长距离曲线顶管的技术处理

长距离曲线顶管的技术处理摘要：长距离、多曲线顶管是顶管的前沿技术,目前长距离曲线顶管各国尚处于研究发展阶段,曲率半径过小的曲线顶管受施工工艺和技术水平限制,还不能实施。

长距离曲线顶管在顶进过程中很容易偏离原有轨道，顶管内部的施工环境较差是影响施工进度的重要原因之一。

关键词：顶管、测量施工、纠偏、通风顶管施工是顶管铺管技术的一种，随着国外、国内的广泛应用，由于具有不开挖地面，能穿越公路、铁路、河流，甚至能在建筑物底下穿过的特点，当前是管道施工时最安全有效环境保护的施工方法。

曲线顶管是顶管工程的前沿技术，它适用于旧城改造中的管线埋设，在穿越河、海、己有地下管线时也常常使用。

一曲线顶管可以避免在不可开挖地段设置工作井，减少工程投资。

曲线顶管包括平面曲线和竖向曲线以及三维空间曲线。

长距离、多曲线顶管是顶管的前沿技术,目前长距离曲线顶管各国尚处于研究发展阶段,曲率半径过小的曲线顶管受施工工艺和技术水平限制,还不能实施。

管道的一次顶拖长度和弯曲半径的大小与土质、管径、顶力有很大的关系。

而管道能否按设计路线顶进测量是关键。

一．长距离曲线顶管的施工特点和易出现的问题长距离、多曲线顶管施工特点：(1)工作井至接收井距离较长,一般在500 m以上,管线由二个以上不同曲率半径的曲线组成。

(2)曲率半径大小由管径、管节长度决定,即管径大的顶管只能采用大曲率半径,在一般情况下,直径2 700以上顶管曲率半径不能小于500 m。

(3)适用于闹市区,车流量大,交通繁忙,且道路不直的路下排水工程。

(4)施工周期较长,速度较慢,适用于工期相对宽余的地下管道铺设工程。

长距离、多曲线顶管施工易出现的问题：一次顶进距离太长,顶进参数(土压力、顶进速度、出土量)较难控制,易于引起管内渗漏,造成地面异常沉降发生;曲线处,管节接触面间受力不均匀,易压碎管缝处混凝土,或管缝粘连不均匀,产生脱节;曲管轴心较难掌控,纠偏频繁,对地面沉降影响较大;管线长,管内潮湿,光线暗淡,测量容易产生较大误差;中继间设置相对较多,中继间增压油泵在潮湿不通风的环境下工作,电机易发热、油泵主塞头容易损坏。

二．长距离曲线顶管的测量施工和纠偏1．长距离曲线顶管的测量施工曲线顶管工程的施工是用可靠的平面和高程控制系统作保证,在施工阶段测量工作其主要任务是为工作井构造物现场定位、放样、安装、以及为施工顶进指向服务.故施工时要求测量工作应遵守从整体到局部的原则,曲线顶管施工测量是一项细致的工作它需要有足够的精度,否则就会给整个工程质量带来隐患.要特别注意对管底、检查井底标高复测,并定期复测施工用水准点以防由于控制点的变化而使施工发生返工现象.为检核和提高高程传递精度,在由地面向井下两个水准点传递时,采用两次仪器高进行观测,由不同的仪器高所求得的井下水准点高程的不符值不超过5 mm时取平均值.高程传递采用悬挂钢尺法,即在井中悬挂一把50 m钢尺,钢尺零段放入井中,并在该段挂一个15 kg重锤.在地面和井下各安置一台水准仪和水准尺观测3次,每次在同一时刻在钢尺上读数,同时量取地面及井下的温度,则井下水准点高程按下式计算.H地下=H地面+a-[(r1-r2)+Δt+ΔL]-b式中:H地面为地面水准点高程;a, b分别为地面水准尺和井下水准尺的读数;r1,r2为地面和井下钢尺的读数;Δt,ΔL为钢尺的温度改正数和尺长改正数.在施工过程中应特别注意从以下几个方面进行控制复核或旁站式观察：①曲线顶管轴线测定、建立工作井中心定位的平面控制;②施工水准测量,建立曲线顶管的高程控制;③顶进设备的安装和架设测量.并特别注意基坑工程中的定位和放样,严格进行基坑模板尺寸的检查、对于桩位的放样有条件尽可能采用坐标法放样,以保证顶进设备建立在正确位置,从而使基坑建造符合工程质量检测要求.曲线顶管的测量是曲线顶管的关键技术问题。

长距离、多曲线顶进时因管内外无法通视,因此必须改变常规的施工测量方法,经纬仪需要进管,但管道在施工过程中是不断向前移动的,因此测站的坐标也是在不断变化的。

要在测站坐标不断改变的情况下,随时随地指出管道前进方向,解决的办法有：1)管道内布置多台全站仪,依靠全站仪的优势,在短时间内通过计算机确定每站经纬仪的方向,指出管道顶进方向；2)管道内设置一台普通经纬仪,一个觇标,二者均布置在工具管的后部。

工具管上的标尺、经纬仪、后视觇标三者间保持一定的距离,并与管道固定,随管顶进而跟进。

经纬仪、后视觇标的中心坐标是根据事先测定的实际管轴线计算所得,工具管上的测点座标查设计轴线可得。

依靠这三者的关系就可算出管道的顶进方向,并由经纬仪指向。

管轴线的测定需要一台全站仪,管道每顶进数10 m,测定一次工具管后的管轴线,并输入计算机。

施工中可以根据顶进距离,推算出三者的即时坐标,通过计算机的运算就能指出工具管顶进方向；3)测量对曲线顶管的轨迹控制是至关重要的。

由于在曲线顶管的管内，测量仪器不能与机头通视，而且在顶进过程中，整体管道都是处在无规则动态，还会发生旋转现象。

所以如采用人工地下导线测量方法，不仅测量时顶管必须停止，而且工作量大，影响顶管进度。

在二次测量之间，只能盲目顶进，顶管质量难以得到可靠保证。

为此，我们开发了国内第一套顶管自动引导测量系统。

该系统由顶管工作井下一台固定于仪器墩上的自动全站仪[T1)及固定于井壁上的二个后视点(PI和PR)组成顶管贯通测量地下导线的起始基准点，按连续导线形式随顶管顶进的长度和线形，在管道内固定安置若干台自动全站仪(T2、T3…)及棱镜。

由离机头最近的全站仪最后测量固定安置于机头内的棱镜P1、P2的坐标，然后归算求得当前机头位置中心P0的坐标(X、Y、Z)。

所有全站仪均与安装于机头内的工业计算机(1PC)通过专用双向通讯电缆连接。

每一台全站仪的测量均按照由IPC机，然后由IPC机进行数据处理，并与设计图的管道中心轴线比较，在计算机屏幕上显示机头中心当前的位置，左右偏差、上下偏差、机头旋转角、10m内的机头中心轨迹线，当前机头位置的里程及测量的时间。

每测得一次机头的坐标，图形就刷新一次，“机头当前位置图”字体颜色改变一次，显示新值。

以三台全站仪，每刷新一次测量约4分钟。

系统周而复始进行测量，实现了机头的跟踪测量，做到“随测随纠”，有效地保证了顶管的质量并大大提高整体施工进度，效果特别明显。

图一、自动测量系统布置简图2．长距离曲线顶管纠偏管道偏离轴线主要是由于作用于工具管的外力不平衡造成的，外力不平衡的主要原因是：（1）推进的管线不可能绝对在一直线上；（2）管道曲面不可能绝对垂直于管道轴线；（3）管节之间垫板的压缩性不完全一致；（4）顶管迎面阻力的合力不一定与顶管后端推进顶力的合理重合一致；（5）推进的管道在发生挠曲时，沿管道纵向的一些地方会产生约束管道挠曲的附加抗力。

上述原因造成的直接结果就是顶管的顶力产生偏心。

顶进施工中应随时监测顶进中管节接缝上的不均匀压缩情况，从面推算接头端面上的应力分布状况及顶推合力的偏心度，并据此调整纠储幅度，防止因偏心度过大面使管节接头压损或管节中部出现环向裂缝。

直线顶管的纠偏,一般是通过掘进机的一组纠偏液压系统来完成的。

但是对曲线顶管,仅仅依靠掘进机的一组纠偏装置难以满足要求,尤其是S形曲线和曲率半径较小的情况更难满足纠偏要求。

所以采取了以下措施;1)纠偏特殊管图二、纠偏特殊管在掘进机后面的几节成品管设计成纠偏特殊管。

即在普通管的尾部预留油缸槽,放置起曲油缸,以便顶管进入曲线段时,可以同时启用机头纠偏油缸和起曲油缸,并把木垫逐步垫到设计厚度,形成整体弯曲弧度开始起曲。

纠偏特殊管的数量根据曲率半径确定,一般为3～4节。

纠偏特殊管适用于大中口径的管子,可以节约设备成本,而对小口径,因结构的限制,应把掘进机设计成具有多节纠偏的钢壳,来满足曲线顶进要求。

顶进中的方向控制可采用以下几种措施；（1）严格控制挖土，两侧均匀挖土，左右侧切土钢刃角要保持吃土lo cm，正常情况下不允许迢挖；（2）发生偏差，可采用调整纠偏千斤顶的编组操作进行纠正，要逐渐纠正，不可急于求成，否则会造成忽左忽右；（3）利用挖土纠偏，多挖土一侧阻力小，少挖土一侧阻力大，利用土本身的阻力纠偏，（4）利用承压壁顶铁调整，加换承压壁顶铁时，可根据偏差的大小和方向，将一例顶铁楔紧，另一例顶铁楔松或留1—3cm的间隙，顶进开始后，则楔紧一例先走，楔松一侧不动，这种方法很有效，但要严格算担顶进时楔的松紧程度，算握不好客易使管道由于受力不均而出现裂缝。

以上这些措施在顶进施工中可以同时采用，也可单独使用，主要根据具体情况采取相应的措施。

三．顶管通风施工技术在长距离顶管中，通风是一个不容忽视的问题。

因为在长距离顶进过程的时间比较长，人员在管子内要消耗大量的氧气，久而久之，管内就会出现缺氧，影响作业人员的健康。

另外，管内的涂料，尤其是钢管内的涂料会散发出一些有害气体，也必须用大量新鲜空气来稀释。

再有可能在掘进式及土压式中表现较为明显。

还有，在作业过程中还会有一些粉尘浮游在空气中，也会影响作业人员健康，最后钢管焊接过程中有许多有害烟雾，它不仅影响作业人员健康，而且也影响测量。

所有以上这些问题，都必须靠通风来解决。

就通风的形式，常用的有三种，鼓风形式、抽风形式和鼓风抽风组合形式。

鼓风式通风是把风机置于工作井的地面上，且在进风口附近的环境要好一些，把地面上的新鲜空气通过鼓风机和风筒鼓到掘进机或工具管内。

鼓风式通风的缺点一是通风距离不长，二是被驱散的混浊空气会经过整个管道一直到达工作坑内。

如果这种空气相对密度比较大则容易沉积在工作坑的底部。

抽风式通风是将抽风机安装在工作坑的地面上，把抽风管道一直通到挖掘面或掘进机操作室内。

因为风机在抽风时产生负压，所以所用风管最好采用玻璃钢或硬塑料管，而不宜采用软管。

这样，风管的成本较高。

在中继间和基坑中活动的地方，最好采用可伸缩和弯曲的波纹状管道。

另外，它对风机也有特殊要求，风量要大，负压要高，这样才能获得满意的效果。

如果要获得较为理想的通风效果，必须采用组合式通风。

组合式通风的基本形式有长鼓短抽和长抽短鼓。

参考文献[1] 余彬泉．陈传灿．顶管施工技术．北京：人民交通出版社[2] 吕志涛．地下结构工程．东南大学出版社．2008[3] 朱合华．地下建筑结构．中国建筑工业出版社．2006[4] 《给水排水管道工程管道结构设计规范》(GB 50332-2002).北京：中国建筑工业出版社．2002。