高海東

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道復雜曲線管幕頂管施工軌跡控制技術

高海東

(中鐵十八局集團有限公司，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之一，其成功與否將直接關系到項目的成敗。管幕下穿拱北口岸，埋深4～5 m，平均長度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，管幕所處地層地質條件復雜，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之一。從頂管機設備選型、管節(jié)長度、F形接頭設計、測量控制、動態(tài)糾偏、始發(fā)接收控制、管節(jié)軌跡實際偏差等幾個方面介紹管幕軌跡控制技術。

海底隧道；曲線頂管；F形接頭；施工軌跡；測設控制

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之一，其成功與否將直接關系到本項目的成敗，設計方案幾經(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號試驗管，共37根，平均長度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)

管幕所處地層地質條件復雜，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、5號、29號管施工，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)管幕平均長度257.92 m，距離長，且位于緩和曲線和半徑890 m的圓曲線組成的組合曲線上，線形復雜。

(2)管幕所處地層地質條件復雜，有人工填土、淤泥質土、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1 620 mm，每節(jié)管節(jié)質量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)，安全風險高。

(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。

3 設備選型

頂管機使用德國海瑞克AVN1200TC泥水平衡頂管機，該頂管機為本工程專門設計，管徑1 620 mm，最大頂力6 000 kN，機頭后50 m處設中繼間，可提供4 500 kN頂力，其主要特點如下。

(1)頂管機分為前后兩段鉸結，可調(diào)間隙100 mm，間隔120°，布置有3個油缸，可依據(jù)機頭采集到的數(shù)據(jù)隨時進行動態(tài)糾偏。

(2)配置全自動UNS導向系統(tǒng)進行精準導向，并按設定的軌跡向前推進。

(3)配置了復合刀盤用以適應不同地層的需要，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)采用先進的泥水處理和自動絮凝系統(tǒng)，環(huán)保安全，對地層影響小。

4 總體測量方案

首先對始發(fā)端和接收端進行聯(lián)系測量，統(tǒng)一坐標系統(tǒng)，再通過全站儀，把坐標傳遞至海瑞克AVN1200TC頂管機自帶的UNS導向系統(tǒng)內(nèi)。頂管過程中，根據(jù)機頭采集到的數(shù)據(jù)實時調(diào)整頂進方向，通過F形接頭實現(xiàn)動態(tài)糾偏，然后每20 m左右再進行1次人工測量校核，以人工測量為準。頂管始發(fā)和接收階段要根據(jù)頂管機姿態(tài)與軌跡線形做好姿態(tài)調(diào)整。

5 管節(jié)及F形接頭設計

5.1 管節(jié)長度設計

根據(jù)《頂管工程施工規(guī)范》(DG/TJ09—2049—2008)的要求，偏轉角度應≤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)基本長度采用4 m，經(jīng)驗算偏轉角度為0.26°，能夠滿足規(guī)范要求，管節(jié)長度計算如圖2所示。

圖2 管節(jié)長度計算示意

5.2 F形接頭和木質墊塊

為保證頂進過程中鋼管能夠順利偏轉，兩節(jié)鋼管間采用F形接頭連接，接頭型式如圖3所示。另外承插口間設置木質墊塊(厚度20 mm，松木或其他材質的復合板均可)，其作用是保證在頂進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保證管節(jié)能夠形成有效鉸接，且不超過外側最大間隙的要求，采用M33螺栓連接，螺栓最大間隙預留7 mm，頂管結束后擰緊所有螺栓，現(xiàn)場的實際情況如圖4所示。

圖4 F形接頭及木墊塊

6 測量控制

管節(jié)頂進過程中的導向精度直接決定了管幕軌跡的精度，因此，要高度重視測量控制。測量控制分為3個方面：一是始發(fā)端和接收端的聯(lián)系測量，確保兩端采用的坐標在同一坐標系統(tǒng)內(nèi)；二是頂管機自身的導向，采用海瑞克頂管機配套UNS自動導向系統(tǒng)；三是定期人工復核，修正頂管機UNS系統(tǒng)的姿態(tài)控制參數(shù)，及時糾偏。

6.1 導線聯(lián)測與井內(nèi)聯(lián)系測量

6.1.1 始發(fā)端與接收端導線聯(lián)測

頂進工作開始前，始發(fā)端與接收端所用導線要進行聯(lián)測，結果符合要求后進行平差計算，按平差后坐標作為計算依據(jù)，用來指導后續(xù)施工。

6.1.2 井內(nèi)聯(lián)系測量

聯(lián)測后，需要將坐標傳遞至工作井內(nèi)。試驗管階段采用后方交會法測量，在井壁上布設4個控制點，置鏡于工作平臺上，后視4個控制點建站，建站完成后按支導線法向前施測。全面頂管階段采用井內(nèi)投點法向管內(nèi)傳遞坐標和高程。

6.2 UNS系統(tǒng)導向控制

UNS導向系統(tǒng)為AVN1200TC頂管機配套導向系統(tǒng)，最大偏差為1 mm/m。開始頂進前，把相應管幕對應的軌跡參數(shù)輸入到UNS系統(tǒng)內(nèi)，作為初始頂進的參數(shù)，其機頭尾部有靶心，經(jīng)靶心把坐標傳遞至頂管機內(nèi)，過程中糾偏也以靶心作為傳遞介質，UNS系統(tǒng)激光靶見圖5。

圖5 UNS導向系統(tǒng)靶心示意

初始參數(shù)設置分3個部分：激光標靶參數(shù)設置(ELS)、高度傳感器設置(HWL)、激活陀螺儀(GNS)。通過ELS參數(shù)設置可以確定機器的狀態(tài)，與設計值比較，如有偏差進行及時調(diào)整；HWL高度傳感器實時反應頂進過程中的高程變化，指導操作人員動態(tài)調(diào)整操作參數(shù)；通過GNS系統(tǒng)輸入對應管幕對應曲線要素，確定管幕走向，指導頂進作業(yè)。

6.3 動態(tài)糾偏

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

圖6 控制臺顯示屏

6.4 人工校核

頂管機在UNS導向系統(tǒng)支持下持續(xù)向前推進，每頂進20 m左右人工校核1次。人工校核時將全站儀建站于始發(fā)端工作平臺之上，按建立的支導線向前延伸。測量采用索佳SET1X全站儀，測距精度2 mm+2 ppm、測角精度為1″，高程采用S3水準儀測設，每次復測成果輸入UNS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，無論是自西向東還是自東向西頂進，均應采用曲線直頂方式，滿足3個鉸接后再啟用機頭糾偏功能，本工程取3個管節(jié)長度作為直頂段，如圖7所示，始發(fā)現(xiàn)場如圖8所示。這樣做的主要原因如下。

(1)由于始發(fā)端推進導軌、孔口管長度、井壁混凝土厚度、止水素混凝土墻厚度、頂管機機身長度及機械設備性能的影響，必須采用曲線直頂。

(2)始發(fā)時后背墻、推進油缸導軌道、孔口管應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，實現(xiàn)孔口有效止水，否則長距離頂進時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

7.2 接收控制

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

8 已完成管節(jié)軌跡偏差曲線

0號、5號、29號管節(jié)中心點軌跡偏差曲線如圖9所示，正值表示向南側偏移，負值向北側偏移，從圖中可知，3根管幕所有偏差均在±50 mm以內(nèi)，可滿足設計要求。

圖9 0號、5號、29號管節(jié)軌跡偏差

9 不同地質條件頂進速度對軌跡的影響

從現(xiàn)場頂管的情況來看，淤泥段、黏土段的頂進速度為30～100 mm/min，富水砂層段為200～350 mm/min，推進速度相差較大。推進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、5號、29號管節(jié)的施工來看，較大偏差出現(xiàn)在富水砂層段。因此，進入松軟砂層后要控制推進速度≤200 mm/min，同時人工復核頻率調(diào)整為1次/8 m。

10 結語

截止2013年12月，拱北隧道已順利完成0號、5號、29號管節(jié)施工，并形成了一套可靠的軌跡控制技術，已頂管節(jié)軌跡偏差均在50 mm以內(nèi)，達到了設計意圖，對剩余管幕施工具有重要的指導意義，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、不同頂管順序對頂管精度的影響、后頂管對先頂管的軌跡影響、管節(jié)適當加長后精度控制方案等尚需在下一階段頂管時進一步研究和實踐。

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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，高級工程師，1998年畢業(yè)于石家莊鐵道學院，工學學士。

1004-2954(2014)09-0106-04

U455.47

：B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.026