高海東

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道復(fù)雜曲線管幕頂管施工軌跡控制技術(shù)

高海東

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

管幕工程是港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道的重要組成部分,曲線頂管是本工程核心技術(shù)之一，其成功與否將直接關(guān)系到項(xiàng)目的成敗。管幕下穿拱北口岸，埋深4～5 m，平均長(zhǎng)度257.92 m，位于半徑890 m圓曲線和緩和曲線組成的組合曲線上，精度要求±50 mm，地表沉降要求小于30 mm，管幕所處地層地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感，人流、車流眾多，管節(jié)軌跡控制難度大，軌跡精度控制是管幕工程難點(diǎn)之一。從頂管機(jī)設(shè)備選型、管節(jié)長(zhǎng)度、F形接頭設(shè)計(jì)、測(cè)量控制、動(dòng)態(tài)糾偏、始發(fā)接收控制、管節(jié)軌跡實(shí)際偏差等幾個(gè)方面介紹管幕軌跡控制技術(shù)。

海底隧道；曲線頂管；F形接頭；施工軌跡；測(cè)設(shè)控制

1 工程概況

管幕工程是港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道的重要組成部分，曲線頂管是本工程核心技術(shù)之一，其成功與否將直接關(guān)系到本項(xiàng)目的成敗，設(shè)計(jì)方案幾經(jīng)修改完善，最終確定管幕工程由36根鋼管組成，另加1根0號(hào)試驗(yàn)管，共37根，平均長(zhǎng)度257.92 m，其中壁厚20 mm管節(jié)18根，壁厚24 mm管節(jié)19根，管節(jié)材料為Q235BZ鋼，管幕的橫斷面布置如圖1所示。管幕下穿拱北口岸，埋深4～5 m，管徑1 620 mm，位于半徑890 m圓曲線和緩和曲線組成的組合曲線上。

圖1 管幕橫斷面示意(單位：cm)

管幕所處地層地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感，人流、車流密集，管節(jié)軌跡控制難度大，軌跡精度控制是管幕工程難點(diǎn)之一，管幕的軌跡精度偏差要求≤±50 mm，地面沉降要求控制在30 mm以內(nèi)。目前管幕工程已完成0號(hào)、5號(hào)、29號(hào)管施工，管節(jié)軌跡精度偏差控制在要求范圍內(nèi)。

2 管幕軌跡精準(zhǔn)控制的影響因素

影響管幕軌跡精度控制的因素主要如下。

(1)管幕平均長(zhǎng)度257.92 m，距離長(zhǎng)，且位于緩和曲線和半徑890 m的圓曲線組成的組合曲線上，線形復(fù)雜。

(2)管幕所處地層地質(zhì)條件復(fù)雜，有人工填土、淤泥質(zhì)土、富水砂層等，且內(nèi)含混凝土塊、漂石等障礙物，施工難度大。

(3)管幕直徑達(dá)1 620 mm，每節(jié)管節(jié)質(zhì)量4.3 t，操作難度大。

(4)管幕埋深較深，承受的水壓大(最大水壓0.32 MPa)，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

(5)周邊環(huán)境敏感，建筑物眾多，人流、車流密集，頂管期間要保證拱北口岸正常通關(guān)。

3 設(shè)備選型

頂管機(jī)使用德國(guó)海瑞克AVN1200TC泥水平衡頂管機(jī)，該頂管機(jī)為本工程專門設(shè)計(jì)，管徑1 620 mm，最大頂力6 000 kN，機(jī)頭后50 m處設(shè)中繼間，可提供4 500 kN頂力，其主要特點(diǎn)如下。

(1)頂管機(jī)分為前后兩段鉸結(jié)，可調(diào)間隙100 mm，間隔120°，布置有3個(gè)油缸，可依據(jù)機(jī)頭采集到的數(shù)據(jù)隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏。

(2)配置全自動(dòng)UNS導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)導(dǎo)向，并按設(shè)定的軌跡向前推進(jìn)。

(3)配置了復(fù)合刀盤用以適應(yīng)不同地層的需要，能處理一般的混凝土塊、小塊石等障礙物，并可穿過素混凝土墻。

(4)采用先進(jìn)的泥水處理和自動(dòng)絮凝系統(tǒng)，環(huán)保安全，對(duì)地層影響小。

4 總體測(cè)量方案

首先對(duì)始發(fā)端和接收端進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量，統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)，再通過全站儀，把坐標(biāo)傳遞至海瑞克AVN1200TC頂管機(jī)自帶的UNS導(dǎo)向系統(tǒng)內(nèi)。頂管過程中，根據(jù)機(jī)頭采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整頂進(jìn)方向，通過F形接頭實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)糾偏，然后每20 m左右再進(jìn)行1次人工測(cè)量校核，以人工測(cè)量為準(zhǔn)。頂管始發(fā)和接收階段要根據(jù)頂管機(jī)姿態(tài)與軌跡線形做好姿態(tài)調(diào)整。

5 管節(jié)及F形接頭設(shè)計(jì)

5.1 管節(jié)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

根據(jù)《頂管工程施工規(guī)范》(DG/TJ09—2049—2008)的要求，偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)≤0.3°，并綜合考慮鋼板定尺規(guī)格、管節(jié)焊接工作量、糾偏力作用下的穩(wěn)定性、施工工藝等因素，確定管節(jié)基本長(zhǎng)度采用4 m，經(jīng)驗(yàn)算偏轉(zhuǎn)角度為0.26°，能夠滿足規(guī)范要求，管節(jié)長(zhǎng)度計(jì)算如圖2所示。

圖2 管節(jié)長(zhǎng)度計(jì)算示意

5.2 F形接頭和木質(zhì)墊塊

為保證頂進(jìn)過程中鋼管能夠順利偏轉(zhuǎn)，兩節(jié)鋼管間采用F形接頭連接，接頭型式如圖3所示。另外承插口間設(shè)置木質(zhì)墊塊(厚度20 mm，松木或其他材質(zhì)的復(fù)合板均可)，其作用是保證在頂進(jìn)過程中承插口能較好接合并通過內(nèi)外壓力差形成楔形。

圖3 F形接頭(單位：mm)

5.3 限位螺栓

為滿足線形要求同時(shí)保證管節(jié)能夠形成有效鉸接，且不超過外側(cè)最大間隙的要求，采用M33螺栓連接，螺栓最大間隙預(yù)留7 mm，頂管結(jié)束后擰緊所有螺栓，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況如圖4所示。

圖4 F形接頭及木墊塊

6 測(cè)量控制

管節(jié)頂進(jìn)過程中的導(dǎo)向精度直接決定了管幕軌跡的精度，因此，要高度重視測(cè)量控制。測(cè)量控制分為3個(gè)方面：一是始發(fā)端和接收端的聯(lián)系測(cè)量，確保兩端采用的坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)；二是頂管機(jī)自身的導(dǎo)向，采用海瑞克頂管機(jī)配套UNS自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)；三是定期人工復(fù)核，修正頂管機(jī)UNS系統(tǒng)的姿態(tài)控制參數(shù)，及時(shí)糾偏。

6.1 導(dǎo)線聯(lián)測(cè)與井內(nèi)聯(lián)系測(cè)量

6.1.1 始發(fā)端與接收端導(dǎo)線聯(lián)測(cè)

頂進(jìn)工作開始前，始發(fā)端與接收端所用導(dǎo)線要進(jìn)行聯(lián)測(cè)，結(jié)果符合要求后進(jìn)行平差計(jì)算，按平差后坐標(biāo)作為計(jì)算依據(jù)，用來指導(dǎo)后續(xù)施工。

6.1.2 井內(nèi)聯(lián)系測(cè)量

聯(lián)測(cè)后，需要將坐標(biāo)傳遞至工作井內(nèi)。試驗(yàn)管階段采用后方交會(huì)法測(cè)量，在井壁上布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)，置鏡于工作平臺(tái)上，后視4個(gè)控制點(diǎn)建站，建站完成后按支導(dǎo)線法向前施測(cè)。全面頂管階段采用井內(nèi)投點(diǎn)法向管內(nèi)傳遞坐標(biāo)和高程。

6.2 UNS系統(tǒng)導(dǎo)向控制

UNS導(dǎo)向系統(tǒng)為AVN1200TC頂管機(jī)配套導(dǎo)向系統(tǒng)，最大偏差為1 mm/m。開始頂進(jìn)前，把相應(yīng)管幕對(duì)應(yīng)的軌跡參數(shù)輸入到UNS系統(tǒng)內(nèi)，作為初始頂進(jìn)的參數(shù)，其機(jī)頭尾部有靶心，經(jīng)靶心把坐標(biāo)傳遞至頂管機(jī)內(nèi)，過程中糾偏也以靶心作為傳遞介質(zhì)，UNS系統(tǒng)激光靶見圖5。

圖5 UNS導(dǎo)向系統(tǒng)靶心示意

初始參數(shù)設(shè)置分3個(gè)部分：激光標(biāo)靶參數(shù)設(shè)置(ELS)、高度傳感器設(shè)置(HWL)、激活陀螺儀(GNS)。通過ELS參數(shù)設(shè)置可以確定機(jī)器的狀態(tài)，與設(shè)計(jì)值比較，如有偏差進(jìn)行及時(shí)調(diào)整；HWL高度傳感器實(shí)時(shí)反應(yīng)頂進(jìn)過程中的高程變化，指導(dǎo)操作人員動(dòng)態(tài)調(diào)整操作參數(shù)；通過GNS系統(tǒng)輸入對(duì)應(yīng)管幕對(duì)應(yīng)曲線要素，確定管幕走向，指導(dǎo)頂進(jìn)作業(yè)。

6.3 動(dòng)態(tài)糾偏

頂管過程中，控制室顯示屏上能夠隨時(shí)顯示頂管機(jī)的偏位情況，操作人員要依據(jù)屏幕顯示的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，并依據(jù)顯示的機(jī)頭偏差情況動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)頭姿態(tài)，保證機(jī)頭偏差控制在50 mm以內(nèi)，顯示屏如圖6所示。另外，機(jī)頭形成軌跡空腔后，后續(xù)的管節(jié)即按空腔的軌跡前進(jìn)，即使發(fā)生偏位，調(diào)整的可能性也很小，因此，確保機(jī)頭軌跡在偏差允許范圍內(nèi)是軌跡控制的關(guān)鍵。

圖6 控制臺(tái)顯示屏

6.4 人工校核

頂管機(jī)在UNS導(dǎo)向系統(tǒng)支持下持續(xù)向前推進(jìn)，每頂進(jìn)20 m左右人工校核1次。人工校核時(shí)將全站儀建站于始發(fā)端工作平臺(tái)之上，按建立的支導(dǎo)線向前延伸。測(cè)量采用索佳SET1X全站儀，測(cè)距精度2 mm+2 ppm、測(cè)角精度為1″，高程采用S3水準(zhǔn)儀測(cè)設(shè)，每次復(fù)測(cè)成果輸入U(xiǎn)NS系統(tǒng)修正姿態(tài)控制參數(shù)。

7 始發(fā)與接收軌跡控制

7.1 始發(fā)控制

始發(fā)時(shí)，無論是自西向東還是自東向西頂進(jìn)，均應(yīng)采用曲線直頂方式，滿足3個(gè)鉸接后再啟用機(jī)頭糾偏功能，本工程取3個(gè)管節(jié)長(zhǎng)度作為直頂段，如圖7所示，始發(fā)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。這樣做的主要原因如下。

(1)由于始發(fā)端推進(jìn)導(dǎo)軌、孔口管長(zhǎng)度、井壁混凝土厚度、止水素混凝土墻厚度、頂管機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度及機(jī)械設(shè)備性能的影響，必須采用曲線直頂。

(2)始發(fā)時(shí)后背墻、推進(jìn)油缸導(dǎo)軌道、孔口管應(yīng)位于同一條直線之上，以保證管節(jié)居中穿過孔口管，均勻擠壓環(huán)形止水裝置，實(shí)現(xiàn)孔口有效止水，否則長(zhǎng)距離頂進(jìn)時(shí)易造成止水裝置失效。

(3)管幕穿過地連墻、素混凝土墻及始發(fā)端土體加固區(qū)時(shí)不方便糾偏。

圖7 始發(fā)段3段鉸接示意(單位：cm)

圖8 始發(fā)和接收現(xiàn)場(chǎng)

7.2 接收控制

接收時(shí)，為保證機(jī)頭姿態(tài)正確，距離破墻面20 m時(shí)，需對(duì)機(jī)頭姿態(tài)進(jìn)行精確調(diào)整，以便使機(jī)頭準(zhǔn)確落至接收艙內(nèi)。姿態(tài)調(diào)整的參數(shù)有橫向偏差、高程、里程3項(xiàng)。

8 已完成管節(jié)軌跡偏差曲線

0號(hào)、5號(hào)、29號(hào)管節(jié)中心點(diǎn)軌跡偏差曲線如圖9所示，正值表示向南側(cè)偏移，負(fù)值向北側(cè)偏移，從圖中可知，3根管幕所有偏差均在±50 mm以內(nèi)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 0號(hào)、5號(hào)、29號(hào)管節(jié)軌跡偏差

9 不同地質(zhì)條件頂進(jìn)速度對(duì)軌跡的影響

從現(xiàn)場(chǎng)頂管的情況來看，淤泥段、黏土段的頂進(jìn)速度為30～100 mm/min，富水砂層段為200～350 mm/min，推進(jìn)速度相差較大。推進(jìn)速度快的地段往往就是地層松軟，線形較難控制地段，從0號(hào)、5號(hào)、29號(hào)管節(jié)的施工來看，較大偏差出現(xiàn)在富水砂層段。因此，進(jìn)入松軟砂層后要控制推進(jìn)速度≤200 mm/min，同時(shí)人工復(fù)核頻率調(diào)整為1次/8 m。

10 結(jié)語(yǔ)

截止2013年12月，拱北隧道已順利完成0號(hào)、5號(hào)、29號(hào)管節(jié)施工，并形成了一套可靠的軌跡控制技術(shù)，已頂管節(jié)軌跡偏差均在50 mm以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)意圖，對(duì)剩余管幕施工具有重要的指導(dǎo)意義，但仍有一些問題需要解決，如UNS系統(tǒng)與人工校核的匹配性、不同頂管順序?qū)敼芫鹊挠绊?、后頂管?duì)先頂管的軌跡影響、管節(jié)適當(dāng)加長(zhǎng)后精度控制方案等尚需在下一階段頂管時(shí)進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

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Trajectory Control over Complex Curve Pipe Jacking in Gongbei Tunnel on Zhuhai Macao Bridge Zhuhai Connecting Line

GAO Hai-dong

(China Railway 18thBureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 300222, China)

2013-12-05；

：2013-12-26

高海東(1974—)，男，高級(jí)工程師，1998年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，工學(xué)學(xué)士。

1004-2954(2014)09-0106-04

U455.47

：B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.026