曲线顶管测量轴线设计与施工控制

曲线顶管测量轴线设计与施工控制

作者：万正武

来源：《城市建设理论研究》2014年第11期

摘要：本文结合忻州市云中河南路雨水管线顶管施工穿越现有道路施工，通过钢筋混凝土曲线顶管曲率半径的估算计算方法、管缝张角计算公式及顶管过程中利用全站仪测量控制轴线的施工方法进行各因素间的影响关系。

关键词：曲线顶管曲率半径管缝张角轴线控制 中图分类号：TU71文献标识码： A

Abstract: in this paper, combined with the existing road construction of Xinzhou City, the Henan road rainwater pipeline pipe jacking crossing, by estimating the reinforced concrete pipe jacking curve radius of curvature calculating fracture angle calculation method of construction using total station instrument control axis formula and pipe jacking process affect the relations between factors, tube method.

关键词：曲线顶管 曲率半径 管缝张角 轴线控制

Keywords: joint angle axis control curve curvature radius pipe jacking 中图分类号：U455.47文献标识码：A

忻州市云中河南路雨水管线采用大管径钢筋混凝土管，由于需要穿越现有城市主干道，通行车辆较多，地下各类管线复杂。为了保证现有道路通畅运行，避免大开挖破坏现有地下管线，采用顶管施工工艺进行雨水钢筋混凝土管施工。 曲线顶管工艺介绍

顶管作为一种非开挖施工的施工方法，被广泛的应用于排水、电力等设施的施工。在顶管施工时遇到坚硬障碍物，如：房屋基础、石块、管线等，直线顶管不能贯通，所以通过曲线顶管避开障碍物确保顶进顺利。目前应用于曲线顶管的管材主要有钢管和钢筋混凝土管，轴线的形式主要有圆弧曲线和复合曲线。 曲线轴线的确定 2.1因素

曲线顶管顾名思义顶管轴线贯通后必须是弯曲的，而弯曲部分成近似圆弧。圆弧的半径必须经过周密的设计。在曲线顶管设计过程中，曲线顶管的轴线实际是由一条条管节构成的多边

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形，每一条管道就是多边形的一条边。而多边形中心线的外切圆就是曲线的轴线。由于曲线顶管施工的复杂性，所以在设计曲线顶管的轴线时就要考虑多方面的因素：比如管节的长度、管径的大小和木垫板厚度，下面我们就以实例来分析曲轴线和各个因素之间的关系。 由图2.1-1可知，管节中心角与其对应的圆弧与曲率半径有以下关系： =L/R

式中 为L所对应的圆心角（弧度） L为边长

R为外接圆的半径

由图2.1-2可知管道的对应中心角与管段的转角相等。如果用字母表示管道的内径为d、壁厚为t、管材的长度为L、木垫板的厚度为b、压缩度为S、 r为管子半径。所以曲线段的最小弯曲半径为:

Rmin = L*(d+2t)/(b-s) 通过以上公式我们可以看出：

1）当管节长度增大时，曲率半径就会随之变大； 2）当管子半径增大时，曲率半径就会随之变大； 3）当木垫板厚度增大时，曲率半径就会随之减小。

在曲线顶管的设计过程中，如果管道口径较大，则弯曲半径就应相应变大：反之，管径较小，弯曲半径也应相应变小。管道较长，弯曲半径也应变大。在设计过程中，还应考虑顶力，和土体承载力。如果设计顶进过程中的顶力较大时，那么曲线半径就应变大些。由于曲线顶进时会产生一个侧向力所以在轴线设计时也应考虑土体承载力，如果土体承载力不够，管线就会失稳，就有可能脱离了原设计轴线。

图2.1-1曲线估算示意图图2.1-2曲线估算示意图

为了防止曲线顶管过程中管口遭到破坏，应在曲线顶管轴线设计过程中考虑两管口之间的开口间隙如图2.1-2。S1为管内最小开口间隙、S2为管内最大开口间隙、S3为管外最大开口间隙。各管口的开口间隙可以通过下列公式计算出来： S3=（R- ）

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式中：L为管节长度 D 为管节外径 R 为曲线半径 S2=L(D-t)/（R-） 式中:t为壁厚 S1=Lt/（R-）

通过采用混凝土管来作为顶管所用的管道，根据经验S3应控制在20mm-30mm之间。若在粘性土中，且含水量少的可取上限30mm。若在砂性土中，且含水量又大，水压较高应取下限20mm。否则容易造成渗漏。 2.2轴线设计

当了解了曲线顶管轴线和各要素之间的关系后，就要进行轴线设计。首先需要通过软件Autocad根据现场的实际情况，将工作井、接受井和障碍物在图中画出来。需要考虑顶管和障碍物之间要有一个安全距离。然后在图上标出。再通过三点画出曲线圆弧，此圆弧近似曲线顶管的轴线。在施工中根据此圆弧的半径在利用上述公式来验算轴线的可行性。首先假定管长、管径、管壁和木垫板厚度都已知，再来反算两混凝土管节之间的张角。如果和设计值的差别不大那就再适当的将半径变大或变小。如果利用上面的半径算出的管材张角和设计的偏差较大，就应调整管子的长度。然后反复调整直到符合设计为止。在轴线设计过程中还应考虑顶管机后座的稳定性，所以顶管轴线不能一开始就是曲线，需要先经过一段直线后再过渡到曲线。 以云中河南路雨水管线施工为例：混凝土管长2m，管内径1.5m，壁厚0.15m，用字母表示管道的内径为d，壁厚为t，管子的长度为L，木垫板的厚度为b，压缩度为S， r为管子半径。所以曲线段的最小弯曲半径为: Rmin = L*(d+2t)/(b-s) = 2*(1.5+0.3)/(0.01-0.005) =720

通过以上公式我们可以看出曲率半径与接头转角、木垫板厚度成反比，和管节长度成正比的关系。

有上式可以估算出曲线顶管的曲率半径，再通过估算的曲率半径来推算出管口接缝的最大张开值：

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S= L*(d+t)/(R-r ) =2*(1.5+0.15)/(720-0.9) =0.005

3 曲线顶管测量施工

顶管施工是要以可靠的平面和高程测量系统来作保证，所以在顶管施工前，需要对导线点进行闭合和加密测量。加密后的控制点需要做到通视牢固。在平面系统和高程系统中，曲线顶管和直线顶管最大的区别就是轴线测量，所以轴线测量是曲线顶管中的技术难点。 3.1平面测量 3.1.1控制点布设

测量实际上就是把设计坐标测放到实际位置，在顶管中尤为重要。它关系到顶管在顶进过程中，机头的顶进位置，所以我们需要将导线控制点利用导线法将点引至井壁边缘及预留洞口的中心位置。再向下传递，传递到井内后座的固定仪器敦上。在井内传递时，均采用强 制对中固定台，用全站仪测出三维坐标和理论值进行比较，达到规范值后，定出设计三维中心线。

图3.1.1-1平面坐标传递示意图 3.1.2顶管控制测量

在直线顶管过程中，我们在工作井后座处架设激光经纬仪，在通视的情况下激光直接打到标靶上就可以知道轴线的偏差，而曲线顶管测量控制比较复杂，由于曲线顶管的线形是曲线，全站仪不能通视，则需在管线中布设移动测站。

在曲线顶管测量过程中，我们需要在工作井后座处架设全站仪和机头中心处安放棱镜。以转点C为后视，在顶进过程中，测出棱镜的实际三维坐标和距离，和设计三维中心线对比，如不符合设计应及时调整。如果全站仪不能看到棱镜时，就要在管道里布设移动测站，利用槽钢固定在管壁上，再在槽钢上才做强制对中基座。这样就可以利用导线法将后座中心的点延伸到转点上，就可以得出实际的坐标。然后再根据导线法，测出机头棱镜上的实际三维坐标，再与设计三维坐标相比得出偏差后及时调整。而中间测站的增加数量则是通过最大一次测量距离来计算的：

式中：为管内径、R为曲率半径、x为视线离开管壁的最小距离。当2m N=L/-1

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式中：N为增加测站数 L为曲线段长度

图3.1.2-1 最大视距示意图 图3.1.2-2最大视距示意图

由于视线不能通视，曲线的调整都是通过测量数据来实现纠偏的。但是测量的数据不能时刻的提供。而管材的纠偏都是通过上一次的测量数据来实现的，不能直观的反应情况。所以就需要不断的进行观测，增加测量频率。同时为了保证施工进度，所以还应考虑测量速度，所以根据所测数据，当轴线偏差小于5cm时，每3节管测一次。如果所测的轴线偏差大于5cm时，就需要2节管测一次。及时调整直到符合设计值为止。 4施工测量注意事项

4.1 在测量的每一个步骤时，严格遵循双人双检的制度。现场增设的控制点必须进行严格的验算，防止因计算发生的误差。

4.2在导线点传递的时候，所用到的强制对中装置必须稳固。在顶进的过程中，要对控制点进行定期复核，万一发现有误差，应及时调整或者从新布设。

4.3 所有的测量精度必须按照《建筑工程测量规范》来执行。所用的仪器必须经过校核合格后方能使用。 参考文献

[1]建筑工程测量规范．中国计划出版社

[2]葛春晖．顶管工程设计与施工．中国建筑工业出版社

[3]葛金科沈水龙许晔霜．现代顶管施工技术及工程实例．中国建筑工业出版社