淺埋小間距矩形頂管掘進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)探討

胡景軍， 豆小天， 李志軍， 王晉波， 趙李勇， 李永薔

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

在城市地下工程建設(shè)中，為避免傳統(tǒng)明挖“開膛破肚”式施工的不利影響，可采用頂管法等機(jī)械暗挖方法。頂管斷面多為圓形或矩形，矩形斷面具有空間利用率高的優(yōu)勢，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用。目前，我國的矩形頂管技術(shù)已被成功應(yīng)用于綜合管廊、地鐵區(qū)間隧道、地下過街通道等多類工程項目。但頂管施工仍存在諸多技術(shù)問題，尤其在掘進(jìn)斷面較大的頂管工程中，頂管機(jī)姿態(tài)控制困難及栽頭問題頻繁發(fā)生，影響工程質(zhì)量和安全。

國內(nèi)外學(xué)者對上述問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1-3]以鄭州市紅專路下穿中州大道項目為依托，對頂管掘進(jìn)姿態(tài)控制進(jìn)行了研究，指出采取鉸接糾偏、注漿糾偏等技術(shù)可有效控制頂管姿態(tài)。羅云峰等[4]針對上海白龍港片區(qū)南線輸送干管工程，介紹了該工程頂管頂進(jìn)姿態(tài)控制的關(guān)鍵技術(shù)。季向明[5]依托蘇州友翔路段小間距(凈間距0.6 m)矩形頂管施工工程，應(yīng)用機(jī)械二次改造及針對性的糾偏措施,成功控制了近間距雙排并行頂管的施工姿態(tài)。胡朝暉[6]以某過河管網(wǎng)工程為依托,論述了在長距離頂管過程中有效降低頂管軸線偏差的方法。田琨等[7]對頂管姿態(tài)控制技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)長距離頂管施工中的應(yīng)用進(jìn)行了討論分析。鮑立平等[8]提出了適合超長距離大口徑鋼頂管曲線頂進(jìn)的軌跡控制系統(tǒng)。 沈鑫國等[9]在對超大直徑盾構(gòu)隧道管片上浮問題研究時，認(rèn)為機(jī)體栽頭會導(dǎo)致管片上浮。金華等[10]依托南京地鐵新莊站3號出入口通道大斷面矩形頂管施工項目,研究了頂管機(jī)選型、頂進(jìn)參數(shù)與姿態(tài)控制、渣土改良等關(guān)鍵技術(shù)。孫博[11]結(jié)合西安市東月路頂管工程,對頂進(jìn)姿態(tài)控制、糾偏控制管理等進(jìn)行了重點分析研究。向炎標(biāo)[12]依托孝感市乾坤大道排水管道工程,對頂管施工中頂管洞口加固、泥漿觸變系統(tǒng)、管道頂進(jìn)與糾偏等關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)論述和總結(jié)。尹亞虎[13]研究了深圳地鐵9號線頂管工施工關(guān)鍵技術(shù)，指出對頂管姿態(tài)進(jìn)行測量、控制和糾偏是確保頂管軸線不產(chǎn)生較大偏差的前提。

目前，頂管機(jī)姿態(tài)控制方面的研究多為單洞頂管工程。本文所依托項目為采用結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法(structural cut and convert method, 簡稱“CC工法”)建造的地下停車場，具有隧道群淺埋、密貼施工等特殊性，因此，需對該特殊工程的頂管姿態(tài)控制技術(shù)進(jìn)行具體探討。本文結(jié)合該工程姿態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)，對產(chǎn)生栽頭及姿態(tài)偏差的原因進(jìn)行理論分析，提出相應(yīng)的控制措施，并采取現(xiàn)場試驗的方法進(jìn)行效果驗證。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地下停車場項目為采用CC工法施工的頂管施工大型裝配式地下工程。如圖1所示，該地下停車場規(guī)模為34.38 m×87.87 m(寬×長)，為地下1層結(jié)構(gòu)，設(shè)計停車位約93個。該項目采用頂管法施工，東端始發(fā)井尺寸為36.55 m×13.47 m，深為9.1 m；西端接收井尺寸為36.55 m×9.47 m，深為9.1 m；頂進(jìn)長度為61.58 m，頂管埋深為3.0 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

本場地勘探范圍內(nèi)揭露的第四系(Q)沉積地層，自上而下分別為雜填土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土及粉砂。場區(qū)各土層參數(shù)如表1所示。本項目地下停車場明挖基坑段及頂管施工段結(jié)構(gòu)底板最大埋深為9.15 m，主體結(jié)構(gòu)全部位于粉土層中，土性為稍濕，稍密—中密，土層分布連續(xù)。勘探深度范圍內(nèi)地下水類型為第四系潛水。場地地下水位埋深約18 m。

圖1 地下停車場示意圖(單位： m)

土層層厚/m重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)壓縮模量/MPa雜填土0.3516810粉砂1.6617101512.0粉土12.6516.810.927.19.0粉質(zhì)黏土1.3119.714.617.28.5粉砂1017.2101516.5

1.3 頂管施工

1.3.1 施工順序

如圖2所示，原大型矩形斷面劃分成7個小斷面的密貼頂管隧道，每條隧道長度為61.5 m，依圖中數(shù)字順序進(jìn)行頂管推進(jìn)施工。因分割斷面的特殊性，采用圖3所示的組合式頂管機(jī)，1臺5.02 m×5.74 m頂管機(jī)頂推中間5跨，其余2個邊跨采用拆改為5.02 m×2.87 m的頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)。相鄰2個頂管隧道獨立成型之后，進(jìn)行頂管隧道群的合并，實現(xiàn)整體的受力轉(zhuǎn)換，形成大型矩形斷面結(jié)構(gòu)。

圖2 隧道群分割及施工順序(單位： m)

圖3 組合式矩形頂管機(jī)

1.3.2 始發(fā)與正洞掘進(jìn)

結(jié)合工程經(jīng)驗，在始發(fā)準(zhǔn)備階段，為防止矩形頂管機(jī)始發(fā)時出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，對頂管機(jī)始發(fā)基座進(jìn)行調(diào)試，實際高程比設(shè)計高0.50 cm，前端比后端高1.00 cm。

開始頂進(jìn)時，在頂管機(jī)姿態(tài)和上位機(jī)的初始數(shù)據(jù)都?xì)w零的情況下，只使用底部的2個千斤頂進(jìn)行緩慢頂進(jìn)，同時通過調(diào)節(jié)上下鉸接油缸的行程，使頂管機(jī)以稍微上揚(yáng)的姿態(tài)進(jìn)洞。

在正洞掘進(jìn)過程中，根據(jù)測量的實際姿態(tài)，通過調(diào)節(jié)上中下3組千斤頂?shù)男谐袒虿捎貌煌氖褂媒M合進(jìn)行姿態(tài)控制，同時通過上下、左右4組鉸接油缸進(jìn)行姿態(tài)調(diào)節(jié)，以使掘進(jìn)姿態(tài)按設(shè)計高程推進(jìn)，防止栽頭現(xiàn)象發(fā)生。

2 矩形頂管栽頭現(xiàn)象及原因分析

2.1 頂管機(jī)栽頭現(xiàn)象

頂管機(jī)栽頭是掘進(jìn)過程中的一種非正常姿態(tài)，其主要表現(xiàn)為頂管機(jī)向下“磕頭”或“低頭”的現(xiàn)象。頂管機(jī)栽頭會使掘進(jìn)姿態(tài)偏離設(shè)計軸線，引起拼裝管節(jié)錯位，易造成工程質(zhì)量和安全事故。

由表2所示的管片實測標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高的高差可知，本項目在1#隧道始發(fā)和掘進(jìn)過程中，前3環(huán)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的栽頭現(xiàn)象。

表2 管片高程復(fù)測記錄表

2.2 頂管機(jī)栽頭原因分析

通過對1#隧道始發(fā)和掘進(jìn)參數(shù)、管片姿態(tài)復(fù)測數(shù)據(jù)以及掘進(jìn)作業(yè)過程分析可知，頂管機(jī)栽頭現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：

1)頂管機(jī)體的重心偏差。頂管機(jī)身質(zhì)量主要集中在機(jī)體前盾的前半部分。始發(fā)進(jìn)洞后，機(jī)身質(zhì)量由始發(fā)基座和混凝土地梁共同承受轉(zhuǎn)為由底部原狀土承受。但原狀土體的承載能力相對較弱，在機(jī)體重力作用下出現(xiàn)不均勻沉降。

2)土壓平衡未及時建立。本文為了研究洞門密封相關(guān)技術(shù)問題，選取1#隧道作為對照試驗組，僅1#隧道未安裝洞門密封。掘進(jìn)時出現(xiàn)了漏漿現(xiàn)象，雖然采取了棉紗封堵，仍有少量漏漿。泥漿的流失使洞門下方土體松軟，土體的承載力不足，同時造成掌子面未能及時達(dá)到土壓平衡，使前盾和土艙受力不均。

3)始發(fā)時姿態(tài)預(yù)留不夠。始發(fā)姿態(tài)預(yù)留主要體現(xiàn)在絕對標(biāo)高預(yù)留和趨勢預(yù)留2個方面。在1#隧道始發(fā)時，雖然對絕對標(biāo)高預(yù)留了0.50 cm，頂管機(jī)始發(fā)基座前端比尾端高1.00 cm，但該預(yù)留量仍未能滿足需求。

4)后靠不穩(wěn)，頂管機(jī)姿態(tài)失控。后靠墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)土體加固不牢或加固區(qū)域較小、頂管機(jī)后靠背不平整等，均會導(dǎo)致后靠受力不均，從而使頂管機(jī)姿態(tài)失控，造成栽頭現(xiàn)象。

3 防栽頭控制技術(shù)

基于1#隧道始發(fā)和掘進(jìn)過程中的栽頭現(xiàn)象及原因分析，在剩余6條隧道掘進(jìn)過程中，采取了多種防栽頭控制措施，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗驗證。

3.1 設(shè)備、管節(jié)定位處理

本項目頂管管節(jié)采用鋼混組合式管節(jié)，頂、底部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)壁采用鋼結(jié)構(gòu)。施工時，將頂管機(jī)和管節(jié)采用定位塊進(jìn)行固定連接，盾尾定位塊如圖4所示；同時，上下管片間除采用管片螺栓連接外，另在左右兩側(cè)鋼側(cè)壁之間進(jìn)行焊接連接(見圖5)，使頂管隧道與頂管機(jī)形成一個整體，防止頂管機(jī)栽頭。

圖4 盾尾定位塊

圖5 鋼側(cè)壁間焊接

3.2 洞門密封處理

在后續(xù)幾條隧道掘進(jìn)時增設(shè)洞門密封。洞門密封采用簾布橡膠板和鋼板壓板，在周圍混凝土端墻上安裝膨脹螺栓，一側(cè)鋼側(cè)壁上焊接螺栓來進(jìn)行固定，如圖6和圖7所示。同時，在始發(fā)頂進(jìn)過程中隨時觀察，發(fā)生漏漿現(xiàn)象時及時進(jìn)行密封，防止由于密封失效后不能及時形成土壓平衡條件而引起栽頭。

圖6 鋼側(cè)壁側(cè)密封

圖7 整體洞門密封

3.3 增加始發(fā)姿態(tài)的預(yù)留量

1#隧道始發(fā)掘進(jìn)時，雖然對始發(fā)基座進(jìn)行了一定的調(diào)試，但效果不理想，掘進(jìn)初期仍然出現(xiàn)了頂管機(jī)栽頭現(xiàn)象。結(jié)合隧道的實測高程偏差，在2#隧道以及后續(xù)的5條隧道始發(fā)時都對頂管機(jī)姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào)，具體調(diào)整參數(shù)如表3所示。

表3 頂管機(jī)姿態(tài)預(yù)留參數(shù)

3.4 后靠背安裝及穩(wěn)定性控制

后靠背的正確安裝定位，對于頂管掘進(jìn)始發(fā)姿態(tài)影響較大。本項目后靠背為對稱2件，每件11.5 t。2件后靠背對稱軸線安置，凈間距為3 400 mm；后靠背安放要垂直，與其后井墻留最少5 cm間隙。后靠背定位完成后，使用鋼筋、膨脹螺栓將其固定，并在其與墻體的間隙內(nèi)澆筑M15水泥砂漿，以保證后靠背的受力均衡。

后靠臺背回填時由于頂管機(jī)后靠周圍作業(yè)空間的限制，后靠混凝土的回填不易搗鼓或無法進(jìn)行搗鼓密實。針對這種現(xiàn)象，本項目經(jīng)過試驗，在1#—5#隧道后靠回填時，采用高流動性速凝混凝土進(jìn)行填充；在6#、7#隧道始發(fā)時，由于受到外部條件的制約無法采用速凝混凝土進(jìn)行回填，創(chuàng)新性地采用了河沙拌合水泥干灰的方法。

2種不同后靠回填方式各有其優(yōu)缺點： 速凝混凝土凝固性穩(wěn)定性高，但受制于外界條件；河沙拌合水泥干灰不受外界條件制約，但其混合參量需要進(jìn)一步優(yōu)化，對河沙和水泥干灰的混合質(zhì)量不易保證。通過現(xiàn)場試驗，這2種方式均對頂管機(jī)防栽頭控制起到了良好的作用。

4 掘進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)

通過分析研究上述頂管掘進(jìn)防栽頭現(xiàn)象原因及處理措施可以看出，因頂管掘進(jìn)過程的復(fù)雜性，無論采取何種措施，都要求必須實時精準(zhǔn)地掌握頂管施工全過程的掘進(jìn)姿態(tài)情況，以便及時了解掘進(jìn)不利姿態(tài)，采取相應(yīng)的控制措施，保證掘進(jìn)姿態(tài)正常。因此，有必要進(jìn)行頂管機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)控制的技術(shù)研究。

4.1 導(dǎo)向系統(tǒng)

本工程頂管施工采用MTG-M頂管自動導(dǎo)向系統(tǒng)，如圖8—10所示。系統(tǒng)地面控制室采用1臺計算機(jī)監(jiān)控地下頂管機(jī)狀態(tài)；地下部分由MTL激光靶、激光經(jīng)緯儀、行程傳感器、電臺通訊設(shè)備和控制設(shè)備組成。

圖8 MTG-M系統(tǒng)示意圖

圖9 激光靶安裝圖

圖10 經(jīng)緯儀安裝圖

導(dǎo)向系統(tǒng)的硬件設(shè)備安裝后，人工測量出激光經(jīng)緯儀的測站坐標(biāo)和高程以及激光靶的位置，同時在激光經(jīng)緯儀可視范圍內(nèi)設(shè)置輔助點并測定其坐標(biāo)，計算激光經(jīng)緯儀與輔助點的方位角與設(shè)計軸線的夾角，調(diào)整激光經(jīng)緯儀的光束與設(shè)計軸線平行；激光靶通過接收激光束來采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至地面計算機(jī)，通過系統(tǒng)內(nèi)部的計算軟件得出成果，由顯示器呈現(xiàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)掌控。

理論上，測量系統(tǒng)需安裝在后靠背上，但由于現(xiàn)場作業(yè)空間限制，激光經(jīng)緯儀安裝在了始發(fā)井側(cè)墻上，頂管機(jī)推進(jìn)時，由于主頂油缸推力的變化，會對后靠背處的激光經(jīng)緯儀產(chǎn)生一定的擾動。因此，現(xiàn)場采取與人工輔助測量相結(jié)合的方式進(jìn)行掘進(jìn)姿態(tài)導(dǎo)向。施工時，加強(qiáng)始發(fā)井側(cè)墻的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行人工復(fù)核、調(diào)整激光經(jīng)緯儀的初始數(shù)據(jù)。

4.2 始發(fā)、到達(dá)姿態(tài)控制

頂管在始發(fā)、到達(dá)階段，因承受頂管機(jī)體自重荷載的載體承載力發(fā)生突變以及頂推力作用的變化，易造成頂管機(jī)姿態(tài)的變化，可能產(chǎn)生栽頭問題，需采取控制措施。

4.2.1 始發(fā)基座及頂管機(jī)就位

如圖11所示，始發(fā)基座作為頂管機(jī)的初始位置，頂管機(jī)就位時，其定位裝置的焊接位置要經(jīng)過精確計算和測設(shè)；就位后，要重新對頂管機(jī)進(jìn)行初始姿態(tài)的測量和計算，確保頂管機(jī)定位滿足要求。

圖11 頂管機(jī)安裝就位

4.2.2 后靠就位及安裝

本項目后靠采用2塊鋼構(gòu)件，并在其背后填充混凝土，其安裝位置要滿足主頂油缸安裝要求且后靠平面要與設(shè)計軸線垂直。安裝時要保證后靠平面上下垂直，防止在推進(jìn)過程中影響頂管機(jī)的俯仰角。

4.2.3 導(dǎo)軌定位安裝

導(dǎo)軌是始發(fā)基座和洞門連接的重要部分。頂管機(jī)在始發(fā)進(jìn)洞初期，刀盤的質(zhì)量大于盾尾的質(zhì)量，導(dǎo)軌要保證與始發(fā)基座軌道平齊，并且要加固牢靠，保證頂管以精準(zhǔn)的預(yù)定姿態(tài)進(jìn)洞。

4.2.4 洞門預(yù)留及破除

本工程隧道洞門采取預(yù)隔離施工，在始發(fā)井施工時將每個洞門兩側(cè)用模板隔開，隔開部位鋼筋全部斷開。但在后期施工期間發(fā)現(xiàn)，由于隧道軸線出現(xiàn)偏差，影響了其他隧道軸線位置，原先預(yù)留的洞門則需要重新定位和破除。洞門的破除必須滿足進(jìn)洞要求，并同時考慮洞門防水的尺寸。洞門破除如圖12所示。

圖12 洞門破除

4.2.5 頂管機(jī)始發(fā)趨勢

本項目共7跨隧道，頂管機(jī)始發(fā)時要調(diào)整好頂管機(jī)的油缸行程，防止頂管機(jī)與相鄰管節(jié)之間出現(xiàn)夾土；否則，頂管機(jī)的趨勢調(diào)整難度會相應(yīng)加大。

4.2.6 頂管始發(fā)與接收

由于加固區(qū)域的土體較硬，若在始發(fā)與接收的加固區(qū)掘進(jìn)趨勢發(fā)生了變化，則很難調(diào)整。故須嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，保證頂管機(jī)推進(jìn)趨勢的穩(wěn)定。

4.3 掘進(jìn)階段姿態(tài)控制

4.3.1 管節(jié)姿態(tài)

在正常推進(jìn)過程中，要保證至少每2環(huán)復(fù)測1次管節(jié)姿態(tài)，計算管節(jié)與設(shè)計軸線的偏差值，再與導(dǎo)向姿態(tài)進(jìn)行對比，保證復(fù)測姿態(tài)與導(dǎo)向姿態(tài)基本一致。

4.3.2 頂管機(jī)姿態(tài)

由于頂管機(jī)設(shè)備的原因，本工程導(dǎo)向只能計算出頂管機(jī)前盾尾部的姿態(tài)，無法及時顯示刀盤的姿態(tài)，掘進(jìn)趨勢顯示相對滯后。因此，在頂管機(jī)始發(fā)前，在頂管機(jī)上布置輔助觀測點，并測出輔助點與頂管的相對位置關(guān)系，通過測量輔助點，計算出頂管機(jī)的姿態(tài)； 同時，在既有的相鄰管節(jié)上取孔，通過人工復(fù)測頂管機(jī)與既有管節(jié)之間的間隙，了解頂管機(jī)的推進(jìn)趨勢。

4.3.3 控制推進(jìn)速度

頂管機(jī)在掘進(jìn)過程中，需嚴(yán)格控制其推進(jìn)速度。這是因為施工時若需進(jìn)行推進(jìn)趨勢調(diào)整，如果此時推進(jìn)速度過快，則難以在短時間內(nèi)將頂管機(jī)糾正到原設(shè)計軸線上。

4.4 隧道先后施工姿態(tài)控制

本項目結(jié)構(gòu)斷面劃分成7個小斷面的密貼頂管隧道，各隧道先后依序掘進(jìn)，因此，各隧道掘進(jìn)時的軸線控制尤為重要。本項目軸線控制除采用頂管機(jī)導(dǎo)向裝置外，還采取了“E”型導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)，如圖13所示。導(dǎo)向裝置設(shè)計了防止頂管機(jī)貼死的結(jié)構(gòu)，陽榫、陰榫相互作用，可抑制管節(jié)偏向，以此防止對相鄰隧道造成的不利影響。

圖13 “E”型導(dǎo)向槽裝置

“E”型導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)可對隧道偏向相鄰隧道的情況起到良好的控制作用，但實際施工時，隧道也發(fā)生了偏離相鄰隧道的情況，導(dǎo)致隧道間存在夾土。故在掘進(jìn)時，若偏離程度較小，可結(jié)合前述措施調(diào)整，若偏離較大，夾土量過多，則需采取清理夾土的糾偏措施。

5 掘進(jìn)姿態(tài)糾偏技術(shù)

5.1 調(diào)整鉸接油缸行程差

當(dāng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向姿態(tài)偏離軸線時，應(yīng)及時調(diào)整鉸接行程差，且調(diào)整幅度不宜過大，調(diào)整行程差一般為5～10 mm。由于矩形頂管鉸接存在聯(lián)動情況，所以在調(diào)整頂管機(jī)姿態(tài)(水平/垂直)時還要保證其(垂直/水平)不能發(fā)生變化。

如表4所示，在3#隧道掘進(jìn)期間，當(dāng)推進(jìn)至21環(huán)時，頂管機(jī)水平姿態(tài)出現(xiàn)了偏差(水平偏差為-16.7 mm，垂直偏差為-8.9 mm)；此時調(diào)整鉸接行程差，最終經(jīng)歷9環(huán)的距離，將頂管機(jī)糾正到設(shè)計軸線上(水平偏差為-0.2 mm，垂直偏差為-7.5 mm)。

表4 3#隧道管片姿態(tài)監(jiān)測

5.2 調(diào)整主推油缸行程差

當(dāng)頂管機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)偏差比較大，僅靠鉸接油缸無法完成頂管機(jī)趨勢的調(diào)整時，則需同時調(diào)整主動油缸的行程差。

本工程所用矩形頂管機(jī)的主動油缸無法單獨或者分組調(diào)整推力，所以在調(diào)整主動油缸行程差時需要在油缸伸長的一側(cè)管節(jié)與頂鐵之間加設(shè)竹膠板，在管節(jié)之間加設(shè)傳力襯墊；在推力滿足推進(jìn)的情況下，在油缸縮短的一側(cè)可以減少使用1根或者2根油缸(本辦法僅限于隧道的前半部分，當(dāng)推進(jìn)距離加長時，減少油缸無法滿足掘進(jìn)需要的推力)。

5.3 減小姿態(tài)偏差方向的土壓

在頂管機(jī)掘進(jìn)期間，當(dāng)頂管機(jī)姿態(tài)偏差較大且調(diào)整后無明顯變化時，較大一部分原因是頂管機(jī)與相鄰既有管節(jié)之間存在夾土造成的。此時可根據(jù)實際情況拆掉已完成隧道的既有管節(jié)，清除頂管機(jī)與既有管節(jié)之間的夾土，減小頂推的阻力，進(jìn)而增加頂管機(jī)趨勢調(diào)整的速度。

5.4 應(yīng)用效果分析

如圖14所示，7#隧道推進(jìn)過程中，頂管機(jī)易發(fā)生向外側(cè)偏離，其原因是管節(jié)為鋼混復(fù)合式管節(jié)，1#—5#隧道管節(jié)頂部與底部為混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為鋼側(cè)壁； 7#隧道管節(jié)外側(cè)、頂部及底部為混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為鋼側(cè)壁，質(zhì)量分部不均勻，易發(fā)生姿態(tài)偏差。

圖14 7#隧道頂管機(jī)掘進(jìn)趨勢

針對7#隧道推進(jìn)過程中頂管機(jī)易發(fā)生向外側(cè)偏離的問題，進(jìn)行了一系列控制措施調(diào)整：

1)掘進(jìn)前期，通過調(diào)整鉸接油缸來調(diào)整頂管機(jī)趨勢，但由于頂管機(jī)底部壓力過大，趨勢變化不明顯，反而在推力的影響下，頂管機(jī)滾動角越來越大；

2)為控制滾動角的變化趨勢，減小鉸接油缸的行程差的措施。但隨后頂管機(jī)又出現(xiàn)了向右偏差的趨勢，在推進(jìn)至22環(huán)時水平偏差為5.85 mm、垂直偏差為12.1 mm；

3)為調(diào)整向右偏差的趨勢，將鉸接行程差調(diào)至4.0 mm，但此時頂管機(jī)與5#隧道之間已經(jīng)存在夾土，偏差仍在增大；

4)清除夾土。將5#隧道鄰近7#隧道的鋼側(cè)壁拆除，清理兩隧道之間的夾土，減小頂管機(jī)與5#隧道鋼側(cè)壁之間的土壓力，在后續(xù)的推進(jìn)中頂管機(jī)向設(shè)計軸線回靠的趨勢有明顯的變化?，F(xiàn)場夾土清理如圖15所示。

圖15 夾土清理

根據(jù)圖14不難發(fā)現(xiàn)，在安裝第35環(huán)后，頂管中線偏差值的變化越來越小，說明掘進(jìn)姿態(tài)已基本得到控制，取得了較好的效果。

6 結(jié)論與建議

依托某地下停車場項目，針對矩形頂管施工過程中頂管機(jī)栽頭控制技術(shù)及掘進(jìn)姿態(tài)控制糾偏技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，得出如下結(jié)論：

1)針對1#隧洞掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的頂管機(jī)栽頭現(xiàn)象，進(jìn)行了原因分析。通過現(xiàn)場試驗，提出了設(shè)備、管節(jié)定位處理，洞門密封處理，增加始發(fā)姿態(tài)預(yù)留量，后靠穩(wěn)定性控制等防栽頭控制措施，現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用效果。

2)通過對姿態(tài)控制系統(tǒng)原理闡述，依托本項目實踐，提出了在施工始發(fā)、掘進(jìn)、到達(dá)各階段的姿態(tài)控制措施。始發(fā)前進(jìn)行始發(fā)基座、后靠背、導(dǎo)軌安裝，始發(fā)階段采取洞門預(yù)留、破除等控制措施，掘進(jìn)階段控制掘進(jìn)速度并輔以“E”型導(dǎo)向槽進(jìn)行軸線控制等措施，可有效控制頂管機(jī)頂進(jìn)姿態(tài)。

3)針對本項目，進(jìn)行了現(xiàn)場姿態(tài)糾偏試驗。通過調(diào)整鉸接油缸行程差、主推油缸行程差及姿態(tài)偏差方向的土壓的糾偏技術(shù)措施，取得了良好的施工效果。

矩形頂管施工仍存在姿態(tài)控制技術(shù)難度大、控制及糾偏措施多樣性等問題，需采取多種措施組合實施，協(xié)調(diào)控制。針對本項目實際應(yīng)用，提出以下幾點建議：

1)在頂管機(jī)盾體位置增設(shè)注泥裝置，利用注泥裝置注泥量和注泥方向變化進(jìn)行頂管機(jī)姿態(tài)控制。

2)刀盤的超挖和土艙內(nèi)土體攪拌不均勻?qū)敼軝C(jī)栽頭有一定的影響，建議對頂管機(jī)刀盤進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，使刀盤的尺寸大小、結(jié)構(gòu)形式和攪拌棒的安裝位置、尺寸結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)組合。

3)由于頂管機(jī)設(shè)備的原因，無法及時顯示刀盤的姿態(tài)，需借助測量輔助點，計算出頂管機(jī)的姿態(tài)，并需對頂管機(jī)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以便在掘進(jìn)過程中，能夠方便直接地對刀盤區(qū)域的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與控制。