鄭州市下穿中州大道超大斷面矩形隧道頂管姿態(tài)控制技術(shù)

榮 亮，楊紅軍

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和地下空間的開發(fā)，越來越多的矩形頂管隧道應(yīng)用于地下工程的建設(shè)。隨著矩形頂管橫斷面尺寸的增大，施工過程中存在開挖面各點(diǎn)壓力差別、頂管側(cè)向受力不均等問題，造成超大斷面矩形隧道施工中的頂管姿態(tài)難以控制。文獻(xiàn)［1－4］主要介紹了頂管隧道施工關(guān)鍵技術(shù)，對頂管姿態(tài)進(jìn)行了分析和闡述;文獻(xiàn)［5－7］介紹了頂管隧道糾偏原理，闡述了部分頂管姿態(tài)糾偏的關(guān)鍵技術(shù)措施;文獻(xiàn)［8］介紹了泥墊式防側(cè)轉(zhuǎn)控制技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用;文獻(xiàn)［9－11］主要介紹了頂管姿態(tài)的測量方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了頂管姿態(tài)控制;文獻(xiàn)［12］主要介紹了一種應(yīng)用圖像識別技術(shù)測量頂管機(jī)姿態(tài)的方法;文獻(xiàn)［13］介紹了大型機(jī)械頂管姿態(tài)控制技術(shù)在施工中的應(yīng)用;文獻(xiàn)［14］介紹了在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中穿越黃河長距離頂管質(zhì)量控制技術(shù);文獻(xiàn)［15］主要介紹了矩形頂管防側(cè)轉(zhuǎn)的控制措施。以上研究針對頂管姿態(tài)控制措施的一個(gè)或幾個(gè)方面進(jìn)行了介紹，而對于超大斷面矩形頂管姿態(tài)整套控制技術(shù)，可供參考的文獻(xiàn)不多。本文以鄭州市下穿中州大道工程為背景，對超大斷面矩形頂管姿態(tài)控制難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并對頂管姿態(tài)控制和糾偏措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 工程概況

紅專路下穿隧道起始點(diǎn)位于紅專路與姚寨路交叉口處，沿紅專路向東下穿中州大道，終點(diǎn)位于紅專路與龍湖外環(huán)路交叉口處，工程全長801.263 m。其中，下穿中州大道段采用矩形土壓平衡頂管法施工，長度為105 m。頂管段隧道為4條隧道平行布置，中間2孔為機(jī)動(dòng)車道，斷面為10.10 m×7.25 m(寬×高)，兩側(cè)2孔為非機(jī)動(dòng)車道，斷面為7.50 m×5.40 m(寬×高)。頂管隧道平面、橫斷面布置見圖1和圖2。

圖1 頂管段隧道平面布置圖(單位:m)Fig.1 Plan layout of four tunnel tubes constructed by pipe jacking method(m)

圖2 頂管段隧道橫斷面布置圖(單位:m)Fig.2 Cross-section of four tunnel tubes constructed by pipe jacking method(m)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，本工程所處地貌單元為黃河沖積平原，地形起伏較小。勘探深度范圍內(nèi)地基土屬第四系沉積地層，分布較為規(guī)律，其縱橫向展布較均勻，起伏變化不大，主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂等，工程地質(zhì)橫斷面見圖3。

圖3 頂管隧道地質(zhì)橫斷面圖(單位:m)Fig.3 Geological profile of four tunnel tubes constructed by pipe jacking method(m)

場地勘察期間，地下水位埋深在地表下7.7～9.0 m處，根據(jù)區(qū)域資料，場地地下水位年變幅為1～2 m。

2 頂管機(jī)簡介

4條頂管隧道采用2臺頂管機(jī)進(jìn)行施工，其中機(jī)動(dòng)車道頂管機(jī)斷面為10.12 m ×7.27 m(寬 × 高)，見圖4，非機(jī)動(dòng)車道頂管機(jī)斷面為7.52 m×5.42 m(寬×高)，見圖5。2臺土壓平衡頂管機(jī)采用6個(gè)刀盤切削土體，雙螺旋機(jī)出土，盾體中部周向布置主動(dòng)糾偏油缸，其布置見圖6和圖7，糾偏油缸參數(shù)見表1。

3 頂管姿態(tài)控制難點(diǎn)分析

1)頂管隧道斷面為矩形，由于地層的不均勻性和注漿壓力的偏差，極易造成頂管隧道左右側(cè)壓力不等，致使頂管隧道軸線偏差。

2)頂管隧道斷面極大，施工過程中易出現(xiàn)土艙各點(diǎn)壓力不均且不連續(xù)，導(dǎo)致土艙左、右側(cè)或上、下側(cè)壓力不平衡，造成頂管隧道軸線偏差。

圖4 大頂管機(jī)工廠組裝照片F(xiàn)ig.4 Large pipe-jacking machine at workshop

圖5 小頂管機(jī)工廠組裝照片F(xiàn)ig.5 Small pipe-jacking machine at workshop

圖6 大頂管糾偏油缸布置圖Fig.6 Layout of deviation-rectifying cylinders of large pipe-jacking machine

圖7 小頂管糾偏油缸布置圖Fig.7 Layout of deviation-rectifying cylinders of small pipe-jacking machine

表1 大、小頂管糾偏油缸技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameters of deviation-rectifying cylinders of large and small pipe-jacking machines

3)由于頂管機(jī)長度較短且質(zhì)量較大，隧道覆土淺，同時(shí)，施工過程中注入大量的觸變泥漿;所以，頂管掘進(jìn)施工過程中，極易出現(xiàn)頂管機(jī)"載頭"和管節(jié)上浮現(xiàn)象。

4)4條隧道平行布置，且凈間距僅為1.0 m，頂進(jìn)過程中受多次擾動(dòng)，造成中間土體壓力大量釋放，在后期隧道推進(jìn)施工過程中，極易出現(xiàn)正掘進(jìn)隧道和已完成隧道向中間移動(dòng)。

5)頂管隧道一次性頂進(jìn)距離為105 m，隨著頂進(jìn)距離的增加，頂管隧道柔性增加，在掘進(jìn)過程中極易出現(xiàn)擺動(dòng)。

4 姿態(tài)控制技術(shù)措施

4.1 姿態(tài)測量

頂管姿態(tài)測量采用自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工輔助測量相結(jié)合的方式，以確保對頂管姿態(tài)的精確控制。施工過程中，根據(jù)線路條件所做的分段軸線擬合控制計(jì)劃、導(dǎo)向系統(tǒng)反映的姿態(tài)信息來控制頂管機(jī)的推進(jìn)姿態(tài)。

4.1.1 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)

自動(dòng)導(dǎo)向采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)，控制頂管推進(jìn)5個(gè)方向自由度，保證頂管頂進(jìn)方向的正確。激光導(dǎo)向系統(tǒng)能夠?qū)敼茉谕七M(jìn)過程中的姿態(tài)以及頂管的線路和位置關(guān)系進(jìn)行精確測量和顯示，能夠全天候在頂管機(jī)主控室動(dòng)態(tài)顯示頂管當(dāng)前位置與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差，并據(jù)此控制、調(diào)整頂管推進(jìn)方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內(nèi)。

4.1.2 人工測量

頂管推進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)后視基準(zhǔn)點(diǎn)需要前移，必須通過人工測量來進(jìn)行精確定位。為保證推進(jìn)方向的準(zhǔn)確可靠，每10 m進(jìn)行1次人工測量，以校核自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，并復(fù)核頂管的位置和姿態(tài)。

4.2 鉸接油缸糾偏

在超大斷面矩形頂管施工過程中，鉸接糾偏是最直接、最有效的姿態(tài)控制方法之一。鉸接油缸位置的放置需考慮調(diào)向的靈敏性和盾體穩(wěn)定的導(dǎo)向作用2方面要求。超大矩形頂管前盾的長度較短，使鉸接力能夠有效地傳遞到刀盤，便于轉(zhuǎn)向;尾盾設(shè)計(jì)較長，并通過拉桿與后3～4環(huán)管節(jié)相連接，避免出現(xiàn)過度糾偏。

正常掘進(jìn)時(shí)，鉸接油缸全部收回，以防頂管姿態(tài)發(fā)生偏差。當(dāng)頂管姿態(tài)發(fā)生偏差時(shí)，將發(fā)生偏差側(cè)的鉸接油缸進(jìn)行伸長，以調(diào)整頂管姿態(tài)。同時(shí)，將相應(yīng)側(cè)的用于與頂管機(jī)和管片連接的拉桿松動(dòng)，以利于頂管姿態(tài)的調(diào)整。鉸接伸長的距離根據(jù)地層情況、姿態(tài)偏差的大小、擬合掘進(jìn)線路等綜合確定。

4.3 注漿糾偏

當(dāng)頂管機(jī)發(fā)生中線偏差或滾轉(zhuǎn)、鉸接糾偏能力不足時(shí)，可借助于盾體及管節(jié)上預(yù)留的觸變泥漿孔及糾偏泥漿注入系統(tǒng)，在需要的位置向地層注入糾偏泥漿，見圖8，調(diào)整頂管周圍的地層壓力，依靠地層壓力的偏差和地層的微量壓縮性進(jìn)行糾偏。

4.4 雙螺旋機(jī)出土糾偏

為保證土艙各點(diǎn)壓力的連續(xù)性和均勻性，頂管機(jī)設(shè)計(jì)為雙螺旋機(jī)出土，見圖9。

在正常掘進(jìn)過程中，要保持雙螺旋機(jī)出土的一致，防止土艙左、右側(cè)或上、下側(cè)壓力出現(xiàn)不平衡，造成頂管隧道軸線偏差。當(dāng)頂管出現(xiàn)姿態(tài)偏差時(shí)，可以通過調(diào)整雙螺旋機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制雙螺旋機(jī)出土量和土艙左、右側(cè)或上、下側(cè)壓力差，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

圖8 糾偏注漿泵Fig.8 Grouting pumps

圖9 雙螺旋機(jī)現(xiàn)場出渣照片F(xiàn)ig.9 Muck releasing by twin screw conveyors

4.5 六刀盤的控制

頂管共設(shè)有6個(gè)刀盤，每個(gè)刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向均可獨(dú)立控制。正常掘進(jìn)時(shí)，為了保證頂管機(jī)的穩(wěn)定以及減小頂管掘進(jìn)過程中對地層的擾動(dòng)，六刀盤控制的原則為"上下對稱，左右對稱"。在頂管掘進(jìn)過程中，正常情況下采用如圖10所示的4種掘進(jìn)模式。當(dāng)頂管機(jī)發(fā)生滾轉(zhuǎn)時(shí)，可通過6個(gè)或其中多個(gè)刀盤同向轉(zhuǎn)動(dòng)使頂管獲得某個(gè)方向的反扭矩，達(dá)到輔助滾轉(zhuǎn)糾偏的目的。

4.6 頂推油缸控制

頂管機(jī)推進(jìn)油缸設(shè)計(jì)為等推力油缸，每個(gè)油缸可單獨(dú)控制，防止頂推油缸對頂進(jìn)姿態(tài)產(chǎn)生不利影響。在每環(huán)掘進(jìn)過程中，必須檢查油缸長度2次以上，以保證油缸伸長長度一致。當(dāng)某根或某組油缸伸長長度較大時(shí)，必須進(jìn)行單獨(dú)控制，調(diào)整伸長量。

頂推油缸對頂管隧道姿態(tài)糾偏距離有限，一般可進(jìn)行糾偏掘進(jìn)的長度在30 m范圍內(nèi)，在頂管始發(fā)階段可通過調(diào)整油缸長度進(jìn)行姿態(tài)糾偏。頂管始發(fā)階段必須控制好頂管姿態(tài)，為后期頂管推進(jìn)打下良好基礎(chǔ)。

4.7 長距離推進(jìn)姿態(tài)控制

管節(jié)環(huán)向之間設(shè)計(jì)為承插口進(jìn)行連接。隨著頂管推進(jìn)的距離增加，整條隧道的柔性加大，在掘進(jìn)過程中頂管隧道極易出現(xiàn)擺動(dòng)，造成頂管姿態(tài)很難控制。為增加頂管環(huán)向間的連接剛性，在管節(jié)環(huán)向間設(shè)置自鎖型連接銷(見圖11)，目的是在頂管隧道施工過程中起到抗剪、定位、止退等作用。

圖10 六刀盤控制的4種模式Fig.10 4 control modes of cutterheads

4.8 小間距掘進(jìn)姿態(tài)控制

4條隧道平行布置且凈間距僅為1.0 m，由于掘進(jìn)的多次擾動(dòng)造成地層壓力釋放，掘進(jìn)過程極易出現(xiàn)正掘進(jìn)隧道和已完成隧道向中間移動(dòng)，造成頂管隧道的姿態(tài)偏差。為此，在管節(jié)預(yù)制過程中，預(yù)埋壓力傳感器(見圖12)，時(shí)刻監(jiān)測頂管隧道左右側(cè)的地層壓力，當(dāng)出現(xiàn)壓力偏差較大時(shí)，及時(shí)通過管節(jié)上預(yù)留的注漿孔注入觸變泥漿進(jìn)行調(diào)整，直至左右側(cè)壓力平衡為止。

圖11 自鎖型連接銷孔位布置及安裝圖Fig.11 Layout and installation of automatic-locking connection pins

圖12 壓力傳感器預(yù)埋施工圖Fig.12 Embedded pressure sensors

5 控制效果

4條頂管隧道于2014年8月30日全部貫通，經(jīng)4條頂管隧道施工的多次擾動(dòng)，頂管水平、高程、偏轉(zhuǎn)均控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。其中，管節(jié)偏轉(zhuǎn)控制在±1°，水平、高程姿態(tài)曲線見圖13。

圖13 4條頂管隧道姿態(tài)曲線圖Fig.13 Attitude control results of four tunnel tubes constructed by pipe-jacking method

6 結(jié)論與討論

針對超大矩形斷面、淺覆土、小間距、長距離頂管施工過程中的姿態(tài)控制問題，通過理論分析和施工過程控制，得出以下主要結(jié)論。

1)通過姿態(tài)量測、雙螺旋機(jī)出土、六刀盤操控、小間距掘進(jìn)控制、長距離掘進(jìn)控制等控制措施，可有效控制頂管姿態(tài)。

2)通過鉸接糾偏、注漿糾偏、雙螺旋機(jī)出土糾偏、六刀盤控制、頂進(jìn)油缸控制等糾偏措施，可有效進(jìn)行頂管姿態(tài)糾偏。

3)超大斷面矩形頂管姿態(tài)控制、糾偏難度較大，糾偏時(shí)要做到勤糾、慢糾。

4)在頂管施工中，必須根據(jù)工程實(shí)際、地層參數(shù)和現(xiàn)場條件，參考國內(nèi)外類似工程選擇糾偏參數(shù)。

5)鉸接糾偏和注漿糾偏是頂管姿態(tài)糾偏的主要措施，糾偏效果明顯。而如何根據(jù)姿態(tài)的大小來控制鉸接油缸伸長偏差以及注漿調(diào)整地層壓力差，有待進(jìn)一步研究，以防糾偏過小或過大。

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