大直径顶管施工纠偏技术

基本纠偏过程

基本纠偏过程是指管道利用自身构造进行的，主要是依靠纠偏油缸拼装成的液压纠偏系统的作用实现的。对于长距离、大直径顶管施工，一般采用4组纠偏系统。该系统可以控制4组油缸的各种动作和油压，根据纠偏需要通过调整纠偏千斤顶的伸缩量灵活调整顶管前进的方向。

　　本项目采用钢筋混凝土工具管，其结构分为2节，第1节与第2节之间安装纠偏油缸。第1节与第2节之间不是固定的，而是可以上下、左右转动，顶进过程中的纠偏正是依靠第1节工具管实现的。

　　假设管道在顶进过程中向上偏离了轴线需要纠偏，图中前2节为工具管，从第3节开始为钢筋混凝土管道，其中测定管道轴线偏差的偏差测定标尺设在第1节的后部。转动工具管的第1节，使其前端下沉，后端上抬，同时带动第2节前端上抬。第2节上抬致使工具管与管道第1段之间的下部间隙增大，第1、2节的上抬结果导致偏差增加。假设工具管的纠偏角是β，第一节与原管轴线形成角α1 （图1b） .随着管道的深入顶进，受到后部顶进设备的推力作用，工具管与管道第一段之间的下部间隙逐渐变小，最后消失。

　　假设工具管纠偏角不变，仍为β，这时工具管第一节与原管轴线的夹角变大， 变为α2 ， 并且有α2 >α1 （图1c） .此时管道偏差不再发展，随着顶进，偏差开始减少。顶管继续进行，工具管前端慢慢向轴线靠拢，后续管段进入弯曲段，工具管与第1管段之间的上部间隙增加，第1管段与第2管段间的间隙一旦进入弯曲段，上部间隙也会增加，工具管第1节与原管轴线的夹角增大到α3 ，并有α3 >α2 >α1 （图1d） ，即与设计的施工方向夹角逐渐减小，从而实现纠偏的目的。

　　图1 钢筋混凝土管纠偏示意

　　213 辅助纠偏措施辅助纠偏措施是指在利用设备自身的纠偏系统很难达到纠偏目的时候，利用外力协助管道自身结构进行纠偏的过程。本项目按照施工工艺的不同，采用挖土纠偏法、强制纠偏法和混合纠偏法3种。

　　（1）挖土纠偏法通过在不同部位增减挖土量达到纠偏的目的，该方法适用于管道偏差较小的情况，一般偏差为10～20 mm时采用。

　　（2）强制纠偏法通过在管道外部施加外力进行纠偏。一般适用于偏差大于20 mm的情形，使用圆木或方木顶在管子偏离中心的一侧壁上，另一端装在垫有钢板或木板的管前土壤中，支架稳定后，利用千斤顶给管子加力，使管子得到校正。在工具管旋转过程中，可强制改变切削刀盘的旋转方向，或在管内需要纠偏的方向增加配重。

　　（3）混合纠偏法采用上述2种方法的组合，主要适用于纠偏难度特别大的地段，如地质较硬地段。

　　214 纠偏经验总结

　　（1）勤顶勤测勤纠。在顶管顶进过程中要经常对顶进轴线进行量测，并与设计轴线相比较，发现偏差及时纠正。在本项目中原则上是每顶进一节就测量1次，在软弱地层中适当提高测量次数，确保偏差能够及时发现和纠正。

　　（2）动态纠偏。纠偏尽量在管道顶进过程中进行，避免在静止状态纠偏。实践证明，当管道处于静止状态时， 所需的纠偏力比顶进时纠偏增加50% ～90%；同时，静止状态下纠偏将对第1段钢筋混凝土管产生较大的不均匀应力。在动态纠偏过程中，通过观察偏差发展趋势可以灵活确定纠偏方案。如果偏移量不大，且偏移方向靠近设计轴线，可以暂时不采取纠偏措施，而是继续顶进，直至偏差消除。

　　（3）尽量采用小角度纠偏。工具管纠偏后，刃脚后部形成一个空隙，空隙的大小与纠偏角有关，纠偏角越大，空隙越大，管道顶进时周围土体容易坍入空隙造成地面沉降。同时，钢筋混凝土管纠偏比较灵敏，只要工具管能开挖出隧洞轮廓，紧跟的混凝土管道就能顺着隧洞跟进。因此，钢筋混凝土顶管的纠偏角不宜过大，否则容易造成轴线弯曲和地面沉降。

　　（4）重视管道第1节的材质质量和长度。管道第1节紧跟工具管，在顶进和纠偏过程中，第1节管道要承受工具管的反复应力，如果第1节材质不好，在顶进过程中很可能会出现第1节管道开裂、破碎等。因此，在长距离顶管过程中通常将第1节管道采用钢质管段代替钢筋混凝土管段。另一方面，第1节管道的长度过长将影响纠偏的灵敏度，过短则容易引起较大的偏转角。因此，确定第1节管道的合理长度对于纠偏有较大的帮助。

　　（5）加强纠偏过程中的量化工作。由于设立在工具管尾部的纠偏测点与工具管端面有一定距离，工具管纠偏后的效果要顶进这一距离后才能反映出来。为了及时掌握工具管端的偏差，可通过测点的偏差、工具管第2节的斜率和工具管的纠偏角推算。同时，在纠偏角不变的情况下，管道的转弯半径基本一致。所以施工中可绘制工具管测点的行进轨迹曲线以预测偏差的发展趋势，从而帮助操作人员及时改变纠偏角，避免产生轴线过度弯曲。

　　3 与纠偏有关的其它问题

　　311 纠扭技术管道在纠偏过程中很常见的是管道轴线发生扭转现象，这是由于管道轴线在2个或以上方向发生偏移•

　　31111 管道产生扭转原因

　　（1）顶管设备自身原因。顶管设备安装精度是决定顶管施工精度的前提条件，在顶管安装和使用过程中，如果主油缸或工具管刀盘轴线与管道轴线不平行，则在顶管施工过程中很容易使管道产生扭矩，从而在顶进过程中发生管道扭转。

　　（2）施工原因。在进行顶管施工时，管道内要布置各种施工设备，如果布置位置不对称，就很容易使管道朝着某个方向形成固定扭转。同时，由于受地质条件影响，管道也很容易发生偏移。在进行管道纠偏时，工具管纠偏后产生纠偏反力，如果纠偏反力的合力中心不通过管中心，管道就要扭转。在纠偏过程中，如果纠偏角度小，则实施纠偏时所需的外力就小，根据作用力与反作用力原理，纠偏反力就小，管道发生扭转的速度就慢。反之纠偏角度越大，产生的反力就越大，管道扭转速度也就加快。因此，控制纠偏角是防止和减小管道扭转的重要途径。

　　31112 纠扭措施

　　（1）提高顶管设备安装质量，预防管道发生扭转，主要是从提高顶管设备安装工艺精度入手，尽量避免或减少顶管设备的各部分安装偏差，如主油缸固定牢固，尽量与管道轴线平行等。

　　（2）严格按照施工程序施工，减小纠偏造成的扭转。首先是管内设备布置重量要对称，尽量避免由施工程序造成的扭转。在纠偏过程中认真执行“增加纠偏次数，减小纠偏角度”原则，减小因纠偏方法不当造成的管道扭转。另外，可以通过施加外力进行管道扭转，如采用在扭转方向的反方向施加外力（可以通过配重的方式解决） ，使管道产生相反扭转，从而平衡原先存在的扭转力。

　　312 管道失稳

　　31211 管道失稳原理管道失稳是顶管施工中特别是长距离管道纠偏过程中容易发生的问题。它是指与工具管的轴线与设计管道轴线偏差逐渐增加，最终造成管道失去控制的现象，这种现象在采用中继环的钢管和钢筋混凝土顶管，施工长距离顶管过程中表现尤其明显。在未发生偏移时（图2）中管道受到的土压力理论上是相等的，即F1 = F2 ，同时顶进推力没有侧向分力，而发生偏移时管道两侧所受土压力发生明显变化（图3） .一方面，管道所受的侧压力F1 与F2 不再相等，则顶进推力F3 产生侧向分力，当侧向分力增加到一定程度，管道有可能开始失稳。失稳后，管道轴线曲率增大，从而造成侧向力进一步增加，这样就形成了管道曲率增加与侧向分力之间的反复循环，如果不及时得到纠正，则管道轴线严重偏移设计方向。

　　31212 管道失稳原因分析

　　（1）地质条件影响。从失稳原理分析可以看出，管道周围土体承载力和土压力对于管道施工至关重要，因为顶进过程中难免发生轴线偏移现象。如果管道周围的土体能够提供较大的作用反力，则管道不易发生较大偏移和失稳；如果周围土体属于软弱土质或不均匀土质，则管道很容易因周围平衡侧向分力的承载能力不足造成失稳。同时，管道上方的覆盖层过薄也很容易因管顶土压力不足造成失稳，最常见的是管道轴线向上弯曲和管道中间鼓肚现象。

　　（2）施工质量影响。根据管道曲率与侧向分力之间的恶性循环关系很容易知道，如果因为顶管施工纠偏或纠扭不及时和不到位造成偏移量增大，将导致管道失稳。

　　（3）顶管设备原因。顶管设备在顶进过程中如果出现与管道联结不稳固或者刚度不足，都有可能造成管道失稳。

　　31213 管道失稳预防和纠正措施

　　（1）改善地质条件，为顶管施工创造有利条件。

　　在顶管施工中的基底处理常采取的措施包括：采用超前钻孔或超前地质预报确定前方地质情况，对于不良地质地段采取预加固措施，其中承载力过低地段、土体软硬不均匀地段、覆盖层过薄地段或地面有建筑物对管道施工造成压力的地段，可以采用预注浆、锚杆、管棚等加固，为顶管施工创造稳定、均匀的地质条件。

　　（2）严格控制施工质量，提高管道纠偏效果。管道轴线偏移是造成管道失稳的重要原因之一，因此在施工中应把控制管道轴线偏移作为顶管技术的核心内容，要尽量减少轴线偏差。同时，在管道轴线发生偏离时，认真执行管道纠偏的有关原则，及早纠偏。同时注意对顶管设备的检查，加强管道联结刚度。