3 过渡段辅助纠偏
钢管顶进纠偏比混凝土管困难是因为：混凝土管节之间是可以转动的，故混凝土管可以很灵活地顺着弯曲的土洞前进。而钢管是焊接成一个整体的，当它顺着弯曲的土洞前进时必定会出现弹性的弯曲变形，如图1所示。此时钢管就会产生与纠偏方向相反的侧向力，其中一部分侧向力直接作用在顶管机上。当土体的纠偏反力不足以克服此侧向力时，纠偏就失去了效果。因此当钢管口径越大、管壁越厚，钢管变形产生的侧向力也就越大，顶进方向控制越困难。土质越松软，承载力越低，纠偏反力也越小，纠偏也越困难。
图1 钢管顶管纠偏示意图
设置过渡管是非常有效的纠偏辅助措施。过渡管的主要作用是在纠偏过程中减少钢管对顶管机的直接影响，其原理如下：顶管机开始纠偏后，在钢管还没有到达弯曲的土洞时，过渡段紧跟在顶管机后向前移动，此时纠偏如同混凝土管顶管一样灵活。当钢管开始出现弯曲变形后，它所产生的侧向力并不直接作用于顶管机，而是作用在最后一节过渡管上，经过过渡管的传递，钢管变形对顶管机的影响小了许多。过渡段的另一个作用就是，将一个拐点分散为多个拐点，减缓了钢管的弯曲角度，大大降低了钢管因弯曲变形而产生的侧向力。因此只要控制好顶管机和过渡管的方向和姿态，后面的钢管就不会出现大的变化。
从理论上讲过渡管的数量越多，其辅助纠偏的效果越佳，根据经验一般设置3节即能达到比较满意的效果，纠偏辅助过渡管设置位置见图2。过渡管的长度，应接近顶管机的纠偏段的长度。加工大直径的钢制过渡管，需要使用巨型的机床，成本很高。使用混凝土管替代钢制的过渡管，可以大幅降低施工成本。施工中在顶管机与钢管之间设置了3节DN3000钢筋混凝土管作为过渡段，钢筋混凝土管采用F型接口承插连接，管节之间可以产生约2°的折角。DN3000钢筋混凝土管长度2.5m，外径D3540mm，略小于钢管外径，通过在混凝土管外安装薄钢板套环将外径加大至D3668mm。
图2 钢管顶管辅助纠偏过渡段
钢顶管方向失控，结局最多就是钢管与前面的顶管机或过渡管突然脱节。通常是在一瞬间，伴随一声巨响承插口突然分离，管节张开很大缝间隙，泥沙从此处大量涌入。根据施工经验，过渡管与顶管机、过渡管与钢管以及过渡管之间设置限位装置非常必要。特别是在过渡管与钢管之间设置限位装置，以防止管节之间突然脱节。
图3 管节限位装置
管节限位装置如图3所示，每两个管节间设4组限位装置，X形布置，每组采用两根螺栓，通过管节上的预埋件将前后管节连接起来，螺母不能完全拧紧应预留2cm左右的间隙，即可让管节之间能够活动，有可对管节的活动量进行限制。顶进过程中，密切注意过渡之间的间隙变化，纠偏角不可过大。
4 及时准确的测量导向
长距离顶管的导向测量一直是个不好解决的问题。在一般顶管施工中使用激光指向的方式，但顶进距离超过300m以后激光已经失去导向功能。由于管道在顶进中处于不断移动的状态，无法进行常规的测量，只能利用顶进停顿间歇，由人工进行测量。测量一般使用全站仪，在管道内采用支导线的方式由工作井传递至机头，测量数据需要经过计算才能得出顶管机中心至设计轴线的偏差，偏差数值通过有线通讯系统再传递至顶管机司机。整个过程不仅效率低，也容易产生差错。随着顶进管道的延伸，测量的困难程度和所消耗的时间不断增加，这时导向数据极有可能出现严重错误，加上测量间隔不断扩大使有效的导向数据越来越少，在这种情况下仍然盲目顶进，就极易发生顶管机严重偏离轴线的现象。
在长距离钢顶管施工中，经常发生方向失控事故的另一个重要原因，其实大多是测量导向先出了问题，没有及时发现顶进偏差的异常。等到发现偏差过大时而又采取了一些不恰当的控制措施，最终导致顶进方向失控。
在本工程中开发使用了一套自动测量导向系统，系统原理如图4所示，通过一台设置在工作井内的具有自动跟踪功能的全站仪，在计算机的控制下对设在前端顶管机内的目标棱镜进行跟踪测量，测量结果经计算机处理后，实时显示在屏幕上，以及时指导纠偏操作，确保顶进线路的准确。
图4 顶管自动测量导向系统
自动全站仪选用瑞士Leica TCA1201M，该仪器专为远距离精确监测而设计制造。仪器测角精度为1″(0.3mgon)，测距精度为2mm＋8ppm，距离测量照准单圆棱镜可超过8km。最关键的是其长距离ATR自动照准功能，ATR有效的距离可达1.5km。该仪器可满足1.5km以下的顶管测量导向需要。
系统如图所示，在工作井内设置有多个后视定向棱镜，全站仪自动对它们进行测量，系统利用后方汇测量的原理进行定向计算，然后全站仪就不停的追踪测量前视目标棱镜并计算显示导向数据。
采用后方交汇测量，只需要2个基准点即可，为了提高系统的精度，共设置了6个定向点。系统的定向精度取决于基准点的精度以及参与定向计算的基准点的个数。若基准点个数为n，精度为1mm，则定向的精度为，当基准点为2个的情况下定向精度为0.7mm。当6个基准点全部合格的情况下，定向精度为0.4mm。基准点的数量再增加对精度的影响已经不大了。
5 顶进起始方向控制
顶管施工，出洞时保持准确的起始顶进方向是非常重要的。起始阶段如有不慎产生较大的偏差，会对下一步的顶进方向控制带来非常不利的影响。当偏差较小或偏差发展较慢时，进行小幅度的纠偏还是有一定效果的，因为这时钢管弯曲变形较小，钢管产生的侧向力也较小。另外，顶管机外径一般比后面的管道外径稍大，以产生容纳减阻泥浆套所需要的空间，此泥浆套空间也会对钢管的弯曲变形起到一定的补偿作用，所以从顶进开始顶管机就要保持尽量小的偏差。
直径3.6m的大型顶管掘进机，自重就达60t，从导轨进入松软的土体，极易下沉，必须采取措施防止这种“栽头”现象。
5.1 安装延长导轨
首先要确保导轨等顶进设备的安装准确牢固可靠，这是保持准确初始顶进方向的第一步。顶管机前端从脱离导轨起，穿过预留洞、围护桩，到切入土体有约1.5m的距离没有支撑。这段距离必须足够重视重视，在洞口内设置延长导轨，将对顶管机的支撑一直延伸到最前端，
5.2洞口加固
对进出洞口的土体进行加固，既能防止始发式洞口坍塌，又可增加土体的承载力，减少顶管机头部下沉量。土体加固采用φ850@600两轴水泥土搅拌桩，水泥采用强度等级32.5普硅水泥，浆液水灰比0.45～0.55,水泥掺入比13%，加固体无侧限抗压强度≥1.1MPa，渗透系数不大于1×10-6cm/s。加固范围为沿工作井外壁长3.6米，距管外壁3米内的土体。
5.3顶管机尾部配重
利用顶管机后面的混凝土过渡管进行配重也是非常有效的办法。配重要及时，只要有主顶千斤顶前的空间够一节过渡管的长度，就要及时安装，并用限位螺栓拉紧。待三节过渡管全部进入土体后再将螺栓松开。
在施工中，采取的上述措施效果明显，从顶管机进入土体后下沉量一般到达20mm左右就可保持稳定，最大一次约30mm。
6结语
在本工程的4条超长距离的大口径钢管顶进施工中，综合采取了上述技术措施，从始发开始就将轴线偏差一直控制在较小的范围内，同时纠偏操作仍然采取混凝土顶管施工中“勤纠微调”的原则，纠偏灵活效果明显。自动导向系统配合严格的测量复核制度可获得精确而稳定的测量数据，为纠偏操作提供了及时准确的依据。随着顶进距离的延伸，在最终数百米由于测量数据的精度和稳定性降低，顶进偏差曲线的变化幅度明显增加，此时纠偏操作的幅度和频率也相应适当提高，同时采取了同步测量掘进机、过渡管和后继钢管相对位置的辅助措施，以此来判断掘进机偏差发展趋势，为纠偏操作提供更多的参考信息，顶进方向控制依然比较理想，顶管机仍能平稳向前掘进，最终顺利地穿过预留洞进入接收井。4条管道贯通偏差均未超过100mm，钢管中间也没有出现明显的起伏，贯通后对钢管垂直方向直径的测量表明钢管变形很小，最大处不超过40mm。
参考文献
[1] 王承德 《钢管顶管关键技术-纵向弯矩传递》，《特种结构》2009年 第26卷 第05期
[2] 余彬泉、陈传灿，《顶管施工技术》，人民交通出版社，2003
