DN3600长距离钢顶管专项控制技术研究V.doc

DN3600长距离钢顶管专项控制技术研究主持单位：上海水务建设工程有限公司参加单位： 同济大学二零一零年六月十一日目 录1概述11.1青草沙水源地原水工程严桥支线工程C9标顶管工程概述11.1.1工程简介11.1.2工程地质条件21.1.3水文地质条件31.1.4周边环境31.2课题研究背景及意义51.3国内外研究现状61.4主要研究内容101.5课题的创新点102大直径钢顶管姿态控制关键技术研究122.1顶管-土体系统的相互力学作用研究122.1.1顶管施工引起土体扰动机理分析122.1.2管周土体对顶管的力学作用分析152.2顶管姿态的影响因素分析212.2.1顶管轴线姿态的影响因素分析212.2.2顶管环向姿态的影响因素分析222.3顶管姿态控制的技术措施研究232.3.1顶管轴线姿态控制技术措施研究232.3.2顶管环向姿态控制技术措施研究262.4长距离顶管轴线测量控制技术研究312.4.1激光接收装置312.4.2综合测量方法342.4.3测量控制效果362.5长距离顶管姿态实时在线可视化系统422.6小结463大直径顶管休顶时的力学状态和止退技术研究483.1顶管休顶时的正面土压力计算方法研究483.2顶管休顶时后退侧摩阻力的影响因素和计算方法研究503.2.1顶管休顶时后退侧摩阻力的影响因素分析503.2.2顶管休顶时的后退侧摩阻力的计算方法研究513.3严桥支线工程C9标休顶时的后退摩阻力分析523.3.1顶管周围未形成泥浆套时523.3.2顶管周围形成泥浆套以后543.4增大大直径顶管后退摩阻力的工程措施543.5大直径顶管顶进初期休顶时的止退装置及设计计算方法研究553.5.1牛腿止退装置553.5.2止退销止退装置563.6小结574电机变频调速驱动技术在大直径长距离顶管中应用研究594.1电机变频调速驱动技术在顶管机中的开发和应用594.1.1电机变频调速驱动技术基本原理和应用594.1.2电机变频调速驱动系统组成与操作流程分析614.2变频调速的地层适应性和控制地表沉降的规律性研究634.2.1顶管变频调速的地层适应性研究及其机理分析634.2.2顶管变频调速的实测地表沉降曲线和理论分析654.3电机变频调速驱动技术节能分析694.4小结715LED照明系统在长距离钢顶管中的应用研究725.1长距离顶管施工照明系统研究必要性分析725.1.1长距离顶管施工照明现状725.1.2LED绿色照明灯特点735.1.3长距离顶管施工采用LED照明系统优势分析745.2长距离顶管施工中的LED照明系统相关器件选型研究755.2.1光源选择765.2.2LED灯具选型775.2.3LED电源设备选型785.3长距离顶管施工中LED持续照明系统方案及优化分析方法研究825.3.1长距离顶管施工连续照明系统方案825.3.2LED光源设置方位的优化研究835.3.3LED光源排列间距的优化研究845.3.4LED照明系统节能及经济效益分析855.4长距离顶管施工中LED照明的安全性和环境舒适性分析895.4.1安全性分析研究895.4.2环境舒适性分析研究895.5小结906项目的经济、环境、社会效益926.1社会效益926.2经济效益926.3环境保护效益937结语94参考文献961 概述1.1 青草沙水源地原水工程严桥支线工程C9标顶管工程概述1.1.1 工程简介根据新一轮城市发展总体规划，到2020年上海将基本建设成为现代化国际大都市和国际经济、金融、贸易、航运中心之一。然而，由于地表水水质受污染严重，除长江口外，上海符合国家地表水水质I、II类标准的水资源几乎为零。为此，上海已被纳入全国36个水质型缺水城市之一。虽然上海一直致力于水质的提高改善和水源的开发工作，从80年代以来相继建设了黄浦江上游引水工程和长江陈行水库引水工程，但随着上海经济的快速发展，城市化面积的扩大，以及人民生活水平的日益提高，自来水需求量逐年增长。据预测，2020年上海市规划供水总规模将达到1428万m3/d，届时原水缺口约700万m3/d以上。上海现有城市供水水源的开发和利用水平已远远不能适应城市发展的长远要求，寻求最适宜的新水源已成为当务之急。近20年，经过原型观测、模型试验等大量科学研究，总体评价认为，青草沙水源地具有淡水资源充沛，水域水质达到II类，符合国家城镇集中式饮用水水源地水质要求，水源易于保护、抗风险能力强等显著特点与优势，是上海市及长江口地区不可多得的优质地表水水源地。青草沙水源地位于长江口南北港分流口长兴岛北侧，中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域范围。青草沙水源地原水工程由三大主体工程九大子项组成。三大主体工程为：水库及取输水泵闸工程、输水隧道工程、增压泵站及输水管线工程。其中增压泵站及输水管线工程又分为六个子项：五号沟泵站工程、严桥支线工程、凌桥支线工程、金海支线工程、南汇支线工程、黄浦江上游系统改造工程。建成后的青草沙水源地，与黄浦江上游水源地、长江口陈行水源地有效衔接，将形成“两江并举，三足鼎立”的水源地供水格局。至2020年，供水总规模为719万m3/d，全市直接受益人口将超过1000万人。严桥支线工程是青草沙水源地原水工程陆域输水系统的重要组成部分，承担着向杨树浦、居家桥、南市、临江、长桥和徐泾水厂输送青草沙原水的重任，供水规模为440m3/d。严桥支线工程C9标位于高科路伽利略路以西至高科路科苑路以东之间沿线道路的绿化带内，为2根DN3600钢管，壁厚34mm，线路长2316.94m2m，两根管线平行中心间距约7.2m。严桥支线工程C9标顶管工程分为三段，第一段从工作井J37顶到接收井J36，长397.17m，水平顶进；第二段从工作井J37顶到接收井J38，长798.91m，以2.5上坡，接收井与始发井落差近2m；第三段从工作井J36顶到接收井J35，长1120.86m，水平顶进。根据上海市工程建设规范顶管工程施工规程（DG/TJ08-2049-2008），一次顶进长度500m1000m的顶管，称为长距离顶管，一次顶进距离大于1000m的顶管称为超长距离顶管。另外，顶管按照管径D大小可分为大口径顶管（管径2000mm以上）、中口径顶管（管径12001800mm）、小口径顶管（管径5001000mm）、微型顶管（管径400mm以下）。按照埋置深度H来划分，顶管可分为深埋式（H8m，或H3D）、中埋式（H3m，或H2D）、浅埋式（H3m，或H2D）、超浅埋式（H3m，且H1.5D）。因此，严桥支线C9标顶管工程属于大口径、深埋、（超）长距离钢顶管工程。1.1.2 工程地质条件本工程地处上海市浦东新区，位于长江三角洲入海口东南前缘，属三角洲冲积平原，地貌形态较单一。拟建原水管线沿线场地65.42m深度范围内地基土属第四纪滨海河口、滨海浅海、滨海、沼泽、溺谷、河口湖泽及河口滨海相沉积物。主要由粘性土、粉土及砂土组成，一般呈水平层理分布。根据顶管施工段工程地质剖面图分析，顶管井施工涉及到1、1、1、1夹、11、1层，顶管主要穿越第1、1夹及层。主要层位的土体物理力学性质指标见表 11。表 11 穿越土层物理力学指标层序土层名称重度固结快剪慢剪静止侧压力系数无侧限抗压强度三轴UUcckokN/m3kPakPakPakPa1粉质粘土18.61715.50.4891740.01淤泥质粉质粘土17.61115.50.4937330.01夹粘质粉土18.6428.5032.50.40淤泥质粘土16.712100.5944300.011粘土17.415110.5369440.0粉质粘土19.73815.50.461600.01砂质粉土18.9229033.00.381.1.3 水文地质条件1.1.3.1 地表水本工程沿线地表水体丰富，河网纵横，水位涨落受大气降水及沿线主要河流涨落影响。1.1.3.2 地下水拟建原水管沿线地下水类型主要有浅部土层的潜水、部分场地中部砂（粉）土层中的微承压水和深部砂（粉）土层中的承压水。(1) 潜水对管道工程基础设计有直接影响的主要为浅部土层的潜水，其补给来源主要为大气降水与地表径流。潜水水位埋深随季节、气候、湖汛等因素而有所变化。勘察期间测得钻孔中地下水埋深约0.303.80m，相应绝对高程为0.535.84m。(2) 微承压水、承压水拟建场地内部分地段分布的第层中分布有承压水，该土层赋存地下水水量丰富，根据上海市长期观测资料，微承压水水头高度一般均低于潜水位，水头埋深一般为地面以下3.011.0m，随季节呈周期性变化。1.1.4 周边环境1.1.4.1 房屋及建筑物拟建管道沿线一般位于已有道路绿化带内，地势较平坦，C9标段沿线建（构）筑物较少，仅在J37向J38顶进时将穿过一排两层平房、J36向J35顶进时将穿过吕家浜及部分建筑物。1.1.4.2 地下管线在高科中路道路两侧的管线较多，各工作井、接收井及顶管沿线施工影响内的主要地下管线有包括电力排管、DN300煤气管、DN1200污水管以及小口径电信光缆等各类管线。图 11 J37#J36#沿线地质及周边环境示意图图 12 J37#J38#沿线地质及周边环境示意图图 13 J36#J35#沿线地质及周边环境示意图1.2 课题研究背景及意义伴随着我国城市建设的大规模快速发展，大量地下交通、地下管网、地下建筑等在不断地新建、改扩建和维修中。顶管法以其在土层适用范围广、对周围土体的扰动小、不影响地面交通等方面的优势，已成为地下管道铺设施工的一个重要途径。特别是近几年，顶管施工行业逐渐走向成熟，地下顶管工程在各大、中城市的市政工程上陆续加以应用，推动了顶管施工向着大口径、大埋深、超长距离的方向发展。随着顶管顶进距离的增长及顶管口径和埋深的加大，顶管施工过程中的各种风险和技术难度也相应增大。在淤泥质土或其他软土中施工时，由于顶管机头较重，机头出洞时极容易出现机头下沉问题，影响顶管机推进的姿态控制；大口径管道顶管机出洞时刀盘切入土体时的反力矩较大，机头及前几节管段与土体之间的环向摩擦力难以平衡刀盘切入土体时的反力矩时，会造成机头及后续管节偏转；在顶管机头和前几节管道休顶时，由于机身在土体中的长度较短，机身与土体、导轨之间的轴向摩擦力不足以平衡正面主动土压力，极易发生管节后退事故，并引起顶管机前方土体坍塌，使顶管机再次推进时方向难以控制，甚至造成地面大面积沉降，危及地面建（构）筑物的安全。顶管施工中通常采用激光经纬仪跟踪接收装置的方法进行顶管轴线测量，但是在长距离顶管施工时，地下环境的湿度、温度等对轴线测量的精度影响较大，300m以上的顶管姿态测量精度得不到保证。受顶管内施工作业的限制，顶管姿态测量的光靶接收装置并不能布置在顶管的中心，而是布置在顶管中心上方某一高度处。工程上常用的激光接收光靶为固定靶，此时若顶管机头发生偏转，光靶接收装置测量得到的偏斜值并不能直接反映顶管机头的实际偏斜，而是要经过一定的换算，这势必会增加顶管姿态测量的复杂性。同时，由测量结果换算而产生的误差累计起来也会影响整个测量结果的精度。结合本工程“大直径、长距离”的特点，并考虑到施工协调等因素，需从多个角度研究管道轴线的控制技术；研发能够多视点监测、数据实时传输、指令信号实时处理的控制系统，特别是当采用变频技术在建（构）筑物、道路等下方顶进时，让施工操作人员实时了解顶管机顶进速度、变频控制等环节，显得尤为重要。随着电机变频调速技术逐步走向成熟，该技术已被逐渐应用于城市建设工程。然而，在大直径长距离钢顶管中如何使用电机变频调速技术，用变频调速技术后的工程节能分析、变频调速技术在大直径长距离钢顶管中使用时的地层适应性和地表沉降控制方面，还需要做更进一步的研究。 顶管施工操作过程中，当管段顶到焊接位置后，要将千斤顶缩回、下放管节、新下放的管节与前一管节对焊，完成这一套施工工序约需几个小时的时间。而此时外接电源切断，造成顶管内无照明电源，影响管道内施工操作的安全性。目前地下工程施工时一般采用的安全电压为36V-24V，当管道顶进的距离较长时导线电阻较大，由于电压低而引起的电压降较大的问题会直接影响到管道内的照明质量。因此，需要对超长距离、深埋、大直径钢顶管机头姿态控制关键技术、大直径顶管休顶时的止退技术、长距离顶管姿态测量和实时显示技术开展深入研究，对超长距离、大直径、钢顶管施工节能与环境控制技术开展深入研究，为严桥支线C9标顶管工程的顺利实施提供理论依据和有力的技术支持，并为今后类似工程的设计与施工提供宝贵的理论和经验。1.3 国内外研究现状(1) 大直径钢顶管姿态控制技术方面杨根胜（1999）根据具体的工程现场观测资料，结合土压力理论对顶管的土压力形成过程及其作用机理进行了分析，在此基础上确定了钢顶管管周土压力的分布形式，同时验证了理论计算结果的正确性。孙永华等（2007）结合国电常州电厂循环引水管钢顶管工程（内径3.5m，最大长度799m），对施工过程中排除施工障碍物、穿越不良土层等方面采取的针对性技术措施及风险防范措施进行了探讨。张军等（2007）结合某城市截污综合整治工程实例，对大断面长距离顶管施工的纠偏技术措施进行了探讨。徐朝辉等（2009）对扬州第五水厂取水泵房引水管道顶管工程（顶距432m）的施工过程中的出洞、焊接、测量等环节的质量控制要点进行了研究。张朝彪等（2009）以海泰国际大厦地下车行通道的钢顶管工程（直径4.2m，顶距53m）为背景，对顶进过程中的法面测量控制技术进行了研究。杨转运（2008）对长距离顶管中易出现的技术问题进行了分析，并提出了相应的处理措施。冯海宁等（2003）通过现场试验确定顶管施工对土体扰动的大小及其扰动范围的规律；魏纲、徐日庆等（2005）分析了长距离直线顶管施工时管、土之间的相互作用，认为管道周围土体提供的抵抗力矩小于偏心顶推力产生的扭转力矩，造成管节偏离设计轴线从而产生管道失稳现象，提出采用考虑位移的土压力计算方法计算环向土压力；卢红前（2008）对给水排水工程管道结构设计规范( GB 503322-2002)推荐的柔性钢顶管顶部竖向土压力标准值的计算公式进行了补充和完善，推导出可考虑管顶上方不同位置处、不同厚度的硬土层对管顶竖向土压力减载效果的土压力计算公式。杨宏燕等（2006）对顶管机纠偏特性分析的基础上提出了顶管机轴线控制的虚拟轨迹模型、方向变化输入模型和向量控制输出模型，但仅局限于试验阶段；范桂芳等（2007）、张朝彪（2009）从不同的角度分析了顶管姿态控制技术与控制要点，但均局限于具体的工程，而没有形成共识。国外学者如G.W.E. Milligan等(1996)根据现场试验的监测结果，认为管道-土体的相互作用非常复杂，多种因素影响制约管道轴线的变化。在可视化化设备研发方面，国外主要有德国海瑞克公司的AVN800-AVN2000系列顶管设备的可视化系统，采用电脑设定程序收集、分析并处理各种施工信息，自动化程度高，能节约人力，但价格昂贵；日本伊势机公司研制的顶管机数字化姿态检测装置，在实际工程中有成功的应用业绩，但应用并不广泛。国内方面，上海隧道工程股份有限公司是国内第一家研制顶管机轴线控制可视化系统的公司，2005年成功研发出“小口径顶管机轴线智能制导系统”，采用现代模糊神经网络技术解决过程控制问题，并可设置顶管掘进的运动特性、土质条件、施工要求等边界条件。但该系统主要针对小口径顶管（2000mm）长距离（1000m）顶管而言，由于影响因素更多并且趋于复杂，该系统并不能胜任本工程需要。学者对大直径、长距离钢顶管的姿态控制技术进行了一定的研究，提出了一些顶管姿态控制的技术措施。但是，对大直径、长距离钢顶管的姿态控制技术研究仍然不够系统，提出的技术措施也多是针对某单个工程而言的。因此，对大直径、长距离钢顶管的姿态控制技术还需要做更深入的研究。(2) 大直径顶管休顶时的力学状态和止退技术方面国内外学者们在顶管顶进时侧向摩阻力的计算和长距离顶管注浆减摩方面进行了很多研究。Phelipot, A.等（2003）研究了上部荷载和触变泥浆对顶管施工的影响。K. Shou等（2004）对触变泥浆的摩阻力及其对顶管顶进阻力的影响进行了研究。国内学者魏纲（2004）和对长距离顶管施工中注浆浆液与管道以及周围土体之间的相互作用机理进行了分析。匡志文（2005）对超长距离顶管的泥浆减阻技术进行了研究。汤华深等（2004）和韩选江（2008）分别从压力拱理论出发求出了管节外壁土压力的分布，并对侧摩阻力计算公式进行了改进。王维升在现场实测的基础上，研究了顶管工程顶进顶力与注浆减阻之间的函数关系，并分析了顶进中断时注浆减阻对顶力的影响。蒋文路（2009）结合上海世博园供电项目某电力电缆隧道工程顶管项目，对顶管施工中的阻力及推力计算方法进行了研究。向安田等（2009）对顶管顶进过程中的平均摩阻力随顶程的变化规律及其影响因素进行了研究。但是，在顶管出洞阶段后退摩阻力方面的研究仍然较少。如果直接将目前的规范及学者们提出的侧向摩阻力的计算公式用于后退摩阻力的计算及确定止退装置的使用时机，则结果偏于不安全。因此，就大直径顶管后退摩阻力的计算方面，还需要做更深一步的研究。(3) 变频调速技术在大直径、长距离钢顶管中的应用情况目前，德国Herrenknecht公司（2002）将变频调速技术应用于盾构和顶管机械中，研发了新型盾构和顶管机械，但是如何在大直径钢顶管中利用变频调速驱动电机还缺乏相关研究；在我国城市非开挖建设工程中，变频调速技术应用和研究主要有陆晓华等（2004）将变频器应用于盾构机中，提高了盾构控制精度，给施工带来了很大便利。但是尚未进行变频器在盾构中使用的相关节能研究以及地层适应性研究；尚东霞（2005）通过改装顶管机械，将变频调速技术应用其中，并且在工程中加以使用，产生了一定的经济效益。但是，变频调速驱动电机在大直径长距离钢顶管中使用带来的具体经济效益、节能效益以及变频调速驱动电机的地层适应性和控制地表沉降规律的研究还缺乏相关成果。总体来说，在大直径长距离钢顶管中如何使用变频调速技术，以及使用变频调速技术后的工程节能分析、变频调速技术在大直径长距离钢顶管中使用时的地层适应性和控制地表沉降的分析研究，国内外缺乏相关资料和科研分析。(4) LED照明系统在大直径长距离钢顶管中的应用研究方面自国家实施“中国绿色照明工程”以来，绿色照明的概念已深入人心。LED作为21世纪绿色节能的第四代照明光源，由于其相对于其它较普及电光源优势显著，因此近年来在国内外得到了广泛的应用研究。STAR SSL Stakeholders Meeting（国际固体照明能源之星峰会）（2007）通过对各种常用电光源的性能对比及其发光效率进展对比，对LED灯在未来的应用趋势得出结论，并提出了相关发展性策略；Jon Gamble等（2009）提出“The global lighting revolution”（全球照明革命），对LED在全球的推广应用及相关研究进行了系统性总结分析，提出了前沿照明技术关键，推进了绿色照明在全球化。在我国，牟同升等（2008）通过概括总结LED光源的原理、发展概况、特点等，对其具体应用及发展趋势进行了系统分析，说明了LED在道路照明中的应用并做了总结展望；孙建领（2008）以实际工程为背景，指出了采煤工作面本质安全型LED照明灯应该具备的条件，提出了LED在矿井应用方面的发展方向；赵振江（2009）结合南京地铁站公共区照明改造，对LED照明应用过程中的相关问题进行探讨，通过对实施效果的对比和分析，得出LED应用于公共场所照明具有可行性及较好的节能效果；刘木清等（2009）比较了LED与这几种传统光源在隧道照明中的优势与劣势，并通过上海长江隧道照明中LED一年多的现场试挂，测试与分析了LED在隧道照明中的照明效果、节能指标与寿命等，LED在国内十几个隧道过程中的成功应用，及时推进了LED照明技术的应用领域的扩大化。陈良惠院士在中瑞“能源效率与节能减排研讨会”上作题为中国的固体照明的报告，充分肯定了目前LED照明在我国各领域的成功应用，并提出了LED照明技术在实践应用过程中还存在很多不确定的因素，需要进一步研究和完善。LED应用于施工照明正处于起步阶段，在探索LED如何进入照明领域这个大的课题中，将LED用于隧道施工照明也是一个新的领域。本项目首次将LED照明系统应用于长距离顶管隧道施工工程，照明光源可靠性、灯具安全性等问题尚无定论，亦无相关经验可循。另外，LED发展迅速，有一定的不可预见性，隧道施工工程照明系统的可替代性研究存在相应的攻关难点。1.4 主要研究内容以青草沙水源地原水工程严桥支线C9标DN3600mm钢顶管工程为依托，开展以下研究工作：(1) 大直径钢顶管姿态控制关键技术研究通过力学分析研究了顶管-土体之间的相互力学作用，探讨了顶管施工对周围土体的扰动机理及管周土体对顶管的力学作用；在对顶管姿态的影响因素及敏感性分析的基础上，对大直径钢顶管姿态控制的技术措施进行了系统研究；对长距离顶管轴线测量的误差控制技术开展研究，提出了一套可用于长距离顶管轴线测量的装置和方法；开发出一套长距离顶管姿态实时在线的可视化系统，以便于施工操作人员对顶管姿态进行实时准确地控制。(2) 大直径顶管休顶时的力学状态和止退技术研究对大直径顶管休顶时的后退摩阻力影响因素进行了探讨，提出了大直径顶管休顶时的正面土压力及后退摩阻力的计算方法，同时对增大大直径顶管后退摩阻力的工程措施及大直径顶管休顶时的止退装置设计计算方法进行了深入研究。(3) 长距离大直径钢顶管施工节能与环境控制技术研究对电机变频技术在大直径钢顶管施工中的应用进行了系统研究，并对自动变频顶管机的软启动特性、节能性和地层适应性进行了研究。(4) LED照明系统在大直径长距离钢顶管中的应用对LED灯照明系统在长距离顶管施工中应用的可行性及隧道内持续照明技术所采用的相关器件装备进行了深入研究，并对长距离顶管LED灯照明方案进行了化分析。同时，对长距离顶管施工LED照明系统的节能性、环境舒适性及安全性进行了研究。1.5 课题的创新点(1) 在对顶管姿态的影响因素分析的基础上，对大直径钢顶管姿态控制的技术措施进行了系统研究；(2)提出了大直径顶管休顶时的正面土压力及后退摩阻力的计算方法，同时对增大大直径顶管后退摩阻力的工程措施及大直径顶管休顶时的止退装置设计计算方法进行了深入研究；(3) 将LED照明技术应用于长距离钢顶管施工的持续照明，并对LED照明的器件装备、照明方案、节能性、环境舒适性及安全性进行了系统分析。2 大直径钢顶管姿态控制关键技术研究2.1 顶管-土体系统的相互力学作用研究在顶管推进过程中，顶管除了要承受自重及主顶千斤顶推力以外，还会受到周围土体的正面水土压力及侧向摩阻力作用。顶管施工的顶进速度、出土量、主顶千斤顶顶力及顶管姿态控制都与周围地层情况紧密相关。同时，顶管克服各种阻力向前推进的同时，又会反作用于土体，对土体产生附加应力，引起土体变形甚至破坏。尤其在软黏土中顶进施工时，土体稍经扰动其力学参数就会发生很大变化，引起长期的固结和次固结沉降。2.1.1 顶管施工引起土体扰动机理分析2.1.1.1 受扰动土体的分区顶管顶进施工时，其周围土中应力状态产生变化的区域称为施工扰动区。造成土体扰动的主要荷载有顶管刀盘对前方土体的挤压及切削力、顶管机头及管道外壁与周围土层的侧向摩阻力、注浆压力等。顶管施工对土体的扰动是通过施工产生的附加应力对土体发生作用而产生的。根据大型顶管工程施工特点及前人对顶管施工扰动的研究，结合施工时对土体的实际扰动情况，可将工具管机头所顶进的土层更详细地分为几个区域，如图 21和图 22所示。(1) 挤压扰动区区土体距离开挖面较远，主要承受挤压应力作用而产生挤压变形；顶管推进时，挤压应力也随之增大，土体水平应力会有所增加，刀盘产生的振动荷载和切削剪切力则对该区的影响较小。(2) 剪切扰动区区位于掘进机的正前方，受到千斤顶推力的挤压、刀盘的切削剪切力及振动荷载的作用，应力状态十分复杂。该区土体一方面由于开挖导致应力松驰，使水平应力减小；另一方面又由于顶进推力和平衡泥浆的压力使水平应力增加。当这两方面引起的应力变化能够维持水平应力基本不变时，施工对邻近土体的扰动最小；若由此引起的水平应力的减小值大于主动土压力，则开挖面的土体将发生坍塌，可能由此引起上方的区土体塌陷或崩塌，导致较大的地表沉降，甚至使土层失稳；若由此引起的水平应力的增加值大于被动土压力，则将使区的土体向外挤出，引起地表的隆起变形。图 21 顶管施工纵向扰动分区图图 22 顶管施工横向扰动分区图(3) 卸荷扰动区区与区，区相邻且与开挖面较近，受到由区扩散的挤压应力和剪切应力的作用。顶管推进时，水平和竖直方向应力均有所增加，使地表产生隆起变形。掘进机通过后，由于掘进机与后续管节之间的管径差，加上泥浆中水份逐渐流失，使区土体应力松驰，导致地表沉降变形。(4) 卸荷扰动区区位于管道下方，扰动机理与区基本相同，但由于区土体的深度比区大，其抗剪强度要明显大于区，加上掘进机与后续管节的重力压载作用，因此区的扰动程度要明显小于区，由于应力扩散，其扰动范围则要比区大。(5) 剪切扰动区掘进机推进过程中外壳与周围土体之间产生摩擦阻力，该力作用的结果是在掘进机外壳周围土体中产生剪切扰动区，该区的特点是范围较其他区小。(6) 注浆剪切扰动区当不注浆时，区内土体受到管道与周围土体之间的剪切摩擦阻力，在施工过程中会沿管道轴线方向反复地前后移动。当进行注浆时，在注浆压力的作用下，先是水分向土体颗粒之间的空隙渗透，然后是泥浆向土体颗粒之间的空隙渗透，形成泥浆与土壤的混合土体；随着浆液渗透越来越多，会在泥浆与混合土体之间形成致密的渗透块，随着土块越来越多，在注浆压力的挤压作用下，许多渗透块之间粘结、凝固，形成一个相对密实的套状物，称为泥浆套，它能够起到阻止泥浆继续向外渗流的作用；另外在注浆压力作用下，能够起到支撑隧洞的作用，使其保持稳定，不让土体坍塌到管道上。如果注入的润滑泥浆能在管子的外周形成一个比较完整的泥浆套，则接下来注入的泥浆不能向外渗透，留在管道与泥浆套的空隙之间，在自重作用下，泥浆会先流到管道底部，随后向上涨，管道会受到泥浆的飘浮作用，管道就在泥浆的包围之中顶进，如图 23所示，其减摩效果将是令人满意的。该区的范围则与注浆压力、注浆量、注入地层的部位、顺序和管道外径等有关。图 23 泥浆与土体作用机理(7) 固结区顶管管道周围土体受施工扰动后，将形成超静孔隙水压力区。随着掘进机向前推进，超静孔隙水压力下降，孔隙水消散，土体发生固结作用，土层将产生沉降。上面的分区只是在顶进施工的某一时刻根据其应力状态变化而划分的。实际上，随着工具管的不断顶进，土体先受挤压而隆起，待工具管通过时，又将卸载而沉降，到后期由于孔隙水压力消散而产生固结，各区土体的应力状态在整个顶进施工过程中是不断变化的，并不是单一的受到挤压或剪切荷载作用。2.1.1.2 受扰动土体性质变化为减少顶进阻力，工具管的外径通常比管道的外径大，则顶进后会在管道与土体之间产生一定的空隙。如果顶进后这部分间隙不能及时注浆填充，上部土体向管道塌落，覆土层出现一些附加的间隙或裂缝，土体的密实度就会降低。受扰动的土体，要经过较长时间的固结和次固结，才逐步恢复到静力平衡状态。当顶进纠偏时，一侧千斤顶加载，另一侧千斤顶卸载，引起两侧土体应力状态会出现明显差别。对于各区扰动土体的物理力学参数的变化也是必然的。在扰动过程中土体的强度、承载力、变形模量与密实度都将发生变化，还可能引起较大的地层变形，导致临近地下管线断裂、建筑物开裂和路面坍塌现象。在顶进过程中由于工具管刀具对土体的挤压、剪切作用，使土体的密实度发生变化。土体体积变化率可能大于零，也可能小于零，取决于土体施工后的孔隙比是增大还是减小，这种变化可能引起地层损失也可能引起负地层损失。距管道轴线越近，受到剪切扰动越大，土的形状变化也越大。地层损失主要是由于上部土体的塌陷、崩塌、泥浆流失及超挖产生的地层损失引起的。如果利用泥浆或气体的压力保持水、土压力平衡，防止土体坍塌及泥浆流失，则可减小地层损失，因而可能减小地层移动与地面沉降。2.1.2 管周土体对顶管的力学作用分析对于埋置于土层中的各种管道而言，在施工过程当中均不可避免的要对管周土体产生扰动，从而引起土层应力状态的改变与调整，最终使得管道与其周围土体协调承载，两者共同构成一个超静定组合体系。在管周土压力作用下，管环产生变形，这又引起管周土压力的进一步变化，直至达到一种有利于管道稳定的平衡状态。对于柔性顶管而言(如钢顶管)，分析管周土压力分布及其断面的变形规律是非常重要的，这是决定钢顶管设计参数的关键。在作用于顶进管线上的各种荷载当中，土压力占有非常大的比重。在顶管一土体体系中弄清土压力的性质和力求准确的列出其分布规律及大小关系是非常有意义的。概括起来，影响顶管受力状态及姿态的主要因素有以下几点：(1) 管道与土层的相对刚度。在相同的土层中顶进相对刚度不同的管道如钢管和混凝土管)，管周土压力强度及其分布形态有显著差异，管子的刚度越大，土压力的分布就越不均匀；相反，在不同土性的土层中顶进同一种材料制作的管子，其管周土压力亦有明显的差异，土层越硬，卸荷拱效应就越明显。(2) 顶管的施工质量。顶管在施工过程中发生的偏位及弯曲对管道压力状态有重要影响。在管道的弯曲段会产生附加土压力，管道本身的内力及其断面的变形都会显著增加，严重时会导致管道的失稳破坏。(3) 管土体系内部的变形约束。在主动荷载作用下，变形的柔性管壁与受挤压而被迫位移的土体之间，存在着力与位移之间的相互作用与相互约束的对立统一关系，它对研究柔性管的土压力分布有其特殊意义。但对于刚性管，这种变形与约束的关系极小，可不予考虑，因此其管周土压力分布是与柔性管不同的。如前所述，管道的受力与其断面变形是一对相互作用、相互约束的关系，在顶管施工过程当中，掌握管道断面变形随时间的变化规律，对于了解管周土体应力状况的调整情况、判断管土体系的稳定状态和确定对管道受力最为不利的工况是很有帮助的。2.1.2.1 管周土压力形成过程分析顶管的敷设是一种地下施工方法，这与矿山掘进法有很大的相似性，所以其土压形成过程可以按照以土层松动为根据的理论来探讨。顶管在施工过程中，要先挖除工作面上的土体，这样就使得土层受到第一次扰动；其次，工具管和后继管节的推进又产生了一次扰动。这种扰动的结果便对管周土体在某一范围内有一定的松动作用.同时，对于钢顶管而言，其断面的变形是不可忽略的，可以进一步促进土层松动。这些松动作用对土层的应力状态与顶管的横向荷载均产生影响，最终建立起一种新的管一土平衡体系。为了分析整个施工过程中土层应力及顶管荷载的变化情况，将其分为以下几个阶段：(1) 在土层中挖除一定体积的土体，造成土层的松动(开始挖除刃脚面的土体)；(2) 从已松动的区域中取走一个假象的圆柱土体(刃脚面的土体全部挖除)；(3) 在有限的时间内，置入一个柔性管环(工具管及后继管节的顶进)；(4) 土层与管环之间的应力进行调整，直至不再发生变化(顶管工程竣工后)。在第一阶段，由于挖除一定体积的土体而引起的扰动，使该区域内土层的承载能力有所降低。在松动区内，地层垂直应力由变化到，（为折减系数），松动区所降低的承载力通过剪应力传递到原状土层中，引起原状土层应力的提高，见图 24。图 24 由于土层松动而造成土压力在水平截面上的变化如果从已松动的土层中取走一个假想的圆柱状土体，那么该区域所承受的荷载就降为零其顶部土层的重量仍然要依靠剪应力作用传递到周围土层中。这样圆柱体两侧土层的垂直应力在一定范围内有所提高，产生应力集中现象，松动区也在一定程度上得到压实，见图 25。此时若在无限短的时间内即用一个刚度无限大的物体来填满空腔，则填充物所受的垂直应力同第一阶段;若经过无限长的时间后再置入一个替代物，那么这一物体将不分担任何荷载。图 25 土层松动和取走圆柱状土体后土压力在水平面上的集中状态但实际情况是：既不存在无限短及无限长的时间，也不存在刚度无限大的物体。只是在有限的时间内，置入一个有限刚度的圆管。因此圆管要与管周土层共同承担荷载，两者组成一个静超定组合体系，如第三阶段所述.圆管两侧土层的垂直应力有一定的降低，在管道上方形成卸荷拱，见图 26。图 26 顶管上方卸载拱的形成过程随着时间的推移和扰动土体的重新固结，土层中的应力集中现象将要逐渐衰减，顶管所受荷载将有所增大直至达到稳定状态，即如第四阶段，见图 27。图 27 拱顶上方土体的荷载向相邻土层中传递2.1.2.2 顶管顶部、侧向及底部土压力的求解按规范计算时，管顶土压力强度为常数，但实际上只有管道顶部一点上的强度是，其余各点大于。管道侧向土压力等于该点的垂直土压力与主动土压力系数的乘积。参考图2-8图2-10，管道垂直土压力的分布如下： 当时， （21） 当时， （22）图 28 管道上土压力的模式图 29 垂直土压力积分图图 210 水平土压力积分图管道水平土压力的分布如下：当时， （23）当时， （24）如图 29，在不考虑管道自重的情况下，作用在圆形管道上的垂直土压力上下和左右对称，故可以只取来分析管顶土压力引起的正压力N。取角度为的圆周上一微面元，对应的角度为，设作用于上的垂直土压力为，作用在微面元上的正压力单元为，则有：，,，对微分式在上积分，得到 （25） （26）管道上的水平土压力上下和左右对称，故也只取来分析管道水平土压力引起的正压力M，如图 210。在角度为的圆周上取一微面元，对应的圆心角为，设作用在面的水平土压力为，作用在上的正压力为，则，代入得 对微分式在上积分 （27） （28）由于作用在管道上的土压力呈对称关系，可得到作用在管道上的土压力引起的正压力为 （29）2.2 顶管姿态的影响因素分析对于顶管法隧道来说，盾构掘进的位置、方向决定着成形隧道轴线的轨迹。要使建成后的隧道沿设计路线延伸，就必须保证顶管掘进过程中位置、角度等各项测量数据与设计值的偏差在允许的范围内。顶管机头姿态的测量位置通常布置在顶管土仓后部工作仓内轴线上方的某点O点处。要对顶管姿态进行全面的描述，需要获得以下参数的具体值：O点的里程，O点与设计轴线的水平偏差和竖直偏差，顶管机头的旋转角。将O点与设计轴线的水平偏差和竖直偏差定义为顶管的轴线姿态偏差，将顶管机头的旋转角定义为顶管的环向姿态偏差。顶管姿态的测量位置见图 211。图 211顶管姿态描述示意图2.2.1 顶管轴线姿态的影响因素分析2.2.1.1 地质条件顶管机在软土层中推进时，周围的地质情况极容易对顶管的姿态产生重要影响。(1) 当土层很软弱(或很松散)时，一方面，由于工具管的自重和上方覆土的荷载，将使顶管由于受压而下俯，顶进路线将发生向下的竖直偏差；另一方面，松软土层往往不能承受偏心顶力引起的径向推力，极易造成水平或竖直偏差。(2) 当土层不均匀或有较大空腔时，比如在穿越层理倾斜而且各层密度也差别较大的层状土时，将使工具管前端遇到不均匀的迎面阻力，而且顶管周围的土压力也不平衡，如施工不慎也会造成轴线偏差。2.2.1.2 机械设备顶管机头、钢管段、导轨、后靠背及千斤顶等在加工、安装过程中形成的误差也会对顶管姿态造成影响。(1) 顶管机头加工误差，如机头的整圆度等。(2) 钢管节外形尺寸误差，如端面不平整、管轴线与端面不垂直等。(3) 设备(如导轨、后靠背、千斤顶等)安装的精度误差。导轨安装误差是顶管出洞阶段发生轴线偏差的主要因素，尤其容易导致顶管磕头、抬头等高程偏差现象。后靠背及千斤项的安装误差则将导致顶推力发生偏心，也会引起顶管轴线偏差。2.2.1.3 施工操作挖土操作不当及轴线测量误差等施工操作同样会对顶管姿态造成影响。(1) 管前挖土操作不当，这将可能造成管前与管周围的土压不平衡，甚至出现塌方，以致产生较大的偏心荷载，从而造成轴线偏差。(2) 管侧土体超挖量不合理，超挖过大，容易造成管节产生向内的轴线偏差：超挖过小，则管节可能产生向外的轴线偏差。(3) 轴线测量误差会影响到顶管纠偏操作的准确程度，轴线测量误差严重时甚至会导致顶管机头不能顺利进入工作井的事故发生。在顶管测量过程中,存在许多误差来源：包括工作竖井地面控制导线误差，工作竖井向下投点误差，工作竖井中安置仪器、定向测量所引起的误差，以及机头旋转导致激光靶位置发生偏移造成的误差等。2.2.2 顶管环向姿态的影响因素分析2.2.2.1 地质条件顶管前端土层软硬不均匀时，会使顶管受力不均，造成工具管向土层软的方向旋转。 2.2.2.2 机械设备(1) 顶进千斤顶及油路布置不合理，千斤顶之间存在着顶进时间差，使顶进合力线偏移，造成工具管旋转。 (2) 后座或后背不稳或主油缸与管轴线不平行，使油缸在工作时方向变化，对管道形成一个扭矩，使管道扭转。(3) 刀盘长时间单方向旋转，使管道反方向扭转。2.2.2.3 施工操作顶管轴线发生偏差时，若纠偏方法不当，也会造成顶管发生旋转。若一次纠偏量过大，可能使工具管发生旋转；若顶管同时向左、向下纠偏，也可能造成顶管逆时针扭转。 2.3 顶管姿态控制的技术措施研究在各种因素的影响下，顶管前进的轨迹会随时与设计路线发生各种方向上的偏差。与混凝土顶管相比，钢顶管更加难以进行纠偏。因为钢顶管的后续管节是焊接在前一节上的，所有管节形成一个整体，各管节之间不存在转角跳跃性的突变，因此随着顶进距离的增加，顶进的方向也不容易改变。同样，一旦顶进轴线产生偏移、偏转等与设计轴线背离的情况，要纠正偏差的难度很大。所以初始顶进阶段对机头姿态的控制极为重要，初始顶进阶段没有偏斜，则后面顶进过程中也不容易偏斜；若是初始顶进阶段顶偏了，那么后面顶进阶段将很难纠正过来。因此，钢顶管施工需更加谨慎，应及时了解机头姿态的变化并及时纠正，避免发生过大的偏差。2.3.1 顶管轴线姿态控制技术措施研究2.3.1.1 克服地质条件对顶管轴线姿态影响的技术措施(1) 防止顶管机头出洞时下沉的技术措施将吊钩与顶进管节的尾翼焊接，并反勾在主导轨外侧的辅助轨道上，限制管节在铅直方向上的自由度。在顶管出洞阶段，当有机头下沉、管节尾翼上翘的趋势时，吊钩对管道尾翼有一个竖直向下的作用力，从而防止机头出洞时下沉。图 212为顶管机头的受力示意图，图 213为吊钩装置现场照片图。图 212 顶管机头受力示意图图 213 机头尾部加装吊钩现场照片图（左侧部分）图 212中，为顶出工作井之后的顶管机头（或管节）受到的上部土压力，为工作井内的导轨对顶管的支承反力，为顶出工作井之后的顶管机头（或管节）受到的下部土体支承反力，G为顶管的重量，F为吊钩对顶管机头（或管节）的竖向作用力，f为机头前方土体提供的向上的摩阻力。在吊钩与管节一起向前推进的过程中，需在吊钩与辅助轨道之间涂抹润滑剂以减轻顶进时的侧摩阻力。一次顶进行程结束以后，待新管节与前一节管节焊接完毕并在新管节尾翼焊接好吊钩之后，方可将前一节管节上的吊钩割除。 (2) 穿越软弱夹层时的技术措施当顶管前方突遇软弱夹层时，应放慢顶进速度，用刀盘将硬土磨碎，尽量少出土或不出土，注意观测刀盘电流变化情况，同时加强轴线测量。当刀盘前方有大石块等硬物时，刀盘磨损较快且施工效率较低，此时需将顶管前方的硬物破碎之后再向前顶进。破碎施工首先打入梅花形布置的钢套筒，并利用钻孔灌注桩机在套筒内进行硬物破碎，破碎后在钢套筒内回填粘土并进行压密注浆加固土体。2.3.1.2 克服机械设备对顶管轴线姿态影响的技术措施(1) 顶管机头及钢管节外形尺寸控制技术措施 顶管机头及钢管节进场后需对其圆度、端面垂直度、平面度；内径尺寸、壁厚、长度等尺寸进行复核，确保运输过程中无磨损。现场制作钢管检测平台对每节运到现场的钢管进行检查。对质量有问题的管节做好标记，通知工程师代表或厂方，及时采取修补或更换措施。 钢管节堆放于平整场地上，并采用方木固定防止滚动，钢管排列整齐，避免管接口相互碰撞，管节堆放一层。 机头及钢管采用专用吊具吊装,以保护钢管两侧端口。 管节在对接前，应对使用的钢管进行几何尺寸的检查，确保无误。钢管表面光滑，无裂纹、结疤、折叠、损伤和划痕，端面及接口连接范围内无影响接口质量的不平整、环向变形等缺陷，且焊缝处余高打磨并平稳过渡，对合格的钢管进行管端两面的坡口进行打磨除锈和清除污物。 钢管对