趙志龍

摘要：在簡(jiǎn)述隧道頂管施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了長(zhǎng)距離地鐵隧道頂管在軸向測(cè)量方法、頂管機(jī)頂進(jìn)偏差控制、管節(jié)頂進(jìn)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(cè)量和偏差控制技術(shù)，通過(guò)頂管偏差糾正實(shí)例，驗(yàn)證了該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用到長(zhǎng)距離地鐵隧道頂管施工項(xiàng)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(cè)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(jī)主頂液壓缸產(chǎn)生的推力，推動(dòng)管節(jié)從工作井出發(fā)，穿過(guò)土體向接收井頂進(jìn)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(kāi)挖一個(gè)垂直的工作井和一個(gè)接收井。將頂管機(jī)在工作井中設(shè)置好后，把管節(jié)逐個(gè)吊入工作井，通過(guò)頂管機(jī)主頂液壓缸提供的巨大推力，將每個(gè)管節(jié)順序頂壓至土體的頂進(jìn)面，直到最前面的管節(jié)露出接收井為止。先開(kāi)挖土體，后頂進(jìn)管節(jié)，并將多余的土方運(yùn)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(jìn)[1]。

頂管施工技術(shù)是一種最大限度減少挖掘地面進(jìn)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(shí)現(xiàn)了在地鐵領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。針對(duì)地鐵隧道頂管施工應(yīng)用的實(shí)際情況，開(kāi)展了長(zhǎng)距離地鐵隧道頂管軸向測(cè)量和偏差控制技術(shù)研究。

2? ?隧道頂管軸向測(cè)量和偏差控制技術(shù)

2.1? 隧道頂管軸向測(cè)量方法

在進(jìn)行長(zhǎng)距離地鐵隧道頂管施工時(shí)，頂進(jìn)方向容易出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而造成頂進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線之間產(chǎn)生偏差。為確保施工精度，必須及時(shí)掌握頂管施工頂進(jìn)軸線變化參數(shù)。長(zhǎng)距離地鐵隧道頂管施工的頂進(jìn)速度通常在2.2～3.0m/h范圍內(nèi)。為了確保頂管機(jī)在運(yùn)行時(shí)的實(shí)際頂進(jìn)方向與設(shè)計(jì)軸線方向一致，需對(duì)其頂進(jìn)方向和機(jī)頭位置進(jìn)行測(cè)量[2]。平面偏移是指頂管軸向與設(shè)計(jì)中心線之間的偏移量，可以用“-”表示左偏，用“+”表示右偏。頂管機(jī)頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的軸向平面偏差，如圖1所示。

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

將頂管機(jī)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(jī)的頭部為基準(zhǔn)，以切割中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，將其橫置于頂管機(jī)的頭部。在沒(méi)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(diǎn)A的大地坐標(biāo)系坐標(biāo)為（X、Y、Z），其頂管機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（x、y、z）。在頂管機(jī)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(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換系數(shù)；α表示頂管機(jī)坐標(biāo)系中的頂管施工頂進(jìn)俯仰角；β表示頂管機(jī)坐標(biāo)系中的頂管施工頂進(jìn)回轉(zhuǎn)角；γ表示頂管機(jī)坐標(biāo)系中的頂管施工頂進(jìn)方位角。根據(jù)上述關(guān)系，得到點(diǎn)在大地坐標(biāo)系和頂管機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)頂管施工頂進(jìn)偏差的測(cè)量。

2.2? ?頂管機(jī)頂進(jìn)偏差控制

2.2.1? ?偏差的產(chǎn)生

由于頂管頂進(jìn)機(jī)的斷面較大、其前端阻力較大，在實(shí)際工作中，即使管節(jié)頂進(jìn)了很久，但每次安裝一個(gè)管節(jié)或添加一個(gè)墊塊，在主頂液壓缸回縮時(shí)，頂管機(jī)的機(jī)頭和所頂管節(jié)都要向后移動(dòng)20～30cm。在頂管機(jī)向后移動(dòng)時(shí)，頂管機(jī)與管節(jié)之間的壓力平衡被打破，二者之間沒(méi)有了穩(wěn)定的支撐，很容易導(dǎo)致頂管機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)頂管施工頂進(jìn)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(dòng)裝置，在主頂液壓缸推完行程、加上墊塊或管節(jié)的時(shí)候，將銷(xiāo)插入管節(jié)的吊裝孔中，在銷(xiāo)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(xiāo)座及襯墊，傳至制動(dòng)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(zhǎng)方形頂管施工的經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)速度與注漿控制

2.3.1? ?頂進(jìn)速度控制

在頂管施工初期，要將頂進(jìn)速度控制在5～10mm/min，不能太快；在正常頂管施工過(guò)程中，頂進(jìn)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(jì)算值的98%以上，出土方式是利用吊運(yùn)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(jìn)過(guò)程中需要向管節(jié)外部與其周?chē)馏w之間的空隙內(nèi)注入事先配置好的泥漿。注漿分為機(jī)頭注漿和管道補(bǔ)漿兩部分。在管節(jié)頂進(jìn)施工時(shí)，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(jìn)長(zhǎng)度和估算的管節(jié)外部空隙計(jì)算，一般實(shí)際注漿量應(yīng)是計(jì)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(jìn)施工，要堅(jiān)持“多測(cè)量、多糾偏、緩糾偏”的原則，以確保頂管頂進(jìn)施工的準(zhǔn)確順利進(jìn)行。在實(shí)際頂管施工中，常出現(xiàn)頂管軸線偏離設(shè)計(jì)軸線的情況。在長(zhǎng)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(shí)，會(huì)增加糾偏的難度。因此在頂管施工過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)對(duì)施工軸線進(jìn)行嚴(yán)格控制。一般情況下，頂管施工時(shí)，必須隨時(shí)對(duì)其進(jìn)行糾斜。采用糾斜措施后，管道的頂進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線之間的偏差就會(huì)大大減小，并可使二者保持在同一條軸線上。當(dāng)頂進(jìn)軸線發(fā)生偏移時(shí)，要適時(shí)調(diào)整糾偏缸的伸縮，從而逐漸降低頂進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏移值，恢復(fù)到設(shè)計(jì)軸線的位置。

2.4.2? ?糾偏方法

頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)通常為“二段一鉸”，對(duì)頂管進(jìn)行糾偏實(shí)際上是對(duì)頂管機(jī)進(jìn)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(jī)的長(zhǎng)度和橫截面直徑，確定頂管機(jī)糾偏的靈敏度，其計(jì)算公式如下：

（3）

式中：δ表示頂管機(jī)的糾偏靈敏度；L表示頂管機(jī)的長(zhǎng)度；D表示頂管機(jī)的橫截面直徑。

在頂管機(jī)的糾偏系統(tǒng)包含4臺(tái)糾偏液壓缸和控制閥組。4臺(tái)糾偏缸在頂管機(jī)殼體上均布，將頂管機(jī)前、后2段殼體連接為一體，從而使頂管機(jī)在某一位置均可實(shí)現(xiàn)任意角度的糾偏。4個(gè)控制閥分別以控制4臺(tái)糾偏缸。每臺(tái)糾偏缸的前、后腔各有一組平衡閥。當(dāng)液壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)作的可靠性。

3? ?頂管偏差糾正實(shí)例

為驗(yàn)證上述長(zhǎng)距離地鐵隧道頂管軸向測(cè)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(xiàng)目為實(shí)例，在其進(jìn)行隧道頂管施工過(guò)程中，按照上述控制技術(shù)實(shí)施施工測(cè)量，并對(duì)頂管偏差進(jìn)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(jì)的起終點(diǎn)里程為KE0+016～KE0+214.232，全長(zhǎng)198.232m。該工程頂管施工現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)度為15.5m。工作井東北方向臨近地鐵16號(hào)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(zhǎng)度為16.78m。

該頂管工程的頂管區(qū)間全長(zhǎng)為166.3m，管節(jié)外部寬度為7.7m，長(zhǎng)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(hào)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(cè)量和偏差控制技術(shù)，對(duì)昌盛路段頂管工程進(jìn)行了測(cè)量及糾偏。在施工過(guò)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(duì)該頂管工程進(jìn)行實(shí)際糾偏，形成了糾偏數(shù)據(jù)。效果進(jìn)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(guò)大；而實(shí)際應(yīng)用本文技術(shù)的糾偏值進(jìn)行糾偏，其各個(gè)方向上的糾偏值均未超過(guò)0.15°。按照該糾偏值糾偏后，能夠有效提高長(zhǎng)距離地鐵隧道頂管的施工精度，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)頂管施工質(zhì)量的提高。

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

4? ?結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)地鐵隧道頂管施工實(shí)例，驗(yàn)證了本文提出的隧道頂管軸向測(cè)量和偏差控制技術(shù)的可行性和適用性。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，可以精確糾正頂管過(guò)程中的偏移問(wèn)題，可有效避免人工操作造成的糾偏量過(guò)大問(wèn)題。在后續(xù)的研究中，還將結(jié)合光學(xué)測(cè)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(jìn)一步提高測(cè)量和糾偏精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐洪賢.市政橋梁隧道施工中盾構(gòu)頂管施工技術(shù)研究[J].中

國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2023，22（5）：22-24.

[2] 張仙明.上穿地鐵隧道的矩形頂管施工設(shè)計(jì)與安全風(fēng)險(xiǎn)控制

探究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2022，（23）：214-216.

[3] 肖旦強(qiáng)，張仕超，胡智，等.大斷面矩形頂管施工對(duì)近接斜

交既有隧道影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2022，59（S1）：441-

447.

[4] 方志斌.頂管施工對(duì)既有地鐵隧道安全影響研究[J]. 福建

建筑，2021，（11）：201-204.

[5] 牛國(guó)倫，馬保松，張鵬，等.大直徑頂管施工管土相互作用

實(shí)測(cè)分析：以佛山市電力隧道頂管工程為例[J]. 隧道建設(shè)

（中英文），2021，41（8）：1353-1360.

[6] 魏綱，郝威，魏新江，等.盾構(gòu)隧道內(nèi)豎向頂管施工室內(nèi)模

型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2022，44（1）：62-71.