长距离泥水平衡破岩顶管轴线控制研究

长距离 泥水平衡破岩顶管轴线控制研究

罗铭洋

广东省基础工程集团有限公司 广东 广州 510620

摘要：在城市地下的电力隧道工程中，为确保路面交通、既有建筑及市政管线不受干扰，均采用工程量较小和安全系数相对较高的非开挖泥水平衡顶管施工技术。对于珠三角等沿海地区，地层复杂、地下水丰富以及地下管线错综复杂，很容易由于外力影响，从而造成顶管施工过程中的轴线偏离问题。尤其对于大口径、长距离、双曲线电力隧道顶管穿越施工，精度控制难度更大，以门水线隧道顶管施工为例，着重针对顶管轨迹控制进行了研究。经研究分析，在精准的测量数据指引下，通过纠偏手段和精度控制分析，在复杂的地质条件下，大口径、长距离、双曲线顶管施工能满足较高的精度要求。

关键词：泥水平衡破岩顶管机；大口径、长距离、双曲线顶进；高程测量；轴线测量；精度控制

前言

大口径、长距离、双曲线泥水平衡破岩顶管机在顶进过程中，实际顶进轴线跟设计轴线发生偏离是无可避免的。同时由于地质存在差异，也会迫使顶管隧道线路出现曲线，便加大了顶管轴线控制的难度。如果顶进轴线与设计轴线误差太大，管道的整体姿态偏移，引起管节损坏、涌水、涌沙等问题，严重时会导致地表沉降甚至坍塌。可以说，顶管轴线的精确控制也是顶管机安全出洞的关键技术，必须提前做好相关的控制措施，使顶管机始终沿着设计轴线顺利顶进。现以工程实际案例，深入分析大口径长距离泥水平衡破岩顶管机管道轴线控制的各项措施，仅供参考。

1 工程概况及地质条件

本次建设电缆隧道工程主要服务于220kV门前至水贝双回线路工程中水贝变电站至下围岭终端站线路，电缆隧道北端与深水线电缆隧道B1井相接，南端至水贝变电站内新增A1井。电缆部分为新建双回电缆路经长 2×2.56km，单相电缆长 2.68km，电缆截面为 2500mm²。隧道采用顶管法与矿山法施工，全长728.224m。顶管施工采用DN3500mm钢筋混凝土管节，分曲线与直线两段进行顶进。

（1）A2井至A1井曲线顶进长度389.94m（曲率半径2250m），顶管覆土厚度8.76~11.20m；顶进地层主要为冲积粉质粘土或残积砂质粘性土，局部有淤泥质粘土，粗砂及少量中、强风化岩层。

（2）A3井至A2井直线顶进长度268m，顶管覆土厚度10.92~13.01m。顶进地层主要为冲积粉质粘土或残积砂质粘性土，局部有淤泥质粘土和粗砂及强风化岩层，另外，有约有70m微、风化岩层。

2 顶管机顶进轴线控制措施

2.1 顶管机设备选型

为确保大口径长距离顶管机在岩层中顺利推进，根据本工程地质特点及难点经充分研究后，选用具有破碎能力的硬岩泥水平衡顶管掘进机，实现岩层段的破岩顶进。顶管机刀盘的切割面配以合金滚刀装置，在主顶油缸推动下，刀盘旋转，滚刀先对迎面坚硬的岩石实施挤压、滚动、切割等一系列的作用力（一次破碎），掏空前方土体；当有大块的岩石进入泥土仓后，刀盘扭腿和锥式破碎舱就会对其进行剪切（二次破碎），破碎后进入泥水舱，然后与泥浆混合，以平衡泥水压力；最后在泥浆系统利用排泥泵通过排泥管输送到地面，并运输外弃。

2.2 工具头的测量纠偏系统

在地下隧道施工中，顶管机管道轴线要符合设计要求的轴线，顶进的方向是通过工具头的测量纠偏系统进行控制。此系统可利用安放在纠偏千斤顶上的位移传感器来实现纠偏量的合理调整，即顶管顶进过程中能够根据测量反馈的结果对千斤顶进行调整纠偏，使推进状态下工具头改变方向，进而实现顶进方向的有效控制。顶管工具头的测量纠偏系统，主要是由纠偏千斤顶、油泵站、位移传感器和倾斜仪组合而成。在测量纠偏时，必须严格按相关标准要求进行，具体如下：

（1）布设井内控制点时，导线点上只有两个方向，宜按左右角各观测3个测回，共计六个测回，测角中误差＜3″，左右角平均值之和与360°的较差应＜4″。

（2）水平角观测遇到长短边需要调焦时，应采用盘左长边调焦，盘右长边不调焦；盘右短边调焦，盘左短边不调焦的观测顺序进行观测。

（3）水准测量的往测与返测宜分别在上午、下午进行，视线长度≤50m，前后视距差＜1m，视线高度≥0.5m。

（4）竖井内用悬吊钢尺的方法进行高程传递测量，钢尺上悬吊与钢尺检验时相同的重锤（如图1所示）。传递高程时，每次应独立观测三测回，每测回应变动仪器高度，三测回测得地上、地下水准点的高差，较差应＜3mm。

图1 水准测量示意图

2.3 顶进轴线测量控制

由于本工程具有顶管管径大、距离长、曲线顶进、地质条件复杂、岩石硬度高、周边建构筑物较多、多处下穿现状市政道路等特点，所以曲线顶管段和直线顶管段的轴线测量是最重要和最关键的环节。

（1）为确保顶管机管道轴线能够按设计轴线进行顶进，在顶管设备安装前，必须先对工作井预留洞口进行高程复测，通过导轨调整高度使两者重合；同时，也要做好导线点的闭合和加密测量，且加密后的控制点能够通视牢固，以保证平面和高程测量系统的可靠性。

（2）对于A3井至A2井的直线顶管段，可以通过全站仪坐标测量和激光导向控制系统进行顶进轴线控制。实际操作时，位于工作后方的激光经纬仪发出激光束，调整好所需的标高及方向位置后，对准掘进机内的定位光靶上，激光靶的影像被捕捉到机内摄像机的影像内，然后输送到地面挖掘系统的电脑显示屏内，并必须24 h对红外线激光经纬仪进行跟踪测量，根据激光点在靶盘上的位置以及时判断顶进轴线的偏差。顶进时，始终使光靶位于中心点，注意纠偏角不可超过1°；如果出现偏移，必须马上进行纠偏（如图2所示）。

图2 顶管机靶盘示意图

　 （3）对于A2井至A1井的曲线顶管段，由于曲率半径为2250m，管线线路呈弧形，后座内的激光经纬仪无法通视，除了采用全站仪和激光经纬仪进行隧道顶进轴线测量外，还需要在管线内增设移动测站。在井内后座增装固定仪器墩，以便架设自动跟踪仪，其测角精度为2"，测距精度为3+5pp；同时，管内的测站会伴随顶管顶进长度（389.94m）变化而出现移位，所以须根据工程实际情况在管道内安装2至3个移动测站，并在管壁上用弧形钢板牢固，以达到通视要求；将棱镜架设在井边的脚架上，使导线延伸，以便能够用导线法进行测量。

2.4 提高顶管轴线测量精度控制

为提高直线和曲线顶管轴线测量的准确度，在隧道顶进过程中，务必做到“勤测、勤纠、慢纠”，以便检查顶进轴线是否与设计轴线相吻合。

（1）在正常顶进状态下，每顶进一节混凝土管节就进行一次测量，在一些关键环节中，如出现重大偏差及出洞前须适当增加测量次数（一节一测）。在顶管隧道顶进过程中，设在井壁上的控制点会随着井壁变形而发生位移。所以，在管道顶进50m、100m及整体管道 1/2时，均需要进行全线第三方定向复测，避免出现人员、设备所带来的惯性误差。此外，还需定期对测量控制点实施复测，防止由于地表沉降及机械振动所带来的误差。

（2）因管道中的空气湿度较大会对激光光造成一定偏折，为了保证机头高程的准确性，应采用人工短视线水准测量法进行测量，以确保机头姿态及整个顶进轴线满足设计要求。此外，冬季施工工作井与管道内温差较大，也会导致测量出现较大误差，必须加大人工高程测量的力度。在管道内加设转站时，第一个转站加设控制在管道推进50米内，以保证管道轴线测量控制的精度。

（3）为减少顶进轴线与设计轴线产生偏差值，测量获得机头当前位置的中心坐标后，及时进行计算并与设计轴线进行比较，以求出机头推进实时偏差，引导机头纠偏。顶进过程中，当轴线出现偏差时，需要调节顶管机头内置式纠偏千斤顶的伸缩量，以达到调整机头切削土体姿态的目的，从而使偏差值逐渐降低，至使顶进轴线逐渐与设计轴线重合。

（4）为确保顶进轴线测量精度的控制，须及时通过固定转点测站实施引测，以避免测点在测量时由于位置移动而影响测量的精准度；同时，为确保测量的速度符合要求，每个转点均实施强制对中法安装仪器，还需对每个棱镜头配置棱镜基座，以提高测点的测量效率。为减少测量误差，还需要实施多次回测，分析误差，随时跟踪顶进轴线位置。

（5）随着顶管顶进距离的不断增加，轴线偏差测量也出现接站误差。所以在顶进前，必须根据不同的顶进里程，预先制定轴线平面偏差测量的应对措施。对于高程偏差测量，需充分利用水准接站的测量方法，适当增加工具管中心标高测量次数，以便能够与设计高程相比较，随时跟踪高程偏差。

2.5 顶管机破岩顶进控制

因本工程顶管穿越的地层主要有砂质粘性土、全风化混合岩、强风化混合岩层及微风化混合等多种地层，岩层强度差较大，而顶管机在穿越岩层时，如果控制的顶进参数不合理，就极容易发生管道轴线突偏的问题。在机头入岩前必须事先调整好机头姿态，如入岩后再进行调整，四周的岩石强度过高，单靠纠偏千斤顶的顶力，很难再次大幅度改变机头姿态。当顶管机头接触岩层时，要密切注意适当降低顶进速度（可降至5～10 mm/min），还要根据实际情况暂停切削，并缓慢加大刀盘的电流和顶力，严禁“快顶、强纠”操作，以确保顶管轴线在设计范围内顶进。

3 总结

综上所述，大口径长距离泥水平衡破岩顶管机在隧道顶进过程中，控制管道轴线的偏转、偏移是整个顶管施工项目的重点，也是技术难点。为最大限度满足顶管轴线符合设计方案，务必循序渐进的轴线纠偏作业，及时关注顶进过程的进度，实时跟踪测量，进而确保顶管隧道施工的正常推进。

参考文献

[1]吴艳辉.长距离顶管施工轴线控制与纠偏技术应用[J].江苏建筑，2020（04）：75-76+107.

[2]刘科，杨昊晗，蔡彬彬等.曲线顶管测量纠偏技术[J].装饰装修天地，2019（24）：40.

[3]于洪涛.大口径长距离顶管施工的轴线控制[J].河南水利与南水北调，2015（14）：38-39.

[4]胡宝生，肖调清.拱北隧道暗挖段曲线管幕顶管施工精度控制技术[J].公路交通技术2019，35（04）：100-110.