钢管顶进施工滚动角与纠偏技术研究

路 刚

(中铁十四局集团第二工程有限公司 山东泰安 271000)

1 前言

小型顶管机将越来越多地被广泛应用，是城市化建设的大势所趋。顶管机施工与地理条件及地理位置紧密相关，浅埋深土层对施工要求更高。

太原市迎泽大街下穿火车站通道工程为全国首次采用管幕结构法施工，要在火车站正常运营的前提下，保质保量完成施工任务。要求顶管机精确无误地按照设定的轴线顶进，浅埋深土层下复杂的环境[1－4]，对敞开式顶管机的纠偏造成了巨大的困扰。本文结合工程实践，对敞开式顶管机滚动角与纠偏进行探讨和研究。

2 工程概述及水文地质条件

(1)工程简介

太原市迎泽大街下穿火车站通道建设工程是迎泽大街向东发展的主要通道，缓解了以火车站为城市中心的交通压力，便捷了通往火车站的出行条件。主要施工任务为南北两条车行通道，其中管幕段南通道长107.4 m，北通道长102.5 m，管幕段施工需要将20根φ2 000 mm的钢管顶进，形成环形管幕作为永久支护，最浅埋深距火车股道2.7 m。施工过程中对可能遇到障碍物的浅埋深管幕采用敞开式顶管机，其余采用土压平衡式顶管机施工。图1为管幕钢管布置图。

图1 管幕钢管布置

(2)周边环境

太原火车站是全国多条铁路线的交汇点，改造后的太原站采用无柱雨棚，在站台下残留了部分原雨棚柱钢筋混凝土基础。南下穿通道需经过既有行包地道，北下穿通道需经过既有排水暗涵。下穿铁路接触网、通信、信号、电力等，太原火车站经过多次站场改造，下穿范围内存在废弃接触网基础、钢筋混凝土桩基础、轨枕、孤石、砖墙等障碍物。

(3)地质及水文

施工区属于暖温带干旱半干旱大陆性季风气候区，四季分明。根据勘察资料显示，施工区域地层上部以杂填土、素填土为主，下部为新黄土地层。施工区域内未见地表水，地下水主要赋存于新黄土、填土中，水位变化受大气降水的影响有升降变化，新黄土渗透性等级为弱透水；杂填土、素填土渗透性等级为中等透水。

3 滚动角与纠偏原理

敞开式顶管机在浅埋深土层中施工，纠偏过程有很多不可预见的影响因素，常会发生意想不到的偏转，致使顶管机不受控制从而不能按照既定轴线顶进，因此在顶进过程中要高度重视纠偏[5]。

敞开式顶管机通过调整四组铰接油缸来进行纠偏。顶管机发生偏转是因为顶管机的机头受掌子面土体土质不同，产生的摩擦力不均匀而造成的。一般偏差分为三个方面:

(1)水平方向上的偏差:顶管机在水平方向上与设计轴线产生的方向偏差。

(2)高程方向上的误差:顶管机在竖直方向上与设计轴线产生的高程误差。

(3)自转形成的滚动角:顶管机管壁受到的土体摩擦力不均匀，沿着设计轴线向摩擦力大的一侧发生旋转而产生的角度偏转。

如果在顶进过程中机头向一方偏转，则将同偏转方向的两组铰接油缸伸长，相反方向的两组铰接油缸缩短。如果自转形成滚动角，轴线位置不受这种偏差影响。如果偏转角度过大，会使顶管机不受控制，在顶进过程通过外加配重来调节滚动角，滚动角的方向与外加配重的方向刚好相反[6－10]。图2为四组铰接油缸布置示意图。

图2 四组铰接油缸布置

4 滚动角与纠偏技术

4.1 偏转原因分析

引起敞开式顶管机发生偏转的因素比较多，主要原因有土质条件影响、工作井前后背墙的标准程度、安装导轨的准确度、安装压力板与千斤顶及配套设备的准确度、顶管机始发的准确度、顶进过程挖机开挖的方式及对铰接油缸纠偏的操作控制。具体形式如下:

(1)浅埋深地层土质复杂多样，内含障碍物众多，对顶进影响颇为严重。局部地层的障碍物致使管壁受力不均匀，导致顶管机产生偏转和滚动角。

(2)工作井的前后背墙是基础建设，预埋套筒中心线与设计轴线需重合，保证顶进精确始发。

(3)安装导轨受人为因素影响较大，在安装导轨前要精确测量放点，确保导轨中心与预埋套筒中心在同一垂直面。如果导轨安装精度有误差，顶进受力不均匀将发生偏转。图3为安装导轨现场。

图3 导轨安装现场

(4)安装压力板要尽量保证竖向垂直，两组顶进千斤顶油缸要平衡，配套顶进设备要安装准确。

(5)顶进过程中对挖机的操作至关重要，如果操作不当极易发生偏转；施工过程中土体开挖、土方运输不规范，是造成管道顶进发生偏转的直接原因。

(6)纠偏铰接油缸操作不当，纠偏效果适得其反，并出现恶性循环。

(7)如果两节管道在焊接时中心线不重合，造成焊接不均匀，在顶进过程由于受力不平衡而发生偏转。图4为管节调整现场。

图4 管节调整现场

4.2 调整偏转的目的

调整偏转的目的就是改变顶管机当前的顶进方向和滚动角方向，顶进一定距离后顶进轴线与原有设定的轴线再次重合。在实际操作中，纠偏需要做到“勤纠、微纠”，并且要实时检测。由于焊接的管节比较多，顶管机带动后面的管节前进，顶管机方向发生偏转后，后面的管节也会随之偏转。

4.3 调整偏转的方式

在正常顶进时，四组铰接油缸位置为均布设置，油缸伸长和收缩的长度相同，只有连续顶进才能调节铰接油缸。调节过程应避免猛烈、野蛮的操作；除油缸纠偏外，也可以在开挖过程通过开挖取土技巧调整。如果在有滚动角的情况下纠偏，就要同时纠偏方向和纠偏角度。保证可触变泥浆的注浆量有利于调整偏转。图5为纠偏姿态数据图。

图5 纠偏姿态数据

(1)水平方向纠偏

水平方向的纠偏相对简单，在顶进过程中，同时调节1/2或3/4两组油缸即可，见图6。

图6 水平方向纠偏

(2)高程方向上纠偏

高程方向上的纠偏可以通过开挖取土技巧调整，也可以通过调节铰接油缸纠偏。如果顶进轴线高于设计轴线，开挖取土时保证掌子面稳定的情况下尽量将掌子面下部土体多开挖，这样有利于顶管机低头，促使顶管机顶进轴线回到设计轴线，见图7。

图7 高程方向上纠偏

(3)水平、高程方向同时纠偏

出现水平、高程方向同时偏转的现象，则需要通过45°对角线控制铰接油缸，在四组铰接油缸保持初始位置的前提下，45°对角线控制时需要对另外两组铰接油缸成比例随动，见图8。

图8 水平、高程方向同时纠偏

(4)滚动角调节

如果顶进过程中出现滚动角决不能忽视，滚动角过大会影响正常的顶进方向，甚至顶管机无法操作而失去平衡。具体要根据滚动角的方向通过外加配重调节，另外在导轨上焊接防扭转钢板也可以有效抑制滚动角增大。图9为外滚动角调节方法，图10为外加配重调节滚动角现场。

图9 外滚动角调节

图10 外加配重调节滚动角

(5)滚动角对纠偏的影响

存在滚动角的纠偏技术难度更高，不仅要考虑滚动角的调节方式，而且要在方向上进行纠偏，同时在外加配重的情况下进行水平、高程方向的纠偏。滚动角存在对纠偏有一定的干扰，滚动角越大影响越大，滚动角会使纠偏不能按照正常的纠偏轨迹顶进，因此纠偏要谨慎，不能急于求成。在纠偏前要画好顶进轨迹分析图，控制好纠偏量、纠偏距离，避免出现“过纠”。如果纠偏不能按照设想的轨迹回到设计轴线，需要停止顶进，研究针对性的顶进方法，不能盲目操作。

(6)滚动角的危害

敞开式顶管机不能靠刀盘反转抵消滚动角，在顶进过程滚动角的存在危害很大[11－12]。在实际操作过程中，滚动角要及时调节，外加配重挂在与滚动角相反的反向。如果偏转方向过大，会使顶管机管壁摩擦力急剧增大，千斤顶推力也会明显增加，到一定程度后顶进将不能继续，管节焊缝开裂，顶进设备损坏，这种危害是致命性的。

4.4 滚动角与纠偏的重要性

顶管机是隧道、地下工程的重要施工工具，消除滚动角和纠偏技术在施工过程中必不可少。进行纠偏施工时要认真分析机头的偏差值，减小管道偏差值，谨慎纠偏，纠偏量越小对管壁周边土体扰动越小，越有利于控制地层沉降。

在浅埋深土层土质突变时，纠偏和调节滚动角需结合土质变化情况减小顶进速度，实时观察顶进数据，分析顶进姿态，微量调节。在偏差量较大时，应该缓慢纠偏。滚动角调节和纠偏技术是顶管成败的关键，是整个工程的质量保证，在实际操作中一定要高度重视。

5 结束语

顶管机在太原下穿火车站工程中的应用，开启了小型盾构机在隧道、地下工程的新篇章。在顶进施工过程中遇到浅埋深土层障碍物，通过开挖技术和调整偏转技术，历经10个月于2018年10月16日顺利完成南北通道40根管幕段钢管顶进施工，顶进轴线与设计轴线偏差在2 cm以内，满足设计要求，取得了太原下穿火车站工程阶段性的胜利。通过本次顶管施工，总结出关于调节滚动角和纠偏的技术措施，为以后类似顶管工程提供数据和技术依据。