【文章內(nèi)容簡介】 管的中心，而是布置在頂管中心上方某一高度處。工程上常用的激光接收光靶為固定靶，此時若頂管機頭發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光靶接收裝置測量得到的偏斜值并不能直接反映頂管機頭的實際偏斜，而是要經(jīng)過一定的換算，這勢必會 增加頂管姿態(tài)測量的復(fù)雜性。同時，由測量結(jié)果換算而產(chǎn)生的誤差累計起來也會影響整個測量結(jié)果的精度 。 結(jié)合本工程“大直徑、長距離”的特點，并考慮到施工協(xié)調(diào)等因素，需 從多個角度研究管道軸線的控制技術(shù)； 研發(fā)能夠多視點監(jiān)測、數(shù)據(jù)實時傳輸、指令信號實時 處理的控制系統(tǒng)，特別是當(dāng) 采用變頻技術(shù) 在建（構(gòu)）筑物、道路等 下方頂進時，讓 施工操作 人員實時了解頂管機頂進速度、變頻控制等 環(huán)節(jié)，顯得尤為重要 。 1 緒論 6 隨著 電機 變頻調(diào)速技術(shù) 逐步 走向 成熟， 該 技術(shù) 已被逐漸 應(yīng)用于城市建設(shè)工程。然而，在大直徑長距離鋼頂管中如何使用 電機 變頻調(diào)速技術(shù)，用變頻調(diào)速技術(shù) 后的工程節(jié)能分析、變頻調(diào)速技術(shù)在大直徑長距離鋼頂管中使用時的地層適應(yīng)性和地表沉降 控制 方面 ， 還需要做更進一步的研究 。 頂管施工操作過程中， 當(dāng)管段頂?shù)胶附游恢煤螅獙⑶Ы镯斂s回、下放管 節(jié) 、新下放的管 節(jié) 與前一管節(jié)對焊，完成這一套施工工序約需 幾 個小時 的時間 。 而此時外接電源切斷，造成頂管內(nèi)無照明 電源 ，影響 管道內(nèi)施工 操作 的安全 性 。 目前地下 工程施工時 一般采用的安全電壓為 36V24V， 當(dāng) 管道頂進的距離 較 長 時 導(dǎo)線電阻較大， 由于電壓低而引起的 電壓降較大 的問題會 直接影響到管道內(nèi)的照明質(zhì)量。 因此， 需要 對超長距離、深埋、 大直徑 鋼頂管機頭姿態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)、大直徑頂管休頂時的止退技術(shù) 、長距離頂管姿態(tài)測量 和實時顯示 技術(shù) 開展深入 研究，對超 長距離 、 大直徑 、 鋼頂管施工節(jié)能與環(huán)境控制技術(shù) 開展深入 研究， 為 嚴橋支線 C9 標(biāo)頂管 工程 的 順利實施提供理論依據(jù)和有力的技術(shù) 支持 ，并 為 今 后類似工程的設(shè)計與施工提供寶貴的理論和經(jīng)驗。 國內(nèi)外研究 現(xiàn) 狀 (1) 大直徑鋼頂管姿態(tài)控制技術(shù)方面 楊根 勝 （ 1999）根據(jù)具體的工程現(xiàn)場觀測資料，結(jié)合土壓力理論對頂管的土壓力形成過程及其作用機理進行了分析，在此基礎(chǔ)上確定了鋼頂管管周土壓力的分布形式，同時驗證了理論計算結(jié)果的正確性。 孫永 華等（ 2020） 結(jié)合國電常州電廠循環(huán)引水管 鋼 頂管工程 （內(nèi)徑 ，最大長度 799m）， 對施工過程中排除施工障礙物、穿越不良土層等方面采取的針對性技術(shù)措施及風(fēng)險防范措施進行了探討。 張軍等（ 2020）結(jié)合某城市截污綜合整治工程實例，對大斷面長距離頂管施工的糾偏技術(shù)措施進行了探討。 徐朝輝等（ 2020）對 揚州第五水廠取水泵房引水管道 頂管工程（ 頂距 432m） 的施工 過程中的出洞、焊接、測量等環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制要點進行了研究 。 張朝彪等（ 2020）以海泰國際大廈地下車行通道的鋼頂管工程（直徑 ，頂 距 53m）為背景，對頂 進過程中的法面測量控制技術(shù)進行了研究。 楊 轉(zhuǎn) 運（ 2020）對長距離頂管中易出現(xiàn)的技術(shù)問題進行了分析，并提出了相應(yīng)的 處理 措施。 馮海寧 等（ 2020）通過現(xiàn)場試驗確定頂管施工對土體擾動的DN3600 長距離鋼頂管專項控制技術(shù)研究 7 大小及其擾動范圍的規(guī)律；魏綱、徐日慶等（ 2020） 分析了長距離直線頂管施工時管 、 土之間的相互作用， 認為管道周圍土體提供的抵抗力矩小于偏心頂推力 產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，造成管節(jié)偏離設(shè)計軸線 從而產(chǎn)生管道失穩(wěn)現(xiàn)象，提出 采用考慮位移的土壓力計算方法計算環(huán)向土壓力 ；盧紅前（ 2020） 對《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 ( GB 5033222020)推薦的 柔性鋼頂管頂部豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式進行了補充和完善 ，推導(dǎo)出可考慮 管頂上方不同位置處、不同厚度的硬土層對管頂豎向土壓力減載效果 的土壓力計算公式。 楊宏燕 等 （ 2020） 對頂管機糾偏特性分析的基礎(chǔ)上提出了頂管機軸線控制的虛擬軌跡模型、方向變化輸入模型和向量控制輸出模型， 但僅局限于試驗階段； 范桂芳等（ 2020） 、 張朝彪（ 2020）從不同的角度分析了頂管姿態(tài)控制技術(shù)與控制要點，但均局限于具體的工程，而沒有形成共識。國外學(xué)者如 . Milligan 等 (1996)根據(jù)現(xiàn)場試驗的監(jiān)測結(jié)果，認為管道 土體的 相互作用非常復(fù)雜，多種因素影響制約管道軸線的變化。 在可視化化設(shè)備研發(fā)方面，國外主要有 德國海瑞克公司的 AVN800AVN2020系列頂管設(shè)備的可視化系統(tǒng)，采用電腦設(shè)定程序收集、分析并處理各種施工信息，自動化程度高，能節(jié)約人力，但價格昂貴 ； 日本伊勢機 公司 研制 的 頂管機數(shù)字化姿態(tài)檢測裝置 ， 在實際工程中有 成功的應(yīng)用業(yè)績，但應(yīng)用 并不廣泛。 國內(nèi)方面，上海隧道工程股份有限公司是國內(nèi)第一家研制頂管機軸線控制可視化系統(tǒng)的公司， 2020 年成功研發(fā)出“ 小口徑頂管機軸線智能制導(dǎo)系統(tǒng) ”，采用現(xiàn)代模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決過程控制問題，并 可設(shè)置頂管掘進的 運 動特性、土質(zhì)條件、施工要求等邊界條件 。但該系統(tǒng)主要針對小口徑頂管（ 900mm）的中短距離軸線控制，對大口徑（ 2020mm）長距離（ 1000m）頂管而言，由于影響因素更多并且趨于復(fù)雜，該系統(tǒng)并不能勝任本工程需要。 學(xué)者對大直徑、長距離鋼頂管的姿態(tài)控制技術(shù)進行了一定的研究，提出了一些頂管姿態(tài)控制的技術(shù)措施。但是，對大直徑、長距離鋼頂管的姿態(tài)控制技術(shù)研究仍然不夠系統(tǒng)，提出的技術(shù)措施也多是針對某單個工程而言的。因此，對大直徑、長距離鋼頂管的姿態(tài)控制技術(shù)還需要做更深入的研究。 (2) 大直徑頂管休頂 時的力學(xué)狀態(tài)和止退技術(shù)方面 國內(nèi)外學(xué)者們在頂管頂進時側(cè)向摩阻力的計算和長距離頂管注漿減摩方面進行了很多研究。 Phelipot, （ 2020）研究了上部荷載和觸變泥漿對頂管施工1 緒論 8 的影響。 K. Shou 等（ 2020）對觸變泥漿的摩阻力及其對頂管頂進阻力的影響進行了研究。 國內(nèi)學(xué)者魏綱（ 2020）和對長距離頂管施工中注漿漿液與管道以及周圍土體之間的相互作用機理進行了分析。匡志文（ 2020）對超長距離頂管的泥漿減阻技術(shù)進行了研究。湯華深等（ 2020）和韓選江（ 2020）分別從壓力拱理論出發(fā)求出了管節(jié)外壁土壓力的分 布，并對側(cè)摩阻力計算公式進行了改進。王維升 在現(xiàn)場實測的基礎(chǔ)上，研究了頂管工程頂進頂力與注漿減阻之間的函數(shù)關(guān)系，并分析了頂進中斷時注漿減阻對頂力的影響。 蔣文路（ 2020）結(jié)合上海世博園供電項目某電力電纜隧道工程頂管項目，對頂管施工中的阻力及推力計算方法進行了研究。向安田等（ 2020）對頂管頂進過程中的平均摩阻力隨頂程的變化規(guī)律及其影響因素進行了研究。 但是，在頂管出洞階段后退摩阻力方面的研究仍然較少。如果直接將目前的規(guī)范及學(xué)者們提出的側(cè)向摩阻力的計算公式用于后退摩阻力的計算及確定止退裝置的使用時機，則結(jié)果偏于 不安全。因此，就大直徑頂管后退摩阻力的計算方面，還需要做更深一步的研究。 (3) 變頻調(diào)速技術(shù)在大直徑 、 長距離 鋼頂管中的應(yīng)用情況 目前，德國 Herrenknecht 公司（ 2020）將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)和頂管機械中，研發(fā)了新型盾構(gòu)和頂管機械，但是如何在大直徑鋼頂管中利用變頻調(diào)速驅(qū)動電機還缺乏相關(guān)研究；在我國城市非開挖建設(shè)工程中， 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用和研究主要有陸曉華等 （ 2020） 將變頻器應(yīng)用于盾構(gòu)機中，提高了盾構(gòu)控制精度，給施工帶來了很大便利 。但是尚未進行變頻器在盾構(gòu)中使用的相關(guān)節(jié)能研究以及地層適應(yīng)性研究 ；尚東霞 （ 2020） 通過改裝頂管機械，將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用其中，并且在工程中加以使用，產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟效益 。但是，變頻調(diào)速驅(qū)動電機在大直徑長距離鋼頂管中使用帶來的具體經(jīng)濟效益、節(jié)能效益以及變頻調(diào)速驅(qū)動電機的地層適應(yīng)性和控制地表沉降規(guī)律的研究還缺乏相關(guān)成果。總體來說， 在大直徑長距離鋼頂管中如何使用變頻調(diào)速技術(shù)，以及使用變頻調(diào)速技術(shù)后的工程節(jié)能分析、變頻調(diào)速技術(shù)在大直徑長 距離鋼頂管中使用時的地層適應(yīng)性和控制地表沉降的分析研究，國內(nèi)外 缺乏相關(guān)資料和科研分析。 (4) LED 照明系統(tǒng)在大直徑長距離鋼頂管中的應(yīng)用研究方面 自國家實施“中國 綠色照明工程”以來，綠色照明的概念已深入人心。 LEDDN3600 長距離鋼頂管專項控制技術(shù)研究 9 作為 21 世紀綠色節(jié)能的第四代照明光源， 由于其 相對于其它較普及電光源 優(yōu)勢顯著，因此近年來在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用研究。 STAR SSL Stakeholders Meeting（國際固體照明能源之星峰會）（ 2020）通過對各種常用電光源的性能對比及其發(fā)光效率進展對比，對 LED 燈在未來的應(yīng)用趨勢得出結(jié)論，并提出了相關(guān)發(fā)展性策略； Jon Gamble 等（ 2020）提出“ The global lighting revolution”（全球照明革命），對 LED 在全 球的推廣應(yīng)用及相關(guān)研究進行了系統(tǒng)性總結(jié)分析，提出了前沿照明技術(shù)關(guān)鍵，推進了綠色照明在全球化。在我國， 牟同升 等（ 2020）通過概括總結(jié) LED 光源的原理、發(fā)展概況、特點等， 對其具體應(yīng)用及發(fā)展趨勢 進行了系統(tǒng)分析 ，說明了 LED 在道路照明中的應(yīng)用并做了總結(jié)展望 ； 孫建領(lǐng) （ 2020）以實際工程為背景， 指出了采煤工作面本質(zhì)安全型LED 照明燈應(yīng)該具備的條件， 提出了 LED 在礦井應(yīng)用方面的發(fā)展方向 ；趙振江（ 2020） 結(jié)合南京地鐵站公共區(qū)照明改造，對 LED 照明應(yīng)用過程中的相關(guān)問題進行探討 ， 通過對實施效果的對比和分析，得出 LED 應(yīng)用 于公共場所照明具有可行性及較好的節(jié)能效果 ； 劉木清 等（ 2020） 比較了 LED 與這幾種傳統(tǒng)光源在隧道照明中的優(yōu)勢與劣勢，并通過上海長江隧道照明中 LED 一年多的現(xiàn)場試掛 ，測試與分析了 LED 在隧道照明中的照明效果 、 節(jié)能指標(biāo)與壽命等 ， LED 在國內(nèi)十幾個隧道過程中的成功應(yīng)用，及時推進了 LED 照明技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域的擴大化 。陳良惠院士在中瑞“能源效率與節(jié)能減排研討會”上作題為《中國的固體照明》的報告 ，充分肯定了目前 LED 照明在我國各領(lǐng)域的成功應(yīng)用，并提出了 LED 照明技術(shù) 在實踐 應(yīng)用 過程中還存在很多不確定的因素，需要進一步研究和 完善。 LED 應(yīng)用于施工照明正處于起步階段， 在探索 LED 如何進入照明領(lǐng)域這個大的課題中，將 LED 用于隧道施工照明也是一個新的領(lǐng)域 。 本項目首次將 LED照明系統(tǒng)應(yīng)用于 長距離頂管 隧道施工工程，照明光源可靠性、燈具安全性等問題尚無定論，亦無相關(guān)經(jīng)驗可循。另外， LED 發(fā)展迅速，有一定的不 可預(yù)見性，隧道施工工程照明系統(tǒng)的可替代性研究存在相應(yīng)的攻關(guān)難點。 主要研究內(nèi)容 以青草沙水源地原水工程嚴橋支線 C9 標(biāo) DN3600mm 鋼頂管工程為依托，開展以下研究工作 ： (1) 大直徑鋼頂管姿態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究 1 緒論 10 通過力學(xué)分析 研究 了 頂管 土體 之間的相互力學(xué)作用 ，探討 了 頂管施工對周圍土體的擾動 機理 及管周土體對頂管的力學(xué)作用 ；在 對頂管姿態(tài)的影響因素 及敏感性 分析的基礎(chǔ)上 ， 對大直徑鋼 頂管 姿態(tài) 控制的 技術(shù)措施 進行 了 系統(tǒng) 研究； 對長距離頂管軸線測量的誤差控制技術(shù)開展研究 ，提出 了 一套可用于長距離頂管軸線測量的裝置和方法； 開發(fā)出一套長距離頂管姿態(tài)實時在線 的 可視化系統(tǒng)，以便于施工操作人員對頂管姿態(tài)進行實時 準(zhǔn)確地控制。 (2) 大直徑頂管休頂時的力學(xué)狀態(tài)和止退技術(shù)研究 對大直徑頂管休頂時的后退摩阻力影響因素進行 了 探討，提出 了 大直徑頂管休頂時的正面土壓力及后退摩阻 力的計算方法，同時對增大大直徑頂管后退摩阻力的工程措施及大直徑頂管休頂時的止退裝置設(shè)計計算方法進行 了 深入研究。 (3) 長距離大直徑鋼頂管施工節(jié)能與環(huán)境控制技術(shù)研究 對電機變頻技術(shù)在大直徑鋼頂管施工中的應(yīng)用進行了系統(tǒng)研究 ，并對自動變頻頂管機的 軟啟動特性、節(jié)能性 和 地層適應(yīng)性進行 了 研究 。 (4) LED 照明系統(tǒng)在大直徑長距離鋼頂管中的應(yīng)用 對 LED 燈照明系統(tǒng) 在 長距離頂管施工中 應(yīng)用的可行性及隧道內(nèi)持續(xù)照明技術(shù)所采用的相關(guān)器件裝備進行了深入研究，并 對長距離頂管 LED燈照明方案進行了 化分析。 同時，對長距離頂管施工 LED照明系統(tǒng) 的 節(jié)能性、 環(huán)境舒適性及安全性 進行了 研究。 課題的創(chuàng)新點 (1) 在 對頂管姿態(tài)的影響因素 分析的基礎(chǔ)上 ， 對大直徑鋼 頂管 姿態(tài)控制的 技術(shù)措施 進行了系統(tǒng)研究 ； (2)提出 了 大直徑頂管休頂時的正面土壓力及后退摩阻力的計算方法，同時對增大大直徑頂管后退摩阻力的工程措施及大直徑頂管休頂時的止退裝置設(shè)計計算方法進行 了深入研究 ； (3) 將 LED 照明技術(shù) 應(yīng)用于長距離鋼 頂管 施工的 持續(xù)照明 ，并對 LED照明的器件裝備、照明方案、節(jié)能性、環(huán)境舒適性及安全性進行了系統(tǒng)分析 。ＤＮ３６００ 長距離鋼頂管專項控制技術(shù)研究 11 2 大直徑鋼頂管姿態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)研究 頂管 土體系統(tǒng)的相 互力學(xué)作用研究 在頂管推進過程中，頂 管 除了要承受 自重 及主頂千斤頂推力以外，還會受到周圍土體的正面 水土壓力 及側(cè)向 摩阻力 作用 。 頂管施工的頂進速度、出土量、主頂千斤頂頂力及頂管姿態(tài)控制都與周圍地層情況緊密相關(guān)。 同時，頂管克服各種阻力向前推進的同時，又 會 反作用于土體，對土體產(chǎn)生附加應(yīng)力，引起