大直径管道长距离顶管施工自动导向测量系统施工工法

大直径管道长距离顶管施工自动导向测量系统施工工法（一）前言
本工法结合实际施工经验，归纳了软土地区大直径管道顶管施工中防止管道轴线偏差的通用做法，并针对自动导向测量系统进行了侧重描述。

（二）工法特点
1、在管道内每相距一定的距离设置一台自动全站仪。

2、在顶进管机头的后一节管道里安装四台激光测距仪。

3、在每台全站仪的上方或者下放设置一台棱镜，并使棱镜的中心和全站仪的旋转中心位于同一垂线上。

4、在机头上测绘出控制点，使测绘点处于设计轴线和其垂线上。

5、设置一台计算机，通过程序控制将全站仪和激光测距仪的测量数据进行传输、收集和处理。

6、数据传输：因管道内无法进行无线通讯，故系统必须采用有线通讯进行数据传输、利用通讯电缆将整个系统连接。

7、信号控制箱：计算机、激光测距仪及每台自动全站仪须设置信号控制箱，信号控制箱同时供给全站仪12V直流电源，连续供电。

（三）适用范围
本工法适用于软土地区大直径管道长距离顶管施工中。

（四）工艺原理
1、自动导向测量系统技术主要就是应用于长距离顶管施工时的自动监测、自动导向测量等一些有特殊需要的测量项目，这种测量项目要求长时间反复跟踪测量。

2、在研发的系统软件支持下，自动测量系统在计算机的控制下，各站点上的全站仪相互配合、自动有序地测量各导线点的水平角、垂直角及边长，如同人工测量一样，由导线起点逐站进行。

前后视仪器上的棱镜自动对准测站，相应的望远镜自动低头，以免干扰测站仪器的照准，其他站上的仪器自动面向侧方，以免视场上出现多个棱镜。

角度和边长测量数据自动传回计算机进行数据处理，计算机显示系统的测量结果。

各站导线测量每循环测量一次，约为3～4min。

每次测量完后，按设置的间歇时间停止运行，然后自动开始下一次测量，周而复始循
环进行。

3、确保整条顶管管道无变形、沉降的前提下，计算机使用研发的系统软件根据激光测距仪传输回的数据，对盾构机头的姿态进行实时监控。

每次测量完成后，按设置的间歇时间停止运行，然后自动开始下一次测量，周而复始循环进行。

（五）工艺流程及操作要点
1、工艺流程图
2、操作要点
（1）工艺理论
顶管施工法是先在工作井内设置支座和安装主千斤顶，所需铺设的管道紧跟在工具管后，在主千斤顶推力的作用下工具管向土层内掘进，掘出的泥土由土泵或螺旋输送机排出或以泥浆的形式通过泥浆泵经管道排出，推进一节管道后，主千斤顶缩回，吊装上另一节管道，继续顶进。

如此往复，直至管道铺设完毕。

管道铺设完毕后，工具管从接收井吊至地面。

（2）现场地质检测和施工方法选择
根据现场地质检测报告显示，本工程涉及的地下-8m处是软土层。

软土具有
天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。

项目部根据产品设计、施工和经济效益三方面出发，对现浇混凝土管道和预制混凝土管道进行综合对比分析，分析出了各自的优缺点及使用条件。

使用BIM对现场现有的地下管线进行建模，再将新建管道于原有管道进行排布，确定现场施工路由，确定了现场无需异形管道。

通过地下管线排布，对地下管道结构采用预制和现浇两种方法施工。

确定两种方法在地下管廊建设过程中的优缺点及软土地区的适宜性：
软土地区混凝土管道结构现浇、预制对比分析结果表
通过对比可以看出：对于所涉及到的地下管道工期较严格，截面尺寸较单一，地基扰动大、防水要求较高时，适合采用预制综合管廊；对于所涉及到的地下管道工期较充分、截面灵活且分支较多，地基环境良好、地下水为较低时，适合采用现浇综合管廊。

综上所述，本工程施工采用预制拼装的形式更加合适，能达到节省工期，节约造价，降低风险的目的。

（3）自动测量系统
为保证管道沿设计轴线顶进，防止管道偏移、渗水，在顶管施工过程中需要进行导线测量。

测量出顶管机头当前位置后，根据测量数据与设计轴线的水平和垂直偏差，来引导机头纠偏，保证施工质量。

①传统的测量方法是在机头上安装一块棱镜，每次从出发井内从头到尾进行测量，该方法适用于短距离测量，且只能在停止掘进的情况下进行，掘进过程中无法动态掌握机器导向。

人工测量时当管道顶进一定距离时，测量人员需要从工作间把坐标基准引测至顶管机的位置，每次步骤需要花费大量时间，无法满足现代施工高效的要求。

② 2台全站仪+激光测距仪联动系统：在顶管机头安装一个棱镜（目标棱镜安装在顶管机前进方向的右侧，确保和邻近全站仪保持良好的通视）、一个角度传感器并根据设计轴线测绘四个点位。

多台全站仪为过渡的导线点，其中始发井
内的全站仪坐标是通过安装在竖井壁上的棱镜的坐标，经过后方交会计算获得。

自动测量系统在各点同时架设有全站仪，除井口全站仪不需安置安平基座，在管中的全站仪都需加安平基座，保证在顶管推进过程管道发生转动时，实时给全站仪提供水平基准面，保证测量的准确性。

在盾构机头的后一节管道内，与测绘点垂直处平行安装四个激光测绘仪，激光测绘仪机械手臂与电脑连接控制顶管坡度，且每台全站仪、激光测距仪都与计算机进行通讯。

在计算机软件的指挥下，各站点上的全站仪相互配合，按导线测量的测量程序，自动有序地测量导线各点的转折角、垂直角以及导线各点之间的边长，并把角度和边长测量数据自动传回给计算机，由计算机进行数据处理。

由于机头目标棱镜无法安置在顶管的机头中心轴位置，因此顶管的中心位置坐标须由目标棱镜点换算。

计算结果自动和设计轴线比较并在计算机屏幕上显示机头中心相对于设计轴线的左右偏差、上下偏差、机头俯仰角和滚动角、以及测量时的里程和时间。

系统整个测量过程在计算机的控制下自动运行，无需人工干预。

（4）测量系统的具体操作步骤
①顶管工程自动导向测量系统，包括：
A 采集端：主要包含工业控制电脑（简称“工控机”，下同）、传感器（全站
仪、激光测距仪）和辅助设备（自动安平基座AD-12、幻尔LeArm机械手臂、棱镜、通讯线缆、信号转换装置等）。

B 通信端：主要包含移动通信网络路由器、RJ45网线和物联网卡等。

C 服务端：主要指系统服务器。

D 展示端：主要指浏览器网页或移动端程序。

②测量步骤
A 把设计起点、终点和测量控制点的坐标和各种曲线计算要素输入电脑程序，建立新的数据库。

B 使用屏蔽线缆铺设至顶管全站仪和激光测距仪安置点，将所有仪器与电脑相连，在计算机内输入整条顶管线路预计使用的全站仪数量并进行编号。

C 通过数据电缆，实时传输数据，控制采集端进行数据的采集、回传。

D 根据回传数据，判断顶管机头的水平、垂直偏差和偏转角度与设计轴线的偏差值，对机头进行纠偏。

（六）材料与设备
名称规格数量精度
电子经纬仪DT202C 1
激光测距仪KLH-03T-20hz 4 ±1”
精密水准仪 1 ±2”
全站仪RXT—232 n ±2”，最大允许误差±20”红外线水准仪 1
激光垂直仪DZJ2 1 h/40000
工业计算机 1
（七）质量控制
1、工程工艺控制
（1）工程开工前，认真编制实施性施工组织设计，经监理工程师审批后，严格按照施工组织设计施工。

（2）主要分部、分项工程编制施工方案，科学组织施工。

（3）在施工过程中，经常检查施工组织设计及施工方案落实情况，以确保施工生产正常进行。

（4）施工中，应始终坚持科技是第一生产力，贯彻以科技为先导的原则。

施工中将选用科学先进的辅助工法，进一步优化工艺，确保高效、安全、适用。

（5）重视测量工作，项目经理部应组建测量队，各施工队设测量班，组成精干的测量队伍，根据工程施工的特点配备先进的测量仪器，从中线、高程和几何尺寸上确保工程质量。

（6）选用先进的设备
配备精良的施工设备，广泛应用成套的机具，充分发挥机械效能。

在施工中加强保养，保证机械的完好率和利用率，实现机械化作业。

重要设备及易损设备有一定的储备，作为设备损坏及维修时的替代，保证施工连续。

在施工中制定各
种有效的管理措施及激励机制，提高效率，加快工程进度。

2、工程材料控制
工程材料和辅助材料（包括构件、成品、半成品），都将构成工程的实体。

保证工程材料按质、按量、按时的供应是提高和保证质量的前提。

因此，对采购的原材料、半成品等材料，建立健全进场前检查验收和取样送检制度，先调查料源，报业主及监理工程师审批后选用，杜绝不合格的材料进入现场。

（1）外购材料必须三证（出厂证、合格证、检验证）齐全，进场后按规定抽检，合格后方可使用。

（2）地方材料先调查料源，取样试验，试验合格经监理工程师认可后方可进料。

（3）现场设专人收料，不合格的材料拒收。

施工过程中若发现不合格材料及时清理出现场。

3、施工操作控制
（1）施工操作者必须具有相应的操作技能，做到考核合格持证上岗。

（2）施工操作中，坚持“三检”制度，即自检、互检、专检；所有工序坚持样板制；牢固树立“上道工序为下道工序服务”和“下道工序就是用户”的思想，坚持做到不合格的工序不交工。

（3）各工序实行操作者挂牌制，促进操作者提高自我控制施工质量的意识。

（4）做到施工操作程序化、标准化、规范化，贯穿工前有交底、工中有检查、工后有验收的“一条龙”操作管理方法，确保施工质量。

4、进度和质量关系的控制
在工程项目的施工与管理过程中，正确处理质与量的关系。

生产指标（任务）、进度（任务）完成后，必须检验质量是否合格。

坚持好中求快，好中求省，严格按标准、规范和设计要求组织、指导施工，不能因为抢工期而忽视质量。

（八）安全措施
1、安全用电
（1）现场施工用电。

施工用电按《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46-2018的要求，首先由电气工程技术人员进行临时用电施工组织设计，然后对电工操作人员进行安全技术交底。

总体要达到：
①施工现场的电线架设在专用电杆上（水泥和木杆），相线和零线要用颜色区分，同时按照“三相五线制”的标准架设。

固定设备电线穿管埋地或架空敷设，不乱拉乱拖。

埋地时要大于0.5米，管内导线无接头，管口密封。

架空时用绝缘子固定，严禁使用金属裸线绑扎。

接头牢固可靠，不承受拉力，进行三包（黄绿带、黑胶布、防水胶布）。

②配电箱要做到门、锁、安全，防雨、防尘、整洁、完好。

③配电箱的板面线路布置规则，分路合理、电器灵敏，排列整齐，压接牢固，无带电体外露，设零排和地排，动力和照明分开设置，回路标记明显，各级配电装置容量与实际负载匹配。

④分配电箱和移动电箱的每个回路设漏电开关，一机一闸一漏，编号标记，下班后拉闸断电、上锁。

⑤振捣器、平板振动器、潜水泵、手持电动工具等移动设备采用二级漏电保护，其移动电箱开关额定漏电动作电流为30mA，潮湿等特殊场所为15mA。

⑥照明回路设漏电开关、接地接零装置和熔断器，并确保各项连接符合有关电气防水要求，所有配电箱必须上锁，并且只能由合格的电工才能打开操作。

灯具与地面、易燃物和电线保持安全距离。

⑦现场的电焊机的保护罩齐全，完好无损；氧气瓶和乙炔瓶分开摆放，相互的距离和焊点的距离保持在5米以上。

⑧工地范围内禁止明火，施工现场设立定点吸烟室，禁止在作业场所吸烟。

宿舍、办公室、仓库禁止使用电热器具取暖和煮饭，宿舍仓库不得混用。

同时，宿舍区内禁止使用蜡烛照明，办公区、生活区显眼和易用的位置按规定设置灭火器等足够的各类有效防火器材，并经常检查。

施工现场的危险区域应当设立危险警示标志。

⑨夜间施工特别注意安全，采取每一施工段安排专人管理的措施来确保安全施工。

（2）防触电措施
用电设备必须严格接地或接零保护且安装漏电保护器，动作电流必须在15mA、0.1S以内，所有设备用电必须分闸，严禁一闸多用。

电缆必须架空2.0m 以上，严禁拖地和埋压土中，电缆、电线必须采用护套等保护措施。

照明应采用
12V以下的安全灯。

操作工应手戴工作手套，脚穿绝缘胶鞋。

（九）环保措施
1、本工法布置临时设施时尽量选用工程永久占地，加强对临时工程用地的生态环境保护。

影响范围内的树木采用移栽的方式保护，不毁坏树木和绿地。

2、由于顶管采用液压系统，施工完毕后及时清理油污、垃圾等，以免污染环境。

（十）效益分析
采用此工艺进行施工，工期可以缩短10%，节省劳动力40%，节约维修费用30%，降低了工程造价，产生了极好的经济和社会效益。