中继环联动系统在超长距离曲线顶管中的施工应用*

毛海明 张海锋 徐玉夏

1. 上海市城市排水有限公司 上海 200233； 2. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200433；3. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200433

近年来顶管施工已经广泛应用到供水、排水、电力等市政、工业领域[1]。一方面，随着顶管施工水平的逐步提高，顶管长度越来越长，曲线顶管越来越常见，顶管应用在了越来越多以前不曾到过的地方；另一方面，随着我国经济持续稳定地增长，城市化进程将进一步加快，我国的地下管线的需求量也在逐年增加，一些行业对于管线的铺设有着更高的要求，比如近海排放口的安装，往往需要远离陆地长达4 km以上，目前最长距离的顶管还远未达到这个指标，所以，超长距离顶管还有很大的发展空间[2]。

1 中继环的主要作用

超长距离顶管施工能够完成，依赖于各个系统的高标准运行，而在顶进系统中最重要的组成部分就是中继环接力顶进。中继环的主要作用是增加顶管施工的总顶力，从而使得更长距离的顶管能够得以实现，除此以外还有其他多项功能，主要功能有以下几个方面。

1.1 增加总顶力

顶进过程中，后座油缸不可能无限制地增加顶力，在侧壁摩阻力一定情况下，长度达到一定距离后后座将无法提供足够的顶力来继续顶进，此时启用中继环可将顶进过程中越来越长的顶管分割为几个部分来单独顶进，解决了顶进问题，增加了总顶力。

1.2 顶力分布更为平均

使用中继环后，每个中继环仅需顶进整条顶管其中一段距离的管节，即只需克服一小段距离管节的侧壁摩阻力即可完成顶进。尤其是比较靠近工作井的管节受力将大大降低，这对于超长距离顶管来说很重要。因为越靠近工作井，这里土体被扰动的时间越长，在大顶力顶进过程中，若洞口附近土质条件较差，就更容易产生问题。

1.3 有利于超长距离曲线顶管顶进

城区顶管往往会遇到平面上的曲线顶管，穿越江河通向水域的管道则常为垂直方向的曲线顶管。无论是水平面向的还是垂直方向的一般均称为曲线顶管。顶力沿直线传递这种属性，使得曲线顶管在超长距离条件下会给顶管工程增加许多难度。中继环在曲线段内不仅可以降低局部位置的顶力，而且可以略微调整顶力的方向，这对超长距离曲线顶管来说有着积极的意义。

综合来说，中继环在超长距离顶管中的作用是极高的，但在使用方面还需结合实际针对性地设立启用方式。

2 存在的问题及分析

传统的中继环控制方法为前一环顶进完成后，操作人员电话通知后一环接力顶进，如此反复，“蠕动”式的向前进（图1），但这对于超长距离顶管来说，存在着巨大的弊端：顶进效率低。这种操作方法在多只中继环启用的顶管工程中存在很多问题，而且这种问题会在更大中继环启用规模的顶管中演变成无法顶进的局面。

图1 传统中继环启动流程

顶管中继环的控制效率问题和很多方面都有关系，比如通讯方面，环与环之间沟通不畅会导致中继环启动时间滞后，从而影响了顶进效率；比如回弹方面，若顶管回弹量过大（尤其是混凝土顶管），又会使得单次顶进距离缩短。以上这些都会大幅降低顶管施工的效率。

3 解决方案

3.1 建立联动系统

中继环联动系统是对同时启用3 个及以上中继环来说的，它可大大提高中继环的使用效率。仍然以图1的例子来说，改进后见图2。

图2 中继环联动控制

上图2中中继环3顶进完成后，中继环1直接启动的同时，后座也同步顶进，形成了环1和后座的联动。可以看出虽然启动了3 个中继环，加上后座总共有4 个顶进区间，但实际上消耗顶进时长的只有3 个区间，相当于效率提高了25％，而且随着启用中继环数量的增加，效率的提高会更为明显。

当然，在选择启用中继环方面也有更为灵活的选择，比如环1与环2的间距距离较长，或者摩阻力足够大，在环1顶进过程中不至于会让环2闭合，那么就可以使得环1和环3形成联动，环2和后座形成联动（视具体情况设置），这种情况下效率会提高50％。

3.2 建立PLC系统控制平台

中继环启用的设置依赖于现场的实际情况，在联动系统中，对已经启用的中继环参数设置更为复杂，涉及到中继环允许进尺长度以及允许顶力。

随着近些年设备控制工艺的提高，尤其是PLC工控系统在顶管设备控制方面的应用，为中继环联动创造了一个极佳的平台。

中继环联动系统由两部分组成：PLC控制系统以及传感器。上海市污水治理白龙港片区南线东段工程中一段混凝土顶管长度达2 080 m，且为曲线顶管，在全线设置了16 只中继环。所有中继环都纳入到了PLC控制系统管理之下，如图3所示。

图3 PLC控制系统

传感器包括中继环油泵车的压力变送器以及位移传感器，主要用来检测中继环的工作油压，并对压力进行统计；位移传感器安装于中继环的左右以及上部，对中继环的行程进行测量，在曲线段还测出中继环的张缝值。

3.3 过程参数调节

中继环联动系统的本质就是“多点同时顶进”，即在顶进过程中，能够实现多个中继环同时工作，从而大幅提高顶管的施工效率。

图4 中继环联动实例

中继环的顶进参数调整将影响到多个方面，包括油压、位移、顶进时间以及形成联动的具体中继环。

在图4中可以看出顶管同时启用了8 只中继环共9 个顶进区间，形成了三级的联动，也就是说同时可以有3 个区间进行顶进。从时间上来说相当于仅仅启用了3 只中继环。这个效率的提升是巨大的，将顶进效率提升了3 倍。在这条2 080 m的顶管中，中继环联动系统起到了极为重要的作用。

4 结语

采用上述中继环联动系统应用于白龙港超长距离曲线顶管，最终使得顶管顺利进行，不仅完成了超长距离顶管，而且极大的提高了施工效率，为以后更长距离的顶管积累了宝贵经验。