大直徑頂管施工糾偏技術(shù)

基本糾偏過程

基本糾偏過程是指管道利用自身構(gòu)造進(jìn)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(shí)現(xiàn)的。對(duì)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(dòng)作和油壓，根據(jù)糾偏需要通過調(diào)整糾偏千斤頂?shù)纳炜s量靈活調(diào)整頂管前進(jìn)的方向。

　　本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土工具管，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)，頂進(jìn)過程中的糾偏正是依靠第1節(jié)工具管實(shí)現(xiàn)的。

　　假設(shè)管道在頂進(jìn)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(biāo)尺設(shè)在第1節(jié)的后部。轉(zhuǎn)動(dòng)工具管的第1節(jié)，使其前端下沉，后端上抬，同時(shí)帶動(dòng)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(jié)果導(dǎo)致偏差增加。假設(shè)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(jìn)，受到后部頂進(jìn)設(shè)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(shè)工具管糾偏角不變，仍為β，這時(shí)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(shí)管道偏差不再發(fā)展，隨著頂進(jìn)，偏差開始減少。頂管繼續(xù)進(jìn)行，工具管前端慢慢向軸線靠攏，后續(xù)管段進(jìn)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(jìn)入彎曲段，上部間隙也會(huì)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(shè)計(jì)的施工方向夾角逐漸減小，從而實(shí)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(shè)備自身的糾偏系統(tǒng)很難達(dá)到糾偏目的時(shí)候，利用外力協(xié)助管道自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行糾偏的過程。本項(xiàng)目按照施工工藝的不同，采用挖土糾偏法、強(qiáng)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(dá)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(shí)采用。

　�。�2）強(qiáng)制糾偏法通過在管道外部施加外力進(jìn)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(cè)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(zhuǎn)過程中，可強(qiáng)制改變切削刀盤的旋轉(zhuǎn)方向，或在管內(nèi)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(zhì)較硬地段。

　　214 糾偏經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

　　（1）勤頂勤測勤糾。在頂管頂進(jìn)過程中要經(jīng)常對(duì)頂進(jìn)軸線進(jìn)行量測，并與設(shè)計(jì)軸線相比較，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)糾正。在本項(xiàng)目中原則上是每頂進(jìn)一節(jié)就測量1次，在軟弱地層中適當(dāng)提高測量次數(shù)，確保偏差能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正。

　�。�2）動(dòng)態(tài)糾偏。糾偏盡量在管道頂進(jìn)過程中進(jìn)行，避免在靜止?fàn)顟B(tài)糾偏。實(shí)踐證明，當(dāng)管道處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)， 所需的糾偏力比頂進(jìn)時(shí)糾偏增加50% ～90%；同時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)下糾偏將對(duì)第1段鋼筋混凝土管產(chǎn)生較大的不均勻應(yīng)力。在動(dòng)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(shè)計(jì)軸線，可以暫時(shí)不采取糾偏措施，而是繼續(xù)頂進(jìn)，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(gè)空隙，空隙的大小與糾偏角有關(guān)，糾偏角越大，空隙越大，管道頂進(jìn)時(shí)周圍土體容易坍入空隙造成地面沉降。同時(shí)，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(jìn)。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(zhì)質(zhì)量和長度。管道第1節(jié)緊跟工具管，在頂進(jìn)和糾偏過程中，第1節(jié)管道要承受工具管的反復(fù)應(yīng)力，如果第1節(jié)材質(zhì)不好，在頂進(jìn)過程中很可能會(huì)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(zhì)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(zhuǎn)角。因此，確定第1節(jié)管道的合理長度對(duì)于糾偏有較大的幫助。

　�。�5）加強(qiáng)糾偏過程中的量化工作。由于設(shè)立在工具管尾部的糾偏測點(diǎn)與工具管端面有一定距離，工具管糾偏后的效果要頂進(jìn)這一距離后才能反映出來。為了及時(shí)掌握工具管端的偏差，可通過測點(diǎn)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(shí)，在糾偏角不變的情況下，管道的轉(zhuǎn)彎半徑基本一致。所以施工中可繪制工具管測點(diǎn)的行進(jìn)軌跡曲線以預(yù)測偏差的發(fā)展趨勢，從而幫助操作人員及時(shí)改變糾偏角，避免產(chǎn)生軸線過度彎曲。

　　3 與糾偏有關(guān)的其它問題

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

　　31111 管道產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)原因

　�。�1）頂管設(shè)備自身原因。頂管設(shè)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(chǎn)生扭矩，從而在頂進(jìn)過程中發(fā)生管道扭轉(zhuǎn)。

　　（2）施工原因。在進(jìn)行頂管施工時(shí)，管道內(nèi)要布置各種施工設(shè)備，如果布置位置不對(duì)稱，就很容易使管道朝著某個(gè)方向形成固定扭轉(zhuǎn)。同時(shí)，由于受地質(zhì)條件影響，管道也很容易發(fā)生偏移。在進(jìn)行管道糾偏時(shí)，工具管糾偏后產(chǎn)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(zhuǎn)。在糾偏過程中，如果糾偏角度小，則實(shí)施糾偏時(shí)所需的外力就小，根據(jù)作用力與反作用力原理，糾偏反力就小，管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)的速度就慢。反之糾偏角度越大，產(chǎn)生的反力就越大，管道扭轉(zhuǎn)速度也就加快。因此，控制糾偏角是防止和減小管道扭轉(zhuǎn)的重要途徑。

　　31112 糾扭措施

　　（1）提高頂管設(shè)備安裝質(zhì)量，預(yù)防管道發(fā)生扭轉(zhuǎn)，主要是從提高頂管設(shè)備安裝工藝精度入手，盡量避免或減少頂管設(shè)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(yán)格按照施工程序施工，減小糾偏造成的扭轉(zhuǎn)。首先是管內(nèi)設(shè)備布置重量要對(duì)稱，盡量避免由施工程序造成的扭轉(zhuǎn)。在糾偏過程中認(rèn)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(dāng)造成的管道扭轉(zhuǎn)。另外，可以通過施加外力進(jìn)行管道扭轉(zhuǎn)，如采用在扭轉(zhuǎn)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(chǎn)生相反扭轉(zhuǎn)，從而平衡原先存在的扭轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(shí)（圖2）中管道受到的土壓力理論上是相等的，即F1 = F2 ，同時(shí)頂進(jìn)推力沒有側(cè)向分力，而發(fā)生偏移時(shí)管道兩側(cè)所受土壓力發(fā)生明顯變化（圖3） .一方面，管道所受的側(cè)壓力F1 與F2 不再相等，則頂進(jìn)推力F3 產(chǎn)生側(cè)向分力，當(dāng)側(cè)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(cè)向力進(jìn)一步增加，這樣就形成了管道曲率增加與側(cè)向分力之間的反復(fù)循環(huán)，如果不及時(shí)得到糾正，則管道軸線嚴(yán)重偏移設(shè)計(jì)方向。

　　31212 管道失穩(wěn)原因分析

　�。�1）地質(zhì)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(duì)于管道施工至關(guān)重要，因?yàn)轫斶M(jìn)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(zhì)或不均勻土質(zhì)，則管道很容易因周圍平衡側(cè)向分力的承載能力不足造成失穩(wěn)。同時(shí)，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(zhì)量影響。根據(jù)管道曲率與側(cè)向分力之間的惡性循環(huán)關(guān)系很容易知道，如果因?yàn)轫敼苁┕ぜm偏或糾扭不及時(shí)和不到位造成偏移量增大，將導(dǎo)致管道失穩(wěn)。

　�。�3）頂管設(shè)備原因。頂管設(shè)備在頂進(jìn)過程中如果出現(xiàn)與管道聯(lián)結(jié)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(yù)防和糾正措施

　�。�1）改善地質(zhì)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(zhì)預(yù)報(bào)確定前方地質(zhì)情況，對(duì)于不良地質(zhì)地段采取預(yù)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(duì)管道施工造成壓力的地段，可以采用預(yù)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(zhì)條件。

　�。�2）嚴(yán)格控制施工質(zhì)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(yīng)把控制管道軸線偏移作為頂管技術(shù)的核心內(nèi)容，要盡量減少軸線偏差。同時(shí)，在管道軸線發(fā)生偏離時(shí)，認(rèn)真執(zhí)行管道糾偏的有關(guān)原則，及早糾偏。同時(shí)注意對(duì)頂管設(shè)備的檢查，加強(qiáng)管道聯(lián)結(jié)剛度。