長距離地鐵隧道頂管軸向測量和偏差控制技術研究

趙志龍

摘要：在簡述隧道頂管施工技術的基礎上，詳細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，通過頂管偏差糾正實例，驗證了該項技術可以應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人員參考。

關鍵詞：地鐵隧道；頂管施工；軸向測量；糾偏控制；技術研究

1? ?隧道頂管施工技術概述

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

頂管施工技術是一種最大限度減少挖掘地面進行地下管線鋪設的施工方法。當前，頂管施工技術已經逐漸應用到了地鐵隧道施工當中，并作為一種有效的技術手段，實現了在地鐵領域的廣泛應用。針對地鐵隧道頂管施工應用的實際情況，開展了長距離地鐵隧道頂管軸向測量和偏差控制技術研究。

2? ?隧道頂管軸向測量和偏差控制技術

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，頂進方向容易出現偏轉，進而造成頂進軸線與設計軸線之間產生偏差。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。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。為了確保頂管機在運行時的實際頂進方向與設計軸線方向一致，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生的軸向平面偏差，如圖1所示。

當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，應盡可能使傾角的數值維持在“0”左右，其絕對值不應過大。

將頂管機的坐標系建立在x、y、z坐標系中，該坐標系是以頂管機的頭部為基準，以切割中心為坐標原點，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為x軸，其垂直方向設為z軸，結合左手坐標確定y軸[4]。

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

θ=cosα·cosγ-sinα·sinβ·sinγ? ? ? ?（1）

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

（2）

式中：μ表示尺度比。結合上述2種坐標系，確定μ的取值為1。根據上述公式，實現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，即使管節頂進了很久，但每次安裝一個管節或添加一個墊塊，在主頂液壓缸回縮時，頂管機的機頭和所頂管節都要向后移動20～30cm。在頂管機向后移動時，頂管機與管節之間的壓力平衡被打破，二者之間沒有了穩定的支撐，很容易導致頂管機前方的土層塌陷[5]。如果不采取相應的措施，將很難有效地控制管節的偏差和沉降。

2.2.2? ?控制方法

為了實現對頂管施工頂進姿態的控制，避免管節倒退，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、加上墊塊或管節的時候，將銷插入管節的吊裝孔中，在銷座與底座的后支柱之間放上鋼墊塊和鋼板。管節的收縮力經銷座及襯墊，傳至制動器后拉桿上[6]。

止回器與基座焊接在一起，以保證管節的穩定性。根據以往大斷面長方形頂管施工的經驗，所需的止回器質量為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，應嚴格避免土方超挖、欠挖現象。通常情況下，頂管的排土量應保持在理論計算值的98%以上，出土方式是利用吊運設備將其輸送至地面。

2.3.2? ?注漿控制

為了降低管節外部與土體之間的摩擦阻力、防止地面發生沉降，在管節頂進過程中需要向管節外部與其周圍土體之間的空隙內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，注漿量根據管節頂進長度和估算的管節外部空隙計算，一般實際注漿量應是計算注漿量的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確順利進行。在實際頂管施工中，常出現頂管軸線偏離設計軸線的情況。在長距離地鐵隧道頂管施工中，當軸線偏離標準值很大時，會增加糾偏的難度。因此在頂管施工過程中，應實時對施工軸線進行嚴格控制。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。當頂進軸線發生偏移時，要適時調整糾偏缸的伸縮，從而逐漸降低頂進軸線與設計軸線的偏移值，恢復到設計軸線的位置。

2.4.2? ?糾偏方法

頂管機的結構通常為“二段一鉸”，對頂管進行糾偏實際上是對頂管機進行調整，使其產生彎曲角度，從而達到糾偏目的。結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。當液壓泵停止運轉時，糾偏缸的前、后腔油道由平衡閥關閉，以保持糾偏缸的壓力在某一范圍內，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是否具備可行性，本文以昌盛路段頂管區間工程項目為實例，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-昌頂管區間，該工程設計的起終點里程為KE0+016～KE0+214.232，全長198.232m。該工程頂管施工現場如圖2所示。

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

該頂管工程的接收井位于現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間全長為166.3m，管節外部寬度為7.7m，長度為4.5m，管節覆土深度在3.3～5.4m之間。頂管區間于KE0+020～KE0+120段臨近或上跨地鐵16號線坪山站至六聯村站盾構區間，左線最短垂直距離為8.28m、右線最短垂直距離為7.75m。

3.2? ?應用效果分析

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

由表1可知，同一組數據中，人為設定的糾偏值過大；而實際應用本文技術的糾偏值進行糾偏，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量的提高。

上述頂管施工實例證明，本文設計的隧道頂管軸向測量和偏差控制技術，可以應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的可行性和適用性。通過該項技術的應用，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。在后續的研究中，還將結合光學測量方法，為糾偏控制提供更加準確的基準，避免出現累積誤差，進一步提高測量和糾偏精度。

參考文獻

[1] 龐洪賢.市政橋梁隧道施工中盾構頂管施工技術研究[J].中

國建筑金屬結構，2023，22（5）：22-24.

[2] 張仙明.上穿地鐵隧道的矩形頂管施工設計與安全風險控制

探究[J].工程建設與設計，2022，（23）：214-216.

[3] 肖旦強，張仕超，胡智，等.大斷面矩形頂管施工對近接斜

交既有隧道影響研究[J].現代隧道技術，2022，59（S1）：441-

447.

[4] 方志斌.頂管施工對既有地鐵隧道安全影響研究[J]. 福建

建筑，2021，（11）：201-204.

[5] 牛國倫，馬保松，張鵬，等.大直徑頂管施工管土相互作用

實測分析：以佛山市電力隧道頂管工程為例[J]. 隧道建設

（中英文），2021，41（8）：1353-1360.

[6] 魏綱，郝威，魏新江，等.盾構隧道內豎向頂管施工室內模

型試驗研究[J].巖土工程學報，2022，44（1）：62-71.