大直徑頂管施工糾偏技術

基本糾偏過程

基本糾偏過程是指管道利用自身構造進行的，主要是依靠糾偏油缸拼裝成的液壓糾偏系統(tǒng)的作用實現(xiàn)的。對于長距離、大直徑頂管施工，一般采用4組糾偏系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以控制4組油缸的各種動作和油壓，根據糾偏需要通過調整糾偏千斤頂?shù)纳炜s量靈活調整頂管前進的方向。

　　本項目采用鋼筋混凝土工具管，其結構分為2節(jié)，第1節(jié)與第2節(jié)之間安裝糾偏油缸。第1節(jié)與第2節(jié)之間不是固定的，而是可以上下、左右轉動，頂進過程中的糾偏正是依靠第1節(jié)工具管實現(xiàn)的。

　　假設管道在頂進過程中向上偏離了軸線需要糾偏，圖中前2節(jié)為工具管，從第3節(jié)開始為鋼筋混凝土管道，其中測定管道軸線偏差的偏差測定標尺設在第1節(jié)的后部。轉動工具管的第1節(jié)，使其前端下沉，后端上抬，同時帶動第2節(jié)前端上抬。第2節(jié)上抬致使工具管與管道第1段之間的下部間隙增大，第1、2節(jié)的上抬結果導致偏差增加。假設工具管的糾偏角是β，第一節(jié)與原管軸線形成角α1 （圖1b） .隨著管道的深入頂進，受到后部頂進設備的推力作用，工具管與管道第一段之間的下部間隙逐漸變小，最后消失。

　　假設工具管糾偏角不變，仍為β，這時工具管第一節(jié)與原管軸線的夾角變大， 變?yōu)棣? ， 并且有α2 >α1 （圖1c） .此時管道偏差不再發(fā)展，隨著頂進，偏差開始減少。頂管繼續(xù)進行，工具管前端慢慢向軸線靠攏，后續(xù)管段進入彎曲段，工具管與第1管段之間的上部間隙增加，第1管段與第2管段間的間隙一旦進入彎曲段，上部間隙也會增加，工具管第1節(jié)與原管軸線的夾角增大到α3 ，并有α3 >α2 >α1 （圖1d） ，即與設計的施工方向夾角逐漸減小，從而實現(xiàn)糾偏的目的。

　　圖1 鋼筋混凝土管糾偏示意

　　213 輔助糾偏措施輔助糾偏措施是指在利用設備自身的糾偏系統(tǒng)很難達到糾偏目的時候，利用外力協(xié)助管道自身結構進行糾偏的過程。本項目按照施工工藝的不同，采用挖土糾偏法、強制糾偏法和混合糾偏法3種。

　�。�1）挖土糾偏法通過在不同部位增減挖土量達到糾偏的目的，該方法適用于管道偏差較小的情況，一般偏差為10～20 mm時采用。

　�。�2）強制糾偏法通過在管道外部施加外力進行糾偏。一般適用于偏差大于20 mm的情形，使用圓木或方木頂在管子偏離中心的一側壁上，另一端裝在墊有鋼板或木板的管前土壤中，支架穩(wěn)定后，利用千斤頂給管子加力，使管子得到校正。在工具管旋轉過程中，可強制改變切削刀盤的旋轉方向，或在管內需要糾偏的方向增加配重。

　　（3）混合糾偏法采用上述2種方法的組合，主要適用于糾偏難度特別大的地段，如地質較硬地段。

　　214 糾偏經驗總結

　�。�1）勤頂勤測勤糾。在頂管頂進過程中要經常對頂進軸線進行量測，并與設計軸線相比較，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾正。在本項目中原則上是每頂進一節(jié)就測量1次，在軟弱地層中適當提高測量次數(shù)，確保偏差能夠及時發(fā)現(xiàn)和糾正。

　�。�2）動態(tài)糾偏。糾偏盡量在管道頂進過程中進行，避免在靜止狀態(tài)糾偏。實踐證明，當管道處于靜止狀態(tài)時， 所需的糾偏力比頂進時糾偏增加50% ～90%；同時，靜止狀態(tài)下糾偏將對第1段鋼筋混凝土管產生較大的不均勻應力。在動態(tài)糾偏過程中，通過觀察偏差發(fā)展趨勢可以靈活確定糾偏方案。如果偏移量不大，且偏移方向靠近設計軸線，可以暫時不采取糾偏措施，而是繼續(xù)頂進，直至偏差消除。

　�。�3）盡量采用小角度糾偏。工具管糾偏后，刃腳后部形成一個空隙，空隙的大小與糾偏角有關，糾偏角越大，空隙越大，管道頂進時周圍土體容易坍入空隙造成地面沉降。同時，鋼筋混凝土管糾偏比較靈敏，只要工具管能開挖出隧洞輪廓，緊跟的混凝土管道就能順著隧洞跟進。因此，鋼筋混凝土頂管的糾偏角不宜過大，否則容易造成軸線彎曲和地面沉降。

　�。�4）重視管道第1節(jié)的材質質量和長度。管道第1節(jié)緊跟工具管，在頂進和糾偏過程中，第1節(jié)管道要承受工具管的反復應力，如果第1節(jié)材質不好，在頂進過程中很可能會出現(xiàn)第1節(jié)管道開裂、破碎等。因此，在長距離頂管過程中通常將第1節(jié)管道采用鋼質管段代替鋼筋混凝土管段。另一方面，第1節(jié)管道的長度過長將影響糾偏的靈敏度，過短則容易引起較大的偏轉角。因此，確定第1節(jié)管道的合理長度對于糾偏有較大的幫助。

　�。�5）加強糾偏過程中的量化工作。由于設立在工具管尾部的糾偏測點與工具管端面有一定距離，工具管糾偏后的效果要頂進這一距離后才能反映出來。為了及時掌握工具管端的偏差，可通過測點的偏差、工具管第2節(jié)的斜率和工具管的糾偏角推算。同時，在糾偏角不變的情況下，管道的轉彎半徑基本一致。所以施工中可繪制工具管測點的行進軌跡曲線以預測偏差的發(fā)展趨勢，從而幫助操作人員及時改變糾偏角，避免產生軸線過度彎曲。

　　3 與糾偏有關的其它問題

　　311 糾扭技術管道在糾偏過程中很常見的是管道軸線發(fā)生扭轉現(xiàn)象，這是由于管道軸線在2個或以上方向發(fā)生偏移•

　　31111 管道產生扭轉原因

　�。�1）頂管設備自身原因。頂管設備安裝精度是決定頂管施工精度的前提條件，在頂管安裝和使用過程中，如果主油缸或工具管刀盤軸線與管道軸線不平行，則在頂管施工過程中很容易使管道產生扭矩，從而在頂進過程中發(fā)生管道扭轉。

　�。�2）施工原因。在進行頂管施工時，管道內要布置各種施工設備，如果布置位置不對稱，就很容易使管道朝著某個方向形成固定扭轉。同時，由于受地質條件影響，管道也很容易發(fā)生偏移。在進行管道糾偏時，工具管糾偏后產生糾偏反力，如果糾偏反力的合力中心不通過管中心，管道就要扭轉。在糾偏過程中，如果糾偏角度小，則實施糾偏時所需的外力就小，根據作用力與反作用力原理，糾偏反力就小，管道發(fā)生扭轉的速度就慢。反之糾偏角度越大，產生的反力就越大，管道扭轉速度也就加快。因此，控制糾偏角是防止和減小管道扭轉的重要途徑。

　　31112 糾扭措施

　�。�1）提高頂管設備安裝質量，預防管道發(fā)生扭轉，主要是從提高頂管設備安裝工藝精度入手，盡量避免或減少頂管設備的各部分安裝偏差，如主油缸固定牢固，盡量與管道軸線平行等。

　�。�2）嚴格按照施工程序施工，減小糾偏造成的扭轉。首先是管內設備布置重量要對稱，盡量避免由施工程序造成的扭轉。在糾偏過程中認真執(zhí)行“增加糾偏次數(shù)，減小糾偏角度”原則，減小因糾偏方法不當造成的管道扭轉。另外，可以通過施加外力進行管道扭轉，如采用在扭轉方向的反方向施加外力（可以通過配重的方式解決） ，使管道產生相反扭轉，從而平衡原先存在的扭轉力。

　　312 管道失穩(wěn)

　　31211 管道失穩(wěn)原理管道失穩(wěn)是頂管施工中特別是長距離管道糾偏過程中容易發(fā)生的問題。它是指與工具管的軸線與設計管道軸線偏差逐漸增加，最終造成管道失去控制的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在采用中繼環(huán)的鋼管和鋼筋混凝土頂管，施工長距離頂管過程中表現(xiàn)尤其明顯。在未發(fā)生偏移時（圖2）中管道受到的土壓力理論上是相等的，即F1 = F2 ，同時頂進推力沒有側向分力，而發(fā)生偏移時管道兩側所受土壓力發(fā)生明顯變化（圖3） .一方面，管道所受的側壓力F1 與F2 不再相等，則頂進推力F3 產生側向分力，當側向分力增加到一定程度，管道有可能開始失穩(wěn)。失穩(wěn)后，管道軸線曲率增大，從而造成側向力進一步增加，這樣就形成了管道曲率增加與側向分力之間的反復循環(huán)，如果不及時得到糾正，則管道軸線嚴重偏移設計方向。

　　31212 管道失穩(wěn)原因分析

　�。�1）地質條件影響。從失穩(wěn)原理分析可以看出，管道周圍土體承載力和土壓力對于管道施工至關重要，因為頂進過程中難免發(fā)生軸線偏移現(xiàn)象。如果管道周圍的土體能夠提供較大的作用反力，則管道不易發(fā)生較大偏移和失穩(wěn)；如果周圍土體屬于軟弱土質或不均勻土質，則管道很容易因周圍平衡側向分力的承載能力不足造成失穩(wěn)。同時，管道上方的覆蓋層過薄也很容易因管頂土壓力不足造成失穩(wěn)，最常見的是管道軸線向上彎曲和管道中間鼓肚現(xiàn)象。

　�。�2）施工質量影響。根據管道曲率與側向分力之間的惡性循環(huán)關系很容易知道，如果因為頂管施工糾偏或糾扭不及時和不到位造成偏移量增大，將導致管道失穩(wěn)。

　�。�3）頂管設備原因。頂管設備在頂進過程中如果出現(xiàn)與管道聯(lián)結不穩(wěn)固或者剛度不足，都有可能造成管道失穩(wěn)。

　　31213 管道失穩(wěn)預防和糾正措施

　�。�1）改善地質條件，為頂管施工創(chuàng)造有利條件。

　　在頂管施工中的基底處理常采取的措施包括：采用超前鉆孔或超前地質預報確定前方地質情況，對于不良地質地段采取預加固措施，其中承載力過低地段、土體軟硬不均勻地段、覆蓋層過薄地段或地面有建筑物對管道施工造成壓力的地段，可以采用預注漿、錨桿、管棚等加固，為頂管施工創(chuàng)造穩(wěn)定、均勻的地質條件。

　�。�2）嚴格控制施工質量，提高管道糾偏效果。管道軸線偏移是造成管道失穩(wěn)的重要原因之一，因此在施工中應把控制管道軸線偏移作為頂管技術的核心內容，要盡量減少軸線偏差。同時，在管道軸線發(fā)生偏離時，認真執(zhí)行管道糾偏的有關原則，及早糾偏。同時注意對頂管設備的檢查，加強管道聯(lián)結剛度。