路 剛

(中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東泰安 271000)

1 前言

小型頂管機將越來越多地被廣泛應(yīng)用，是城市化建設(shè)的大勢所趨。頂管機施工與地理條件及地理位置緊密相關(guān)，淺埋深土層對施工要求更高。

太原市迎澤大街下穿火車站通道工程為全國首次采用管幕結(jié)構(gòu)法施工，要在火車站正常運營的前提下，保質(zhì)保量完成施工任務(wù)。要求頂管機精確無誤地按照設(shè)定的軸線頂進，淺埋深土層下復雜的環(huán)境[1－4]，對敞開式頂管機的糾偏造成了巨大的困擾。本文結(jié)合工程實踐，對敞開式頂管機滾動角與糾偏進行探討和研究。

2 工程概述及水文地質(zhì)條件

(1)工程簡介

太原市迎澤大街下穿火車站通道建設(shè)工程是迎澤大街向東發(fā)展的主要通道，緩解了以火車站為城市中心的交通壓力，便捷了通往火車站的出行條件。主要施工任務(wù)為南北兩條車行通道，其中管幕段南通道長107.4 m，北通道長102.5 m，管幕段施工需要將20根φ2 000 mm的鋼管頂進，形成環(huán)形管幕作為永久支護，最淺埋深距火車股道2.7 m。施工過程中對可能遇到障礙物的淺埋深管幕采用敞開式頂管機，其余采用土壓平衡式頂管機施工。圖1為管幕鋼管布置圖。

圖1 管幕鋼管布置

(2)周邊環(huán)境

太原火車站是全國多條鐵路線的交匯點，改造后的太原站采用無柱雨棚，在站臺下殘留了部分原雨棚柱鋼筋混凝土基礎(chǔ)。南下穿通道需經(jīng)過既有行包地道，北下穿通道需經(jīng)過既有排水暗涵。下穿鐵路接觸網(wǎng)、通信、信號、電力等，太原火車站經(jīng)過多次站場改造，下穿范圍內(nèi)存在廢棄接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)、軌枕、孤石、磚墻等障礙物。

(3)地質(zhì)及水文

施工區(qū)屬于暖溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候區(qū)，四季分明。根據(jù)勘察資料顯示，施工區(qū)域地層上部以雜填土、素填土為主，下部為新黃土地層。施工區(qū)域內(nèi)未見地表水，地下水主要賦存于新黃土、填土中，水位變化受大氣降水的影響有升降變化，新黃土滲透性等級為弱透水；雜填土、素填土滲透性等級為中等透水。

3 滾動角與糾偏原理

敞開式頂管機在淺埋深土層中施工，糾偏過程有很多不可預見的影響因素，常會發(fā)生意想不到的偏轉(zhuǎn)，致使頂管機不受控制從而不能按照既定軸線頂進，因此在頂進過程中要高度重視糾偏[5]。

敞開式頂管機通過調(diào)整四組鉸接油缸來進行糾偏。頂管機發(fā)生偏轉(zhuǎn)是因為頂管機的機頭受掌子面土體土質(zhì)不同，產(chǎn)生的摩擦力不均勻而造成的。一般偏差分為三個方面:

(1)水平方向上的偏差:頂管機在水平方向上與設(shè)計軸線產(chǎn)生的方向偏差。

(2)高程方向上的誤差:頂管機在豎直方向上與設(shè)計軸線產(chǎn)生的高程誤差。

(3)自轉(zhuǎn)形成的滾動角:頂管機管壁受到的土體摩擦力不均勻，沿著設(shè)計軸線向摩擦力大的一側(cè)發(fā)生旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的角度偏轉(zhuǎn)。

如果在頂進過程中機頭向一方偏轉(zhuǎn)，則將同偏轉(zhuǎn)方向的兩組鉸接油缸伸長，相反方向的兩組鉸接油缸縮短。如果自轉(zhuǎn)形成滾動角，軸線位置不受這種偏差影響。如果偏轉(zhuǎn)角度過大，會使頂管機不受控制，在頂進過程通過外加配重來調(diào)節(jié)滾動角，滾動角的方向與外加配重的方向剛好相反[6－10]。圖2為四組鉸接油缸布置示意圖。

圖2 四組鉸接油缸布置

4 滾動角與糾偏技術(shù)

4.1 偏轉(zhuǎn)原因分析

引起敞開式頂管機發(fā)生偏轉(zhuǎn)的因素比較多，主要原因有土質(zhì)條件影響、工作井前后背墻的標準程度、安裝導軌的準確度、安裝壓力板與千斤頂及配套設(shè)備的準確度、頂管機始發(fā)的準確度、頂進過程挖機開挖的方式及對鉸接油缸糾偏的操作控制。具體形式如下:

(1)淺埋深地層土質(zhì)復雜多樣，內(nèi)含障礙物眾多，對頂進影響頗為嚴重。局部地層的障礙物致使管壁受力不均勻，導致頂管機產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)和滾動角。

(2)工作井的前后背墻是基礎(chǔ)建設(shè)，預埋套筒中心線與設(shè)計軸線需重合，保證頂進精確始發(fā)。

(3)安裝導軌受人為因素影響較大，在安裝導軌前要精確測量放點，確保導軌中心與預埋套筒中心在同一垂直面。如果導軌安裝精度有誤差，頂進受力不均勻?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖3為安裝導軌現(xiàn)場。

圖3 導軌安裝現(xiàn)場

(4)安裝壓力板要盡量保證豎向垂直，兩組頂進千斤頂油缸要平衡，配套頂進設(shè)備要安裝準確。

(5)頂進過程中對挖機的操作至關(guān)重要，如果操作不當極易發(fā)生偏轉(zhuǎn)；施工過程中土體開挖、土方運輸不規(guī)范，是造成管道頂進發(fā)生偏轉(zhuǎn)的直接原因。

(6)糾偏鉸接油缸操作不當，糾偏效果適得其反，并出現(xiàn)惡性循環(huán)。

(7)如果兩節(jié)管道在焊接時中心線不重合，造成焊接不均勻，在頂進過程由于受力不平衡而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。圖4為管節(jié)調(diào)整現(xiàn)場。

圖4 管節(jié)調(diào)整現(xiàn)場

4.2 調(diào)整偏轉(zhuǎn)的目的

調(diào)整偏轉(zhuǎn)的目的就是改變頂管機當前的頂進方向和滾動角方向，頂進一定距離后頂進軸線與原有設(shè)定的軸線再次重合。在實際操作中，糾偏需要做到“勤糾、微糾”，并且要實時檢測。由于焊接的管節(jié)比較多，頂管機帶動后面的管節(jié)前進，頂管機方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，后面的管節(jié)也會隨之偏轉(zhuǎn)。

4.3 調(diào)整偏轉(zhuǎn)的方式

在正常頂進時，四組鉸接油缸位置為均布設(shè)置，油缸伸長和收縮的長度相同，只有連續(xù)頂進才能調(diào)節(jié)鉸接油缸。調(diào)節(jié)過程應(yīng)避免猛烈、野蠻的操作；除油缸糾偏外，也可以在開挖過程通過開挖取土技巧調(diào)整。如果在有滾動角的情況下糾偏，就要同時糾偏方向和糾偏角度。保證可觸變泥漿的注漿量有利于調(diào)整偏轉(zhuǎn)。圖5為糾偏姿態(tài)數(shù)據(jù)圖。

圖5 糾偏姿態(tài)數(shù)據(jù)

(1)水平方向糾偏

水平方向的糾偏相對簡單，在頂進過程中，同時調(diào)節(jié)1/2或3/4兩組油缸即可，見圖6。

圖6 水平方向糾偏

(2)高程方向上糾偏

高程方向上的糾偏可以通過開挖取土技巧調(diào)整，也可以通過調(diào)節(jié)鉸接油缸糾偏。如果頂進軸線高于設(shè)計軸線，開挖取土時保證掌子面穩(wěn)定的情況下盡量將掌子面下部土體多開挖，這樣有利于頂管機低頭，促使頂管機頂進軸線回到設(shè)計軸線，見圖7。

圖7 高程方向上糾偏

(3)水平、高程方向同時糾偏

出現(xiàn)水平、高程方向同時偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，則需要通過45°對角線控制鉸接油缸，在四組鉸接油缸保持初始位置的前提下，45°對角線控制時需要對另外兩組鉸接油缸成比例隨動，見圖8。

圖8 水平、高程方向同時糾偏

(4)滾動角調(diào)節(jié)

如果頂進過程中出現(xiàn)滾動角決不能忽視，滾動角過大會影響正常的頂進方向，甚至頂管機無法操作而失去平衡。具體要根據(jù)滾動角的方向通過外加配重調(diào)節(jié)，另外在導軌上焊接防扭轉(zhuǎn)鋼板也可以有效抑制滾動角增大。圖9為外滾動角調(diào)節(jié)方法，圖10為外加配重調(diào)節(jié)滾動角現(xiàn)場。

圖9 外滾動角調(diào)節(jié)

圖10 外加配重調(diào)節(jié)滾動角

(5)滾動角對糾偏的影響

存在滾動角的糾偏技術(shù)難度更高，不僅要考慮滾動角的調(diào)節(jié)方式，而且要在方向上進行糾偏，同時在外加配重的情況下進行水平、高程方向的糾偏。滾動角存在對糾偏有一定的干擾，滾動角越大影響越大，滾動角會使糾偏不能按照正常的糾偏軌跡頂進，因此糾偏要謹慎，不能急于求成。在糾偏前要畫好頂進軌跡分析圖，控制好糾偏量、糾偏距離，避免出現(xiàn)“過糾”。如果糾偏不能按照設(shè)想的軌跡回到設(shè)計軸線，需要停止頂進，研究針對性的頂進方法，不能盲目操作。

(6)滾動角的危害

敞開式頂管機不能靠刀盤反轉(zhuǎn)抵消滾動角，在頂進過程滾動角的存在危害很大[11－12]。在實際操作過程中，滾動角要及時調(diào)節(jié)，外加配重掛在與滾動角相反的反向。如果偏轉(zhuǎn)方向過大，會使頂管機管壁摩擦力急劇增大，千斤頂推力也會明顯增加，到一定程度后頂進將不能繼續(xù)，管節(jié)焊縫開裂，頂進設(shè)備損壞，這種危害是致命性的。

4.4 滾動角與糾偏的重要性

頂管機是隧道、地下工程的重要施工工具，消除滾動角和糾偏技術(shù)在施工過程中必不可少。進行糾偏施工時要認真分析機頭的偏差值，減小管道偏差值，謹慎糾偏，糾偏量越小對管壁周邊土體擾動越小，越有利于控制地層沉降。

在淺埋深土層土質(zhì)突變時，糾偏和調(diào)節(jié)滾動角需結(jié)合土質(zhì)變化情況減小頂進速度，實時觀察頂進數(shù)據(jù)，分析頂進姿態(tài)，微量調(diào)節(jié)。在偏差量較大時，應(yīng)該緩慢糾偏。滾動角調(diào)節(jié)和糾偏技術(shù)是頂管成敗的關(guān)鍵，是整個工程的質(zhì)量保證，在實際操作中一定要高度重視。

5 結(jié)束語

頂管機在太原下穿火車站工程中的應(yīng)用，開啟了小型盾構(gòu)機在隧道、地下工程的新篇章。在頂進施工過程中遇到淺埋深土層障礙物，通過開挖技術(shù)和調(diào)整偏轉(zhuǎn)技術(shù)，歷經(jīng)10個月于2018年10月16日順利完成南北通道40根管幕段鋼管頂進施工，頂進軸線與設(shè)計軸線偏差在2 cm以內(nèi)，滿足設(shè)計要求，取得了太原下穿火車站工程階段性的勝利。通過本次頂管施工，總結(jié)出關(guān)于調(diào)節(jié)滾動角和糾偏的技術(shù)措施，為以后類似頂管工程提供數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。