应用背景

我国目前用于冻结或管幕暗挖超前支护的钻孔方式均为直线成孔，而采用曲线顶管技术不仅可以减少钻孔数量，形成更大范围的冻结空间，还能提高施工安全性，并保证成孔精度。那么是什么样的“神器”能够保证实现这条“弯弯的彩虹呢”？在国防科大的支持下，湖南科天健光电技术有限公司研制了基于相机链摄影测量的小半径光学导向系统，日前在客户上海隧道工程有限公司制造的国内首台曲线顶管机试验中成功应用。

什么是曲线顶管技术？

在冻结工艺和化学注浆等地基加固措施施工中，都需要在特定环境下进行地下空间的构筑和拓宽，采用曲线顶管技术，因为顶管机和钢管节都是曲线的，一般直径在300-600mm，体积很小，易于布置。通常配合有着同样曲率半径的弧形导轨使用。

曲线顶管机

导轨型推进装置

曲线顶管机在国外用过吗？

日本在曲线顶管技术方面工艺比较成熟，主要通过曲线管幕结合冻结进行加固，代表性的工法有TULIP工法，曾在多个工程中得到过成功应用。

日本曲线顶管施工

此次的上海隧道工程有限公司制造的国内首台极小半径曲线顶管机有什么特点？

此次研制的顶管机直径300mm，轴线半径>6m。

全断面切削刀盘为“三叶草”型，具有近似泥水平衡掘进功能。

采用支架导轨型推进装置。

工具管采用可回缩式设计，可以用于“只进不出”的顶进。

特别需要指出的是，与日本类似产品相比，该顶管机安装了湖南科天健公司提供的小半径光学导向系统，使得顶进全过程可视可控，随时实现纠偏，精度更佳。

小半径光学导向系统介绍

科天健公司研制的基于高速相机链摄影测量的小半径光学导向系统设备，采用国防科大专利的新颖的高速相机链摄影测量技术，系统依据折线光路摄影测量原理，巧妙利用管节内的有效空间，在每一节管节内设置摄像相机传递站，多个成链状的高速摄像机传递站实现多级位姿传递，来完成极小半径顶管（内管200mm管径）施工过程中对顶管机头位置姿态的准确测量，解决顶管施工测量中不通视的机头位置和姿态测量，真实反映了顶管轴线的走向、为精确控制顶管施工轴线提供了可靠保证。

相机链摄影测量系统工作原理

室内模拟测试：

将首级站三维坐标输入到本系统软件中，作为初始点值。通过系统软件对多个成链状的摄像相机传递站来实现多级位姿传递计算出末级站标志的坐标。多次测量，计算本系统测量值和高精度全站仪（莱卡T15）数据的差值，10节时测量结果数据如下：

与平均值偏差（单位mm）

标志靶测量值在E、N、Z三个方向上差值的标准差分别为1.87mm、1.62mm、4.27mm。重复性：4.94mm。

室外施工现场测试：

传递站数为8级，在施工过程中验证共做了4组重复性测试，每组测试重复测量10次。

1#测量点与平均值偏差                 2#测量点与平均值偏差

测量结果的重复性为：

在施工验证时，随着传递站的增加，系统的重复性逐渐变大，从2级传递时的3.159mm增加到8级传递时时14.152mm。

与全站仪对比测试：在推进第10节管节后，机头露出地面。通过对10级传递和全站仪的数据对比如下表：

施工现场图：

机头出洞

实际试验效果如何？

目前已经完成了3根5m曲线半径顶进试验，获取了大量的试验数据，证明了曲线顶管机结构设计和顶进精度满足了设计要求，随时可用于施工。

这个“神器”今后的应用前景如何？

此次试验成功后，曲线顶管将在非开挖施工中将大展身手。比如，可以避开地下障碍物，有效提高地下空间的利用率；超长距离隧道施工时两台盾构地下对接，可通过曲线顶管冰冻土层，大大提高对接的安全性；地下隧道主线建好后，可借助曲线顶管扩展地下空间建设地下匝道；甚至将来地铁车站施工也可用曲线顶管搭建管棚，不用开挖即可完成部分车站建设。期待曲线顶管在地下工程施工中大显身手，更好地解决城市建设中“长痛”与“短痛”的矛盾！