长距离地铁隧道顶管轴向测量和偏差控制技术研究

赵志龙

摘要：在简述隧道顶管施工技术的基础上，详细阐述了长距离地铁隧道顶管在轴向测量方法、顶管机顶进偏差控制、管节顶进速度与注浆控制、顶管轴向偏差控制等方面的隧道顶管轴向测量和偏差控制技术，通过顶管偏差纠正实例，验证了该项技术可以应用到长距离地铁隧道顶管施工项目中，具备可行性和适用性，可供顶管工程施工技术人员参考。

关键词：地铁隧道；顶管施工；轴向测量；纠偏控制；技术研究

1   隧道顶管施工技术概述

顶管法施工的工作原理是利用顶管机主顶液压缸产生的推力，推动管节从工作井出发，穿过土体向接收井顶进的施工方法。在顶管施工之前，需预先制作管道施工所需的管节，开挖一个垂直的工作井和一个接收井。将顶管机在工作井中设置好后，把管节逐个吊入工作井，通过顶管机主顶液压缸提供的巨大推力，将每个管节顺序顶压至土体的顶进面，直到最前面的管节露出接收井为止。先开挖土体，后顶进管节，并将多余的土方运走。就这样，将一根管节顶入地层后，再把另一根管节抬入工作井继续顶进[1]。

顶管施工技术是一种最大限度减少挖掘地面进行地下管线铺设的施工方法。当前，顶管施工技术已经逐渐应用到了地铁隧道施工当中，并作为一种有效的技术手段，实现了在地铁领域的广泛应用。针对地铁隧道顶管施工应用的实际情况，开展了长距离地铁隧道顶管轴向测量和偏差控制技术研究。

2   隧道顶管轴向测量和偏差控制技术

2.1  隧道頂管轴向测量方法

在进行长距离地铁隧道顶管施工时，顶进方向容易出现偏转，进而造成顶进轴线与设计轴线之间产生偏差。为确保施工精度，必须及时掌握顶管施工顶进轴线变化参数。长距离地铁隧道顶管施工的顶进速度通常在2.2～3.0m/h范围内。为了确保顶管机在运行时的实际顶进方向与设计轴线方向一致，需对其顶进方向和机头位置进行测量[2]。平面偏移是指顶管轴向与设计中心线之间的偏移量，可以用“-”表示左偏，用“+”表示右偏。顶管机顶进过程中产生的轴向平面偏差，如图1所示。

当顶管机头部的平面偏差为10mm，顶管机端部的平面偏差为5mm，平面趋势偏差为1mm/m时，在不纠偏的情况下，继续向前推进1m，这时顶管机头部的平面偏差将变成11mm，顶管机端部的平面偏差为6mm，平面趋势偏差依然为1mm/m[3]。所以，在顶管机顶进过程中，应尽可能使倾角的数值维持在“0”左右，其绝对值不应过大。

将顶管机的坐标系建立在x、y、z坐标系中，该坐标系是以顶管机的头部为基准，以切割中心为坐标原点，将其横置于顶管机的头部。在没有变形的情况下，以头部的尾部中心到切割中心的轴线设为x轴，其垂直方向设为z轴，结合左手坐标确定y轴[4]。

假设某一点A的大地坐标系坐标为（X、Y、Z），其顶管机坐标系的坐标为（x、y、z）。在顶管机的坐标系当中，大地坐标系中的方向余弦矩阵和角度之间的关系如公式（1）所示。

θ=cosα·cosγ-sinα·sinβ·sinγ       （1）

式中：θ表示从大地坐标系转换到顶管机坐标系的转换系数；α表示顶管机坐标系中的顶管施工顶进俯仰角；β表示顶管机坐标系中的顶管施工顶进回转角；γ表示顶管机坐标系中的顶管施工顶进方位角。根据上述关系，得到点在大地坐标系和顶管机坐标系中的坐标关系如表（2）所示。

（2）

式中：μ表示尺度比。结合上述2种坐标系，确定μ的取值为1。根据上述公式，实现对顶管施工顶进偏差的测量。

2.2   顶管机顶进偏差控制

2.2.1   偏差的产生

由于顶管顶进机的断面较大、其前端阻力较大，在实际工作中，即使管节顶进了很久，但每次安装一个管节或添加一个垫块，在主顶液压缸回缩时，顶管机的机头和所顶管节都要向后移动20～30cm。在顶管机向后移动时，顶管机与管节之间的压力平衡被打破，二者之间没有了稳定的支撑，很容易导致顶管机前方的土层塌陷[5]。如果不采取相应的措施，将很难有效地控制管节的偏差和沉降。

2.2.2   控制方法

为了实现对顶管施工顶进姿态的控制，避免管节倒退，在前底座的两边都安装1套制动装置，在主顶液压缸推完行程、加上垫块或管节的时候，将销插入管节的吊装孔中，在销座与底座的后支柱之间放上钢垫块和钢板。管节的收缩力经销座及衬垫，传至制动器后拉杆上[6]。

止回器与基座焊接在一起，以保证管节的稳定性。根据以往大断面长方形顶管施工的经验，所需的止回器质量为2t。为了减少管道断面的回缩力，可以在管道断面上安装锁扣，这样可以将管道断面前缘的土压力降低到0.09MPa左右。

2.3   管节顶进速度与注浆控制

2.3.1   顶进速度控制

在顶管施工初期，要将顶进速度控制在5～10mm/min，不能太快；在正常顶管施工过程中，顶进速度可以控制在10～20mm/min。在顶管施工中，应严格避免土方超挖、欠挖现象。通常情况下，顶管的排土量应保持在理论计算值的98%以上，出土方式是利用吊运设备将其输送至地面。

2.3.2   注浆控制

为了降低管节外部与土体之间的摩擦阻力、防止地面发生沉降，在管节顶进过程中需要向管节外部与其周围土体之间的空隙内注入事先配置好的泥浆。注浆分为机头注浆和管道补浆两部分。在管节顶进施工时，使用压浆泵首先在工具管尾部的注浆孔注浆，注浆量根据管节顶进长度和估算的管节外部空隙计算，一般实际注浆量应是计算注浆量的1.5倍以上。

2.4   顶管轴向偏差控制

2.4.1   纠偏原则

顶管的顶进施工，要坚持“多测量、多纠偏、缓纠偏”的原则，以确保顶管顶进施工的准确顺利进行。在实际顶管施工中，常出现顶管轴线偏离设计轴线的情况。在长距离地铁隧道顶管施工中，当轴线偏离标准值很大时，会增加纠偏的难度。因此在顶管施工过程中，应实时对施工轴线进行严格控制。一般情况下，顶管施工时，必须随时对其进行纠斜。采用纠斜措施后，管道的顶进轴线与设计轴线之间的偏差就会大大减小，并可使二者保持在同一条轴线上。当顶进轴线发生偏移时，要适时调整纠偏缸的伸缩，从而逐渐降低顶进轴线与设计轴线的偏移值，恢复到设计轴线的位置。

2.4.2   纠偏方法

顶管机的结构通常为“二段一铰”，对顶管进行纠偏实际上是对顶管机进行调整，使其产生弯曲角度，从而达到纠偏目的。结合顶管机的长度和横截面直径，确定顶管机纠偏的灵敏度，其计算公式如下：

（3）

式中：δ表示顶管机的纠偏灵敏度；L表示顶管机的长度；D表示顶管机的横截面直径。

在顶管机的纠偏系统包含4台纠偏液压缸和控制阀组。4台纠偏缸在顶管机壳体上均布，将顶管机前、后2段壳体连接为一体，从而使顶管机在某一位置均可实现任意角度的纠偏。4个控制阀分别以控制4台纠偏缸。每台纠偏缸的前、后腔各有一组平衡阀。当液压泵停止运转时，纠偏缸的前、后腔油道由平衡阀关闭，以保持纠偏缸的压力在某一范围内，从而确保纠偏动作的可靠性。

3   顶管偏差纠正实例

为验证上述长距离地铁隧道顶管轴向测量和偏差控制技术是否具备可行性，本文以昌盛路段顶管区间工程项目为实例，在其进行隧道顶管施工过程中，按照上述控制技术实施施工测量，并对顶管偏差进行纠正和控制。

3.1   工况概况

昌盛路段顶管工程位于坪山区龙坪路与站前路交汇口西南方向，包括昌盛路1座工作井、昌盛路1座接收井和昌-昌顶管区间，该工程设计的起终点里程为KE0+016～KE0+214.232，全长198.232m。该工程顶管施工现场如图2所示。

该顶管工程的工作井位于现状新和一路南侧端头位置，其宽度为12.3m，其长度为15.5m。工作井东北方向临近地铁16号线坪山站至六联村站区间的盾构隧道，其最短平面距离为17.7m。

该顶管工程的接收井位于现状龙坪路与站前路交汇口西南方向约100m，临近综合井，其宽度为10.16m，其长度为16.78m。

该顶管工程的顶管区间全长为166.3m，管节外部宽度为7.7m，长度为4.5m，管节覆土深度在3.3～5.4m之间。顶管区间于KE0+020～KE0+120段临近或上跨地铁16号线坪山站至六联村站盾构区间，左线最短垂直距离为8.28m、右线最短垂直距離为7.75m。

3.2   应用效果分析

应用上述隧道顶管轴向测量和偏差控制技术，对昌盛路段顶管工程进行了测量及纠偏。在施工过程中，设置了5组人为设定的偏差值。应用本文研究的技术对该顶管工程进行实际纠偏，形成了纠偏数据。效果进行分析，并记录为表1。

由表1可知，同一组数据中，人为设定的纠偏值过大；而实际应用本文技术的纠偏值进行纠偏，其各个方向上的纠偏值均未超过0.15°。按照该纠偏值纠偏后，能够有效提高长距离地铁隧道顶管的施工精度，进而促进整个顶管施工质量的提高。

上述顶管施工实例证明，本文设计的隧道顶管轴向测量和偏差控制技术，可以应用到长距离地铁隧道顶管施工项目中，具备很好的可行性和适用性。

4   结束语

通过地铁隧道顶管施工实例，验证了本文提出的隧道顶管轴向测量和偏差控制技术的可行性和适用性。通过该项技术的应用，可以精确纠正顶管过程中的偏移问题，可有效避免人工操作造成的纠偏量过大问题。在后续的研究中，还将结合光学测量方法，为纠偏控制提供更加准确的基准，避免出现累积误差，进一步提高测量和纠偏精度。

参考文献

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[4] 方志斌.顶管施工对既有地铁隧道安全影响研究[J]. 福建

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实测分析：以佛山市电力隧道顶管工程为例[J]. 隧道建设

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[6] 魏纲，郝威，魏新江，等.盾构隧道内竖向顶管施工室内模

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