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摘要：本文主要是结合笔者在工作的实际工程项目，对给水管道工程中的大口径钢管曲线顶管顶进技术进行了论述，以供参考。
关键词：曲线顶管；工程简介；顶进技术
随着城市经济发展和改造，为了解决了大口径给水管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，以及从稳定土层和环境保护等方面的考虑，顶管工程技术的应用是未来城市大口径给水管道埋设的发展趋势，曲线顶管技术也有很大的发展。
一、工程简介
某给水管道工程穿越京杭大运河，采用顶管施工，拟顶进的管道直径分别为DN1600及DN1000钢管，原设计采用直线顶管，两管线平行敷设，单管长度约250米左右。在工作井和接收井已经完成的情况下，收到港务公司运河西侧码头岸边的钢管桩布置图，并对顶管轴线进行现场测量放样，放样结果为顶管轴线正好位于钢管桩中心，且钢管桩的底标高低于顶管管道中心标高，顶管无法从钢管桩地下穿过。如果按照设计轴线顶进，需要拔除钢管桩或者废除已经完成的工作井，将造成上百万的经济损失。
经认真研究决定采用曲线顶管施工避让障碍物，DN1000顶管半径为6841.2米向南偏离原管位，DN1600顶管半径为5972.4米向南偏离原管位。为保证曲线顶管时钢管的柔性，钢管材质改用Q235B，DN1000钢管壁厚改为14mm，每条顶管均需设6只中继间。
二、施工工艺
顶管法施工是在地下工作坑内，借助顶进设备的顶力将管子逐渐顶入土中，并将阻挡管道向前顶进的土壤，从管内用人工或机械挖出。这种方法比开槽挖土减少大量土方，并节约施工用地，特别是要穿越建筑物时，采用此法更为有利。
顶管施工主要包括：施工准备→测量高程及轴线→挖顶管工作坑→铺顶管导轨→设置顶进后背→安装顶进设备及吊放管节→挖土顶进→测量及纠偏→再次挖土（管中土）顶进→测量循环作业直致完成。
三、曲线顶管顶力计算
顶管计算的根本问题是要估计顶管的推力。顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。泥水平衡壓力：在封闭的工作仓内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水压力一定要合理。压力较小，大量的泥砂涌入，会造成路面破坏，地表设施受损；压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。曲线顶管的顶力可分成轴向力和侧向力两部分。（见图1）。
1、管道轴向力
参考《给水排水管道工程施工及验收技术规范》（GB50268-2008）计算顶管井中顶管设备所需最大顶力
P轴=？D0Lfk+NF
其中：P轴—轴向顶进阻力（kN）；
D0--顶管外径（m）；
L—管道设计顶进长度（m）；
fk—管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/㎡）；
NF --顶管机的迎面阻力（kN）；
式中 H0——地面至掘进机中心的厚度；
γ——土的湿密度，取18kN/m3
2、管道侧向力
由图1可知，折线转向角δ是∠ABC的补角。
因为∠ABC=2β所示
δ=180-2β
α=180-2β
δ=α
假设忽略管壁摩阻力，并假设AB管段的轴向顶力是P1，则BC管段的轴向顶力和侧向分力是
P2=p1ctgα
P′2=p1tgα
式中P2—下一管段的轴向顶力；
P′2—下一管段的侧向分力。
由此可见，曲线顶管存在侧向分力，因此要验算土体的承载力。如果承载力不够，管轴线会因此失稳，侧向分力使管道靠向曲线外侧，并作用在土体上，还会使管道的顶进阻力增加。因此曲线顶管在顶力配置时要考虑管道摩阻力增加的因素。已知弯曲半径R和管段长度l，就可以求得α。根据轴向顶力的大小，就可求得侧向分力。再根据μ值，即可求得管段的附加摩阻力。本工程顶管半径均非常大，DN1600顶管半径5972.4米，DN1000顶管半径6841.2米，折线转向角δ仅0.4°，因此侧向分力可以忽略不计。见表1。
3、顶力的较正
曲线顶进时，管段的允许顶力要折减。折减系数与管段转角有关，混凝土管还与木垫片的弹性模量、木垫片的厚薄有关。曲线顶管不但会使混凝土管的允许顶力下降，而且还会使管道总顶力增加。如果中继环设计顶力不变，则曲线顶管中继环的数量要比直线顶管多。
管道进入曲线段，管段间的顶力传递面靠向曲线内侧（见图2），因此中继环进入曲线段后顶力要调正，使中继环的顶力合力中心与其他管段传力一致。调正的办法是曲线外侧的中继油缸要封住，即部份油缸不使用。停用油缸数量可通过计算。最简单的办法是，观测中继环转角有无变化。转角增加，表示要增加停用的油缸，合力中心还要靠向曲线内侧；转角减小，表示停用的油缸太多了，需要减少；只有当转角不增不减，或者变化不大时，认为调正是正确的。
中继环的顶力调整降低了中继环的实际使用顶力，因此中继环的允许使用顶力还要比设计顶力低，顶力配置时要考虑这一因素。
四、曲线顶管的测量控制
测量对曲线顶管的轨迹控制是至关重要的。由于在曲线顶管的管内，测量仪器不能与机头通视，而且在顶进过程中，整体管道都是处在无规则动态，还会发生旋转现象。所以如采用人工地下导线测量方法，不仅测量时顶管必须停止，而且工作量大，影响顶管进度。在二次测量之间，只能盲目顶进，顶管质量难以得到可靠保证。为此，我们采用顶管自动引导测量系统。该系统由顶管工作井下一台固定于仪器墩上的自动全站仪[T1）及固定于井壁上的二个后视点（PI和PR）组成顶管贯通测量地下导线的起始基准点，按连续导线形式随顶管顶进的长度和线形，在管道内固定安置若干台自动全站仪（T2、T3？）及棱镜。见图3。
由离机头最近的全站仪最后测量固定安置于机头内的棱镜P1、P2的坐标，然后归算求得当前机头位置中心P0的坐标（X、Y、Z）。所有全站仪均与安装于机头内的工业计算机（1PC）通过专用双向通讯电缆连接。每一台全站仪的测量均按照由IPC机，然后由IPC机进行数据处理，并与设计图的管道中心轴线比较，在计算机屏幕上显示机头中心当前的位置，左右偏差、上下偏差、机头旋转角、10m内的机头中心轨迹线，当前机头位置的里程及测量的时间。每测得一次机头的坐标图形就刷新一次，“机头当前位置图”字体颜色改变一次，显示新值。以三台全站仪，每刷新一次测量约4分钟。系统周而复始进行测量，实现了机头的跟踪测量，做到“随测随纠”，有效地保证了顶管的质量并大大提高整体施工进度，效果特别明显。
五、结束语
本工程在穿越运河顶管工程中成功使用曲线顶管施工技术，通过中继间的纠偏使机头产生偏心，有控制的改变大口径钢管顶进方向，使顶管轴线成功避让运河中的障碍物，既避免了经济损失又节约了工程工期。工程实践证明，曲线顶管施工技术在大口径钢管顶管工程的应用是正确而有效的。
关键词：曲线顶管；工程简介；顶进技术
随着城市经济发展和改造，为了解决了大口径给水管道埋设施工中对城市建筑物的破坏和道路交通的堵塞等难题，以及从稳定土层和环境保护等方面的考虑，顶管工程技术的应用是未来城市大口径给水管道埋设的发展趋势，曲线顶管技术也有很大的发展。
一、工程简介
某给水管道工程穿越京杭大运河，采用顶管施工，拟顶进的管道直径分别为DN1600及DN1000钢管，原设计采用直线顶管，两管线平行敷设，单管长度约250米左右。在工作井和接收井已经完成的情况下，收到港务公司运河西侧码头岸边的钢管桩布置图，并对顶管轴线进行现场测量放样，放样结果为顶管轴线正好位于钢管桩中心，且钢管桩的底标高低于顶管管道中心标高，顶管无法从钢管桩地下穿过。如果按照设计轴线顶进，需要拔除钢管桩或者废除已经完成的工作井，将造成上百万的经济损失。
经认真研究决定采用曲线顶管施工避让障碍物，DN1000顶管半径为6841.2米向南偏离原管位，DN1600顶管半径为5972.4米向南偏离原管位。为保证曲线顶管时钢管的柔性，钢管材质改用Q235B，DN1000钢管壁厚改为14mm，每条顶管均需设6只中继间。
二、施工工艺
顶管法施工是在地下工作坑内，借助顶进设备的顶力将管子逐渐顶入土中，并将阻挡管道向前顶进的土壤，从管内用人工或机械挖出。这种方法比开槽挖土减少大量土方，并节约施工用地，特别是要穿越建筑物时，采用此法更为有利。
顶管施工主要包括：施工准备→测量高程及轴线→挖顶管工作坑→铺顶管导轨→设置顶进后背→安装顶进设备及吊放管节→挖土顶进→测量及纠偏→再次挖土（管中土）顶进→测量循环作业直致完成。
三、曲线顶管顶力计算
顶管计算的根本问题是要估计顶管的推力。顶管的推力就是顶管过程管道受的阻力，包括工具头正面泥水压力、管壁摩擦阻力。泥水平衡壓力：在封闭的工作仓内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水压力一定要合理。压力较小，大量的泥砂涌入，会造成路面破坏，地表设施受损；压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。曲线顶管的顶力可分成轴向力和侧向力两部分。（见图1）。
1、管道轴向力
参考《给水排水管道工程施工及验收技术规范》（GB50268-2008）计算顶管井中顶管设备所需最大顶力
P轴=？D0Lfk+NF
其中：P轴—轴向顶进阻力（kN）；
D0--顶管外径（m）；
L—管道设计顶进长度（m）；
fk—管道外壁与土的单位面积平均摩阻力（kN/㎡）；
NF --顶管机的迎面阻力（kN）；
式中 H0——地面至掘进机中心的厚度；
γ——土的湿密度，取18kN/m3
2、管道侧向力
由图1可知，折线转向角δ是∠ABC的补角。
因为∠ABC=2β所示
δ=180-2β
α=180-2β
δ=α
假设忽略管壁摩阻力，并假设AB管段的轴向顶力是P1，则BC管段的轴向顶力和侧向分力是
P2=p1ctgα
P′2=p1tgα
式中P2—下一管段的轴向顶力；
P′2—下一管段的侧向分力。
由此可见，曲线顶管存在侧向分力，因此要验算土体的承载力。如果承载力不够，管轴线会因此失稳，侧向分力使管道靠向曲线外侧，并作用在土体上，还会使管道的顶进阻力增加。因此曲线顶管在顶力配置时要考虑管道摩阻力增加的因素。已知弯曲半径R和管段长度l，就可以求得α。根据轴向顶力的大小，就可求得侧向分力。再根据μ值，即可求得管段的附加摩阻力。本工程顶管半径均非常大，DN1600顶管半径5972.4米，DN1000顶管半径6841.2米，折线转向角δ仅0.4°，因此侧向分力可以忽略不计。见表1。
3、顶力的较正
曲线顶进时，管段的允许顶力要折减。折减系数与管段转角有关，混凝土管还与木垫片的弹性模量、木垫片的厚薄有关。曲线顶管不但会使混凝土管的允许顶力下降，而且还会使管道总顶力增加。如果中继环设计顶力不变，则曲线顶管中继环的数量要比直线顶管多。
管道进入曲线段，管段间的顶力传递面靠向曲线内侧（见图2），因此中继环进入曲线段后顶力要调正，使中继环的顶力合力中心与其他管段传力一致。调正的办法是曲线外侧的中继油缸要封住，即部份油缸不使用。停用油缸数量可通过计算。最简单的办法是，观测中继环转角有无变化。转角增加，表示要增加停用的油缸，合力中心还要靠向曲线内侧；转角减小，表示停用的油缸太多了，需要减少；只有当转角不增不减，或者变化不大时，认为调正是正确的。
中继环的顶力调整降低了中继环的实际使用顶力，因此中继环的允许使用顶力还要比设计顶力低，顶力配置时要考虑这一因素。
四、曲线顶管的测量控制
测量对曲线顶管的轨迹控制是至关重要的。由于在曲线顶管的管内，测量仪器不能与机头通视，而且在顶进过程中，整体管道都是处在无规则动态，还会发生旋转现象。所以如采用人工地下导线测量方法，不仅测量时顶管必须停止，而且工作量大，影响顶管进度。在二次测量之间，只能盲目顶进，顶管质量难以得到可靠保证。为此，我们采用顶管自动引导测量系统。该系统由顶管工作井下一台固定于仪器墩上的自动全站仪[T1）及固定于井壁上的二个后视点（PI和PR）组成顶管贯通测量地下导线的起始基准点，按连续导线形式随顶管顶进的长度和线形，在管道内固定安置若干台自动全站仪（T2、T3？）及棱镜。见图3。
由离机头最近的全站仪最后测量固定安置于机头内的棱镜P1、P2的坐标，然后归算求得当前机头位置中心P0的坐标（X、Y、Z）。所有全站仪均与安装于机头内的工业计算机（1PC）通过专用双向通讯电缆连接。每一台全站仪的测量均按照由IPC机，然后由IPC机进行数据处理，并与设计图的管道中心轴线比较，在计算机屏幕上显示机头中心当前的位置，左右偏差、上下偏差、机头旋转角、10m内的机头中心轨迹线，当前机头位置的里程及测量的时间。每测得一次机头的坐标图形就刷新一次，“机头当前位置图”字体颜色改变一次，显示新值。以三台全站仪，每刷新一次测量约4分钟。系统周而复始进行测量，实现了机头的跟踪测量，做到“随测随纠”，有效地保证了顶管的质量并大大提高整体施工进度，效果特别明显。
五、结束语
本工程在穿越运河顶管工程中成功使用曲线顶管施工技术，通过中继间的纠偏使机头产生偏心，有控制的改变大口径钢管顶进方向，使顶管轴线成功避让运河中的障碍物，既避免了经济损失又节约了工程工期。工程实践证明，曲线顶管施工技术在大口径钢管顶管工程的应用是正确而有效的。