中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)在超長距離曲線頂管中的施工應(yīng)用*

毛海明 張海鋒 徐玉夏

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233； 2. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433；3. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200433

近年來頂管施工已經(jīng)廣泛應(yīng)用到供水、排水、電力等市政、工業(yè)領(lǐng)域[1]。一方面，隨著頂管施工水平的逐步提高，頂管長度越來越長，曲線頂管越來越常見，頂管應(yīng)用在了越來越多以前不曾到過的地方；另一方面，隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定地增長，城市化進(jìn)程將進(jìn)一步加快，我國的地下管線的需求量也在逐年增加，一些行業(yè)對(duì)于管線的鋪設(shè)有著更高的要求，比如近海排放口的安裝，往往需要遠(yuǎn)離陸地長達(dá)4 km以上，目前最長距離的頂管還遠(yuǎn)未達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，所以，超長距離頂管還有很大的發(fā)展空間[2]。

1 中繼環(huán)的主要作用

超長距離頂管施工能夠完成，依賴于各個(gè)系統(tǒng)的高標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行，而在頂進(jìn)系統(tǒng)中最重要的組成部分就是中繼環(huán)接力頂進(jìn)。中繼環(huán)的主要作用是增加頂管施工的總頂力，從而使得更長距離的頂管能夠得以實(shí)現(xiàn)，除此以外還有其他多項(xiàng)功能，主要功能有以下幾個(gè)方面。

1.1 增加總頂力

頂進(jìn)過程中，后座油缸不可能無限制地增加頂力，在側(cè)壁摩阻力一定情況下，長度達(dá)到一定距離后后座將無法提供足夠的頂力來繼續(xù)頂進(jìn)，此時(shí)啟用中繼環(huán)可將頂進(jìn)過程中越來越長的頂管分割為幾個(gè)部分來單獨(dú)頂進(jìn)，解決了頂進(jìn)問題，增加了總頂力。

1.2 頂力分布更為平均

使用中繼環(huán)后，每個(gè)中繼環(huán)僅需頂進(jìn)整條頂管其中一段距離的管節(jié)，即只需克服一小段距離管節(jié)的側(cè)壁摩阻力即可完成頂進(jìn)。尤其是比較靠近工作井的管節(jié)受力將大大降低，這對(duì)于超長距離頂管來說很重要。因?yàn)樵娇拷ぷ骶?，這里土體被擾動(dòng)的時(shí)間越長，在大頂力頂進(jìn)過程中，若洞口附近土質(zhì)條件較差，就更容易產(chǎn)生問題。

1.3 有利于超長距離曲線頂管頂進(jìn)

城區(qū)頂管往往會(huì)遇到平面上的曲線頂管，穿越江河通向水域的管道則常為垂直方向的曲線頂管。無論是水平面向的還是垂直方向的一般均稱為曲線頂管。頂力沿直線傳遞這種屬性，使得曲線頂管在超長距離條件下會(huì)給頂管工程增加許多難度。中繼環(huán)在曲線段內(nèi)不僅可以降低局部位置的頂力，而且可以略微調(diào)整頂力的方向，這對(duì)超長距離曲線頂管來說有著積極的意義。

綜合來說，中繼環(huán)在超長距離頂管中的作用是極高的，但在使用方面還需結(jié)合實(shí)際針對(duì)性地設(shè)立啟用方式。

2 存在的問題及分析

傳統(tǒng)的中繼環(huán)控制方法為前一環(huán)頂進(jìn)完成后，操作人員電話通知后一環(huán)接力頂進(jìn)，如此反復(fù)，“蠕動(dòng)”式的向前進(jìn)（圖1），但這對(duì)于超長距離頂管來說，存在著巨大的弊端：頂進(jìn)效率低。這種操作方法在多只中繼環(huán)啟用的頂管工程中存在很多問題，而且這種問題會(huì)在更大中繼環(huán)啟用規(guī)模的頂管中演變成無法頂進(jìn)的局面。

圖1 傳統(tǒng)中繼環(huán)啟動(dòng)流程

頂管中繼環(huán)的控制效率問題和很多方面都有關(guān)系，比如通訊方面，環(huán)與環(huán)之間溝通不暢會(huì)導(dǎo)致中繼環(huán)啟動(dòng)時(shí)間滯后，從而影響了頂進(jìn)效率；比如回彈方面，若頂管回彈量過大（尤其是混凝土頂管），又會(huì)使得單次頂進(jìn)距離縮短。以上這些都會(huì)大幅降低頂管施工的效率。

3 解決方案

3.1 建立聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)

中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)是對(duì)同時(shí)啟用3 個(gè)及以上中繼環(huán)來說的，它可大大提高中繼環(huán)的使用效率。仍然以圖1的例子來說，改進(jìn)后見圖2。

圖2 中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)控制

上圖2中中繼環(huán)3頂進(jìn)完成后，中繼環(huán)1直接啟動(dòng)的同時(shí)，后座也同步頂進(jìn)，形成了環(huán)1和后座的聯(lián)動(dòng)?？梢钥闯鲭m然啟動(dòng)了3 個(gè)中繼環(huán)，加上后座總共有4 個(gè)頂進(jìn)區(qū)間，但實(shí)際上消耗頂進(jìn)時(shí)長的只有3 個(gè)區(qū)間，相當(dāng)于效率提高了25％，而且隨著啟用中繼環(huán)數(shù)量的增加，效率的提高會(huì)更為明顯。

當(dāng)然，在選擇啟用中繼環(huán)方面也有更為靈活的選擇，比如環(huán)1與環(huán)2的間距距離較長，或者摩阻力足夠大，在環(huán)1頂進(jìn)過程中不至于會(huì)讓環(huán)2閉合，那么就可以使得環(huán)1和環(huán)3形成聯(lián)動(dòng)，環(huán)2和后座形成聯(lián)動(dòng)（視具體情況設(shè)置），這種情況下效率會(huì)提高50％。

3.2 建立PLC系統(tǒng)控制平臺(tái)

中繼環(huán)啟用的設(shè)置依賴于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)已經(jīng)啟用的中繼環(huán)參數(shù)設(shè)置更為復(fù)雜，涉及到中繼環(huán)允許進(jìn)尺長度以及允許頂力。

隨著近些年設(shè)備控制工藝的提高，尤其是PLC工控系統(tǒng)在頂管設(shè)備控制方面的應(yīng)用，為中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)創(chuàng)造了一個(gè)極佳的平臺(tái)。

中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)由兩部分組成：PLC控制系統(tǒng)以及傳感器。上海市污水治理白龍港片區(qū)南線東段工程中一段混凝土頂管長度達(dá)2 080 m，且為曲線頂管，在全線設(shè)置了16 只中繼環(huán)。所有中繼環(huán)都納入到了PLC控制系統(tǒng)管理之下，如圖3所示。

圖3 PLC控制系統(tǒng)

傳感器包括中繼環(huán)油泵車的壓力變送器以及位移傳感器，主要用來檢測(cè)中繼環(huán)的工作油壓，并對(duì)壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；位移傳感器安裝于中繼環(huán)的左右以及上部，對(duì)中繼環(huán)的行程進(jìn)行測(cè)量，在曲線段還測(cè)出中繼環(huán)的張縫值。

3.3 過程參數(shù)調(diào)節(jié)

中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的本質(zhì)就是“多點(diǎn)同時(shí)頂進(jìn)”，即在頂進(jìn)過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)中繼環(huán)同時(shí)工作，從而大幅提高頂管的施工效率。

圖4 中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)實(shí)例

中繼環(huán)的頂進(jìn)參數(shù)調(diào)整將影響到多個(gè)方面，包括油壓、位移、頂進(jìn)時(shí)間以及形成聯(lián)動(dòng)的具體中繼環(huán)。

在圖4中可以看出頂管同時(shí)啟用了8 只中繼環(huán)共9 個(gè)頂進(jìn)區(qū)間，形成了三級(jí)的聯(lián)動(dòng)，也就是說同時(shí)可以有3 個(gè)區(qū)間進(jìn)行頂進(jìn)。從時(shí)間上來說相當(dāng)于僅僅啟用了3 只中繼環(huán)。這個(gè)效率的提升是巨大的，將頂進(jìn)效率提升了3 倍。在這條2 080 m的頂管中，中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)起到了極為重要的作用。

4 結(jié)語

采用上述中繼環(huán)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于白龍港超長距離曲線頂管，最終使得頂管順利進(jìn)行，不僅完成了超長距離頂管，而且極大的提高了施工效率，為以后更長距離的頂管積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。