1.2 穿越骑马井回填夯实

顶管施工中必须保证掘进机前方及上方的土体平衡，本工程中骑马井为现浇混凝土沉井，在当顶管机穿越骑马井时，为保证顶管机四周土体压力平衡不发生偏移，顶管管顶以上3.5m内须回填黏土，且夯实密实度不小于90%。

4.1.3 进出洞口前顶管机头防下沉

顶管机头由于自重较大，在进出洞口及遇到流砂等不良地质时容易发生“磕头”现象，因此需对顶管设备及地质情况进行针对性的改良。

1.进出洞口土体改良

顶管机从工作井顶出预留洞口进入土体和从土体进入接收井时，采用高压旋喷桩对进出洞口一定范围内土体进行加固止水，提高地基土的承载力，防止顶管机“磕头”和流砂现象。加固范围管道两侧、管底、管顶从管边算起均不小于2.0倍管外径，沿管道纵向3m。高压旋喷桩φ600，纵横向间距400，搭接200，水泥掺量35%。

2.顶管设备改良

顶管顶进时为防止出现不良地质时地基承载力急剧下降，顶管机工作井进入洞口前将顶管机和后续管材联成一个可调节刚性连接，以增加其刚性和整体性，从而可避免机头突然沉陷。

顶管出洞时为防止较重的顶管机在出洞时产生“磕头”现象，一方面可在洞口下部填一些硬质黏土或者用低标号砼在洞内下部浇一块托板，把顶管机托起；也可在出洞口外安装一副短的延伸导轨，也可把顶管机托起。

4.2.顶管纠偏

4.2.1 纠偏原理

顶管纠偏是在管道顶进过程中管道标高及轴线偏离设计位置后，利用纠偏油缸将管道线型纠正至设计位置的一个动态调整过程。顶管机前部分为纠偏段和机身段两部分，纠偏段位于顶管机后部，在上下左右各安装有纠偏油缸，操控室通过调整油缸顶的顶力和伸缩量来实现纠偏。顶管机在纠偏力矩的作用下，纠偏段和机身段之间的环形超挖间隙发生变化，机头的顶进阻力便失去了原有的平衡，在后方顶推力和土压力的共同作用下，迫使机身和后续管节向纠偏偏转的方向前进。

图2 纠偏动态示意图

纠偏示意图反映了顶管机纠偏的一个动态过程，图a中管道在顶进过程在竖直方向上放生了偏移，轴线需要向下调整；图b中顶管机前部开始向下纠偏，顶管机机身段下降导致机头与第一节管的上部间隙增大。此时顶管机的假定纠偏角是β1，纠偏段与原管道轴线夹角为α1；图c中管道继续顶进，顶管机与第一节管之间的下部间隙随着管道的顶进慢慢变小直至消失。这时顶管机纠偏段与原管道轴线的夹角由α1变为α2，且α2＞α1。此时管道轴线的偏移得到了有效控制不再扩大，并随着随后的顶进过程开始减少；图d中管道继续顶进，顶管机前部缓慢地向管道设计轴线靠拢，后续管段进入弯曲段，顶管机与第一节管段之间的上部间隙增加，第一节和第二节管的间隙进入弯曲段后，上部间隙也会相应增加，顶管机纠偏段与后续管道轴线的夹角由α2增大到α3，并有α3＞α2＞α1，即管道线型与设计轴线之间的夹角逐渐减小，从而实现纠偏的目的。

4.2.2 纠偏原则

1.动态纠偏，顶管纠偏应在顶进过程中进行。

2.勤纠微纠，纠偏角不宜过大，否则会造成轴线弯曲过大导致管接口开口漏水。

3.首节管质量要牢靠，因为首节管要承受顶管机纠偏时产生的反复应力，而且最大。

4.首节管长度不宜过长，管段越短越有利于纠偏，管段过长会影响纠偏的灵敏度。

5.标不离靶，任何时候激光束都不要离开标靶，否则会造成偏差过大甚至纠偏失控。

6.顶管机纠偏效果滞后，激光靶测点和机头前段有一定的距离。

4.2.3 纠偏措施

在顶管施工过程中，顶管机操作人员应持续观察显示屏、指示灯和工作井内的情况，尽可能将偏差控制在可控范围内，并及时记录显示屏中顶管的偏差值。纠偏应根据偏差的方位采取相应地措施，一般按照水平和竖直方向进行划分。正常情况下，顶管机发生偏位时，应根据顶管机前部激光靶反馈的偏位结果调节纠偏油缸，并及时进行调整。

当激光靶上的光点偏离靶心时，我们一般结合成熟的纠偏经验采取反方向纠偏法，利用纠偏油缸提供的反向力矩来实现顶管纠偏。但为数不多的时候，这种经验性的反方向纠偏法效果并不明显，甚至会造成纠偏失控。纠偏失控时，我们逆向思维运用激光束跟踪光靶的方法将顶管线型调整回来。具体做法如下：当光点脱离激光靶时，工作井中的测量员立即重新调整经纬仪使激光束重回靶心。顶管操作者应结合测量员提供的水平、竖直偏移角度以及显示屏中光点在激光靶中移动方向和位移量实时调整纠偏油缸，从而实现精确纠偏。在这个复杂的纠偏过程中，测量工作和纠偏工作必须保证同时同步、连续进行、微量调整。

结合本工程实际情况介绍激光束跟踪光靶纠偏处理法，激光束脱靶发生在W6-W8段，该段全长160m，设计坡度1‰。顶管施工前，测量员根据设计图纸中管线设计坡度及管内底标高将经纬仪调整完毕，初始水平角为α0，初始垂直角为β0（设计值），此时激光束处于靶心。顶管顶进时，顶管操作者根据显示屏中激光束和靶心的相对位置实时控制纠偏油缸以确保顶管精度。在顶进距离=L处顶管机发生磕头，激光束脱离激光靶。测量员重新调整经纬仪后，激光靶束回归靶心，此时经纬仪的水平角为α1，偏移角度为Δα，计算得知机头水平方向偏移距离为L0；垂直角度为β1，偏移角度为Δβ，计算得知竖直方向偏移距离为H0。计算方法如下：

ΔL：水平偏移量；S：顶进总长度；Δα：纠偏前后水平角变化值

ΔH：垂直偏移量；S：顶进总长度；Δβ：纠偏前后垂直角变化值

图3 激光束跟踪光靶示意图

从距离=L处，开始顶进时，顶管操作员根据测量数据纠偏，当顶完第一节后，测量员再次将经纬仪激光束调整至靶心，同时观测水平角和垂直角，与上次观测角度作对比，计算出α；β，依据上述公式计算出水平纠偏值 (ΔL1)和垂直纠偏值(ΔH1)，当第二节管顶完后，按同样办法计算出水平纠偏值(ΔL2)和垂直纠偏值(ΔH2)。以此类推，将每节管道纠偏量相加：ΔL=ΔL1+ΔL2+……，ΔH=ΔH1+ΔH2+……。

当ΔL≈L0，ΔH≈H0时，纠偏目的基本实现，使偏移的激光束按设计轨迹回到了激光靶上。

5.结束语

在城市高速发展的过程中，顶管施工已经是应用十分广泛的一项施工技术。在泥水平衡顶管施工过程中，精度控制是极其重要的一环，纠偏前要对可能对顶管产生偏差的因素进行科学系统的分析，并有针对性地采取预防措施，当管线发生偏位时，则需采取及时有效的纠偏措施以防纠偏失控。本文结合工程实例，总结了泥水平衡顶管施工过程精度控制的经验，有效地预防了可能出现的管线偏差、也能在管线偏位时及时纠偏，确保顶管施工的工期和质量，以期为今后类似工况下顶管施工提供借鉴。