(QC成果)大口径顶管大曲率施工方法的创新

一、工程概况...............................................................................................................................2二、小组简介...............................................................................................................................2三、选择课题...............................................................................................................................3四、设定目标...............................................................................................................................4五、提出各种方案并确定最佳方案。.......................................................................................5六、 制订对策............................................................................................................................10七、 按对策实施........................................................................................................................11八、效果确认.............................................................................................................................17九、巩固措施和标准化.............................................................................................................17十、总结和下一步打算.............................................................................................................18

贤（半山电厂侧）π入半山变22

0千伏线路电缆隧道工程项目QC小组

课题名称课题类型成立时间活动时间

大口径顶管大曲率施工方法的创新

小组编号课题编号

QC2017-6-5ZJJGQC2017-6-5

陈建军

创新型小组人数10注册日期活动频次

组长

2017年6月25日2017年7月～2017年11月

2017年6月30日2次/月，出勤率98%

制表人：沈鹏飞 制表时间：2017年7月30日

表2 小组成员简介表

序号1234567

姓名

性别年龄文化程度组内职务

职称（工种）小组分工

TQC教育时

间

1

管大曲率施工方法的新顶创10

制表人：沈

制表

：2017年7月30日

目标创新一种大曲率顶管施工方法，能够顺利完成设计最小平曲线半径597.626米的顶管段施工2

大口径作、确定目、目上所述，我管大曲率施工方法的新本为动活可行性分析组织标设定目标定是可行的”组小课题：在上，本目“标实现顶。标们选创

仅顺利顶通，轴线与坡度符合设计要求，而且在顶进过程中，成功的沉降控制符合规范要求，队伍与机械设备均经过实践的考验。

结论：在协作队伍、机械设备配置、实践经验方面本目标实现是可行的（3）通过理论计算，2#~1#工井区间顶管段曲线半径为597.626米，根据已知顶管轴线曲线半径R=597.626米，单节管节长度L=2.5米，则相邻管节转角=L×360°/2πR=0.2398°≈0.24°得出相邻管节转角为0.24°，我工程通过机头的纠偏千斤顶可以完成最大0.2°的转角，如下图α角，再通过我额外施加的可调补偿铰，或者增加中继间，在顶管机头与首节管之间形成补偿张口β角，进行补偿，完全可以达到0.24°的转角需求。本工程施工中α控制在0.15°~0.20°，β控制在0.06°~0.10°，在推进过程中有充足的余量进行纠偏控制，确保顶管按照设计轴线顺利推进。

结论：通过理论计算目标实现是可行的

五、提出各种方案并确定最佳方案。　

1、方案的提出

QC小组召开会议，围绕课题和目标集思广益，总结了前面两段顶管的实践经验，结合工程实际需求，，提出了几项可行的实施方案，并逐个进行系统的整理分析。

方案一：

在机头与首节管之间增设一个中继间，拟定增加的中继间行程为30厘米，最大偏转角度0.1°，通过中继间千斤顶不均匀伸缩，右侧千斤顶加大伸长量，左侧千斤顶缩回，产生左转的偏角，从而增大曲率，控制轴线。

方案二：

在顶管机与首节管间设置可调补偿铰，补偿铰β角偏转角度拟定为0.06°~0.10°，因为通过调节机头纠偏千斤顶来调节α角比较方便，故β角初始值按最大值0.1°设定，顶管在轴线中的偏转角Θ=0.24°，L=2.5米，管节外径D=4.14米,

管节外半径R=2.07米顶管轴线曲线段圆曲线半径R=597.626米，故单节管子推进后产生的与曲线偏转距离S=tan（Θ+β）×L=14.8mm,顶管轴线圆曲线外侧（东侧）首节管在施加补偿铰以后张口量=2π（R+r）×（Θ+β）/360°-2π（R-r）×（Θ+β）/360°=24.57mm≈25mm.为了满足这个张口量，我项目部准备了三种规格的钢板， 15×400×280mm（弧形钢板）、10×400×28mm（矩形钢板）、2×400×140mm（矩形薄铁皮）通过上述钢板填充张口，通过顶管机纠偏千斤顶和补偿铰共同作用控制顶管轴线按设计曲线顺利顶进。

方案三：

管节长度由原设计2.5米缩短为1.5米，根据已知顶管轴线曲线半径R=597.626米，现单节管节长度由L=2.5米变更为L=1.5米，则相邻管节转角=L×360°/2πR=0.1438°，我工程通过机头的纠偏千斤顶可以完成最大0.2°的转角，因此通过减小管节转角和张口量，使现场现有机头具备完成此段曲线顶管的能力，可以通过机头纠偏千斤顶直接来控制轴线。

3

制图人：徐俊 制图时间:2017年8月5日

图5-1顶管轴线示意图

为了进一步分析所提出方案的优缺点，小组成员制订了大口径大曲率顶管施工方法分析表。

大口径大曲率顶管施工方法分析表

序号1

方案名称增设中继间

增设中继间，通过中继间千斤顶伸缩增大纠偏量，补偿顶管机纠偏量不足部

分，控制轴线。在顶管机与首节管间设置可调补偿铰，通过顶管机纠偏千斤顶和补偿铰共同

作用控制轴线。管节长度由原设计2.5米缩短为1.5米，通过减小管节转角和张口量来控制轴线

技术成熟，千斤顶电脑控制，操作简单、位移

量精确安装方便、经济成本低、转弯效果好、不影响施工工期并且原状土

扰动小利用成熟技术即可完成施工任务，作业安全

。

制作安装成本高，且无法回收、容易渗漏水、施工周期长顶管机千斤顶伸缩控制要求高，顶管机与首节管易脱节，引起

隧道进水。管节长度调整必须通过设计变更，审批程序时间长。接缝增加，导致管节成本上升且渗漏水概率增加

方法简介

优点

缺点

2设置可调补偿铰

3调整管节长度

制表人：刘唐华 制表时间:2017年8月5日

2、方案的评估及选定

方案对比分析表项目

技术特点

经济合理性

4

难易程度

实用效果结论

制作费用：20

0000元

1、根据实际情况定制一

安装费用：50方案一

个中继间

增设中000元

2、中继间安装及使用

合计250000继间

3、中继间千斤顶回收

元

1、材料准备，包括工字

钢、弧形钢板、矩形钢钢材费用：10

方案二板等000元设置可2、通过顶管机头铰接伸安装费用：50调补偿缩使得顶管机头与首节00元铰管间产生间隙合计：15000

3、安装弧形钢板、矩形元钢板等形成可调补偿铰

1、由设计出设计变更图模具两套：10

纸0000元

方案三

2、管节厂家生产相应长管节成本：78

调整管

度管节000元

节长度

3、养护完成达到强度后合计：178000

使用

元

本方案能够满足施工需要，且施工安全可靠，操作简单。

本方案实施操作简单，施工安全，但成本高，工期长，不选用

复杂

本方案成本低

本方案能够满，经济效益好足施工需要，不，完全能够满需要占用施工足施工需要，工期，操作精度且不需要占用要求高。施工工期，选

用本方案能够满

简单

足施工需要，但变更程序复杂，管节渗漏概率

增加

简单

本方案前期审批时间长，管节成本高，不

选用

制表人：刘唐华 制表时间:2017年8月5日

分析结论：小组认为，从技术特点、经济合理性、难易程度、实用效果4个方面分析，通过对3个

方案的综合比较，方案2更具优势，为此，选定方案2：设置可调补偿铰为最佳方案。3、方案的实施程序。方案实施程序见下图

方案编写专家论证修改材料准备顶管机头右侧纠偏千斤顶回缩焊接槽钢顶管机头右侧纠偏千斤顶伸长加塞钢板间隙闭合拆除槽钢5

制图：刘唐华 制图时间:2017年8月5日

图5-2方案实施程序图

3、提出方案实施需解决的问题：

通过QC小组集体讨论，我们将设置可调补偿铰法实施需解决的问题，从方案设计和补偿铰施工两个方面分类，列举如下图

设置可调补偿铰法 方案设计阶段补偿铰施工阶段纠偏措施确定六、制订对策完材成料后准钢备板处理根据明确的要求，小组成员制定了对策措施，见下表。

避免应力集中对策措施表

补偿铰间隙形成间隙填充序方案要号素

对策目标

措施

项目总工和技术人员计算

拟采用方案在最不利情况下最大可能偏差，拟定监测频率，拟定纠偏措施，验算纠偏措施在最不利情况下是否可及时纠正施工前确认首节管混凝土龄期与强度达到设计要求，在首节管节与顶管机头接触面端设置25mm厚木质胶合板缓冲层防止因填充钢板而产生应力集中加强槽钢、弧型钢板的焊接质量，并对补偿铰的补

6

地点

完成时间2017年7月10日

负责人沈鹏飞、辛国强

1

纠偏措施确定

召开QC小组会议，集体讨论

制定完善的纠偏措施

会议室现场

2

如何避免应力集中方案优化

采用胶合板缓冲层

在施工过程中，避免出现应力集中现象确保方案实施的安全性

会议室办公室现场

2017年7月15日2017年7月16

沈鹏飞、辛国强沈鹏飞、

3

小组讨论，设想补偿铰

施工过程可能出现的问题，针对这些问题进行优化

4

材料准备

小组讨论，确定钢材类型，尺寸

达100%偿能力进行验算日

辛国强

确保材料强度、刚度，尺寸达到施工要求补偿间隙宽度能达到纠偏的目的

通过施工经验及验算选材顶管机头纠偏千斤顶伸长后焊接槽钢使机头前端与首节管保持固定距离，然后收缩机头千斤顶形成补

偿铰间隙

在顶管机后段与首节管的间隙中先插入弧形钢板，用点焊的方式将弧形钢板的两端及中间与首节管的钢套固定；再将10mm厚的方形钢板插入弧形钢板与顶管机后段间隙中，在弧形钢板的中间，上、下各一块均匀布置，用点焊的方式与弧形钢板焊接牢固

办公室现场2017年7月20日

陈建军、吴正柏陈建军、徐俊

5

补偿铰间隙形成

根据专家论证方案实施

现场

2017年8月1日

6

间隙填充

挑选优秀的焊接人员及施工人员

保证填充后钢板平整，防止应力集

中

现场

2017年8月1日

陈建军、徐俊

七、按对策实施

实施一：纠偏措施确定实施时间

2017年7月10日

实施地点会议室、现场

实施人员

沈鹏飞、辛国强

为了确定合理的纠偏措施，QC小组召开了会议进行讨论。确定纠偏措施如下：

2号井始发段24.773米为直线；此段因为是直线，在始发前，做好导轨的轴线复测，确保顶管机头以正确的姿态始发进洞，进入始发直线段后，通过操作室的监控及下井实地检查相结合，不断的检查轴线红外线有否偏离机头中心预设的光靶的中心，如果在推进过程中红外线始终对准预设光靶中心，且检查经纬仪未受到扰动则可确保顶管段沿设计轴线顺利推进，如红外线偏离光靶中心，则应及时启动机头纠偏千斤顶，根据偏移情况及时进行纠偏。

顶管通过直线段后进入5米缓和段，随后即进入圆曲线段，项目部总工室计算单次推进一节管节后，最不利情况下（即机头操作机手严重操作失误，纠偏千斤顶向相反的方向纠偏，在我项目严格的管理下此情况不可能出现，此处只是纯粹假设），管节轴线偏差值S大小：

S=tan（Θ）×L+ tan（α）×L =18.8mm

α:调节机头纠偏千斤顶来调节的角度为α角，最大取0.2°，Θ:顶管在圆曲线段的偏转角为Θ=0.24°，

7

L:单节管子长度为L=2.5米

由上述计算可知单次推进一节管节后，最不利情况下轴线偏差为18.8mm,我工程顶管轴线，设计允许轴线偏差为±150mm，可以看出只要保证每一节顶管顶进完成后，都进行严格的轴线复测，最大偏差情况也是远小于设计允许值的，只要及时发现，及时进行纠偏，我顶管轴线是可控的。

然后我项目部总工室通过验算了，根据偏差值大小划分，明确了在不同偏差情况下所采取的纠偏措施。

纠偏措施：发现偏差出现后，应立刻根据偏差值大小进行判断，然后采取针对性的纠偏措施具体如下：

①：偏差范围S：1-5mm

应对措施:检查纠偏千斤顶偏转角度，检查机头与补偿铰接缝情况，如果与设计轴线偏转角度有偏差，则根据轴线偏转方向进行微调后继续顶进，如果正常。则不调整，下一节管节顶进完成后加倍复测

②：偏差范围S：6-10mm

应对措施:根据轴线偏转方向，对纠偏千斤顶α角进行微调，如果轴线右偏，则调大α角，如果轴线左偏则调小α角，纠偏在顶进过程中进行，下一节管节顶进完成后应加倍复测。

其中α角的调节大小Δα与偏差S的关系如下：

Δα=cot(S/L)

③：偏差范围S：11mm-15mm

应对措施:根据轴线偏转方向，对纠偏千斤顶α角进行调，如果轴线右偏，则调大α角，如果轴线左偏则调小α角，纠偏在顶进过程中进行，先控制偏差趋势，在继续顶进过程中，缓慢纠偏，确保在后续1~2节管子的顶进过程中完成纠偏

其中α角的调节大小Δα与偏差S的关系如下：

Δα=cot(S/L×n)

④：偏差范围S：15mm以上

应对措施:根据轴线偏转方向，对纠偏千斤顶α角与补偿铰的β角进行调整，如果轴线右偏，则调大α角（β角初始值按拟定最大值0.1°设置，一般情况下不增大，如果α角已经没有调整余量时则增加调节距离，在后续多段管节顶进过程中完成调节），如果轴线左偏则调小α角与β角，纠偏在顶进过程中进行，先控制偏差趋势，在继续顶进过程中，偏差值起初有可能继续增大，但是增大速率下降，直至为0不再增大，然后偏差值开始减小，缓慢纠偏后回归设计轴线，确保在后续2~4节管子的顶进过程中完成纠偏，严禁在1节管子的顶进过程中强行完成纠偏。

其中α角，β角的调节大小Δα，Δβ与偏差S的关系如下：

Δα+Δβ=cot(S/L×n)

实施结果:小组成员一致认为纠偏施工方案较符合实际施工情况，可实现预定目标。实施二：如何避免应力集中实施时间

2017年7月15日

实施地点

会议室、办公室

实施人员

沈鹏飞、辛国强

①施工前确认首节管混凝土龄期与强度达到设计要求。

②在首节管节与顶管机头的接缝内钢板接触面端设置25mm厚木质胶合板缓冲层，通过缓冲层分散应力。

8

③机头与首节管之间间隙填充采用弧形钢板，因钢板厚度一定，不能完美填充，对此，我QC小组讨论后决定采用薄铁皮对空隙进行有效填充，确保填充平整，受力均匀。

通过以上 措施防止因填充钢板而产生应力集中。实施结果：顺利避免了应力集中的出现。

实施三：方案优化实施时间

2017年7月16日

实施地点

办公室

实施人员

沈鹏飞、辛国强

经过专家论证后，QC小组对补偿铰施工方案进行进一步研究，设想补偿铰施工过程中可能出现的问题，并针对这些问题进行方案优化。针对专家提出的问题对方案进行修改，2号井始发段24.773m为直线；起曲点前5米区间设置为直线到曲线段的平缓过渡段，顶管机刀盘过起曲点5米后开始安装设置可调补偿铰。固定槽钢型号由8号调整为10号槽钢，保证刚度。填充材料准备弧形钢板、矩形钢板、矩形薄铁皮三种配合使用。

另外QC小组还明确了顶管施工完成后，填充的钢板与缓冲层处理措施，弧形钢板与顶管管节首节管端部钢套环之间采用焊接固定，顶管施工完成后，将顶管机头吊出，采用乙炔气割割除钢板，过程中注意不能割伤钢套环，气割完成后对切割面进行打磨，打磨完成后涂刷2道防腐底漆，两道防腐面漆。缓冲层的胶合板采用人工刨除。

实施结果：通过优化，方案实施安全性可保证100%。

实施四：材料准备实施时间

2017年7月20日

实施地点

办公室

实施人员

陈建军、吴正柏

在顶管机与首节管间设置可调补偿铰，补偿铰β角偏转角度拟定为0.06°~0.10°，因为通过调节机头纠偏千斤顶来调节α角比较方便，故β角初始值按最大值0.1°设定，顶管在轴线中的偏转角Θ=0.24°，L=2.5米，管节外径D=4.14米,

管节外半径R=2.07米顶管轴线曲线段圆曲线半径R=597.626米，,顶管轴线圆曲线外侧（东侧）首节管在施加补偿铰以后张口量=2π（R+r）×（Θ+β）/360°-2π（R-r）×（Θ+β）/360°=24.57mm≈25mm.为了满足这个张口量，我项目部准备了三种规格的钢板， 15×400×280mm（弧形钢板）、10×400×28mm（矩形钢板）、2×400×140mm（矩形薄铁皮）通过上述钢板填充张口，其中15mm厚弧形钢板与10mm厚矩形钢板共同完成25mm张口填充，另外因为弧形钢板与矩形钢板厚度一定，弧形钢板又有弧度，不能完美填充张口，对此，我QC小组讨论后决定采用薄铁皮对空隙进行有效填充，确保填充平整，受力均匀。材料见下图照片1所示。

9

图7-1

照片1：填充材料

实施结果：材料能满足施工要求实施五：补偿铰间隙形成实施时间

2017年8月1日

实施地点

办公室

实施人员

陈建军、徐俊

顶管机刀盘过起曲点5米后开始安装设置可调补偿铰。

顶管机与首节管的布置见图7-2所示。缓慢伸长右侧纠偏千斤顶，右侧上和右侧下两组纠偏千斤顶必须同时伸长80mm，千斤顶前段向左偏转，与后段间形成转角，见图3所示。如果千斤顶伸长时阻力过大，可以临时降低

顶管机机头内泥水仓压力。

图7-1顶管机与首节管

（a）侧视图 （b）俯视图

制图：刘唐华 制图时间:2017年8月5日

图7-2伸长右侧纠偏千斤顶

顶管机头纠偏千斤顶伸到位后焊接槽钢，槽钢是2根10号槽钢，长度为4米，在槽钢一端焊接钢板做成丁字头，见照片3所示。在顶管机右侧上下距离1.5米处各布置一根，先将后端丁字头插入顶管机后段与首节管间隙中，见照片2所示；再将槽钢前端架在顶管机胸板上焊接固定，见照片4所示。使两根槽钢与顶管机前段和首节管连成一个整体，见图7-4所示。

焊接注意事项：两根槽钢需与顶管机和首节管保持平行；隧道属于封闭式，焊接时要注意通风，并配备灭火器以防意外；焊接丁字头时需进行满焊，保证丁字头的强度。

10

照片2插入间隙 照片3 丁字头 照片4前端焊接

（a）侧视图 （b）俯视图

制图：刘唐华 制图时间:2017年8月5日

图7-3焊接槽钢

槽钢焊接完成后右侧纠偏千斤顶回缩，同时缓慢收缩右上和右下两组纠偏千斤顶，此时槽钢受压，撑住顶管机前段和首节管前端，保持两者间固定距离，使顶管机后段向前段靠拢，与首节管之间出现转角，见图5所示，当最大张口量达到25mm时，停止收缩纠偏千斤顶，形成补偿铰间隙。

（a）侧视图 （b）俯视图

制图：刘唐华 制图时间:2017年8月5日

图7-4收缩右侧纠偏千斤顶

实施结果：形成的补偿铰能达到纠偏的目的。实施六：间隙填充实施时间实施地点办公室2017年8月1日

实施人员陈建军、徐俊

在顶管机后段与首节管的间隙中先插入弧形钢板，用点焊的方式将弧形钢板的两端及中间与首节管的钢套固定；再将10mm厚的方形钢板插入弧形钢板与顶管机后段间隙中，在弧形钢板的中间，上、下各一块均匀布置，用点焊的方式与弧形钢板焊接牢固，见图7-11

6所示。对有些部位较松的地方可以加塞薄铁皮，填充完毕后拆除槽钢，形成补偿铰进行曲线顶进。

（a）侧视图 （b）俯视图

制图：徐俊 制图时间:2017年8月5日

图7-5安装固定钢板

实施结果：填充材料能达到填充目的并有足够的强度及刚度。

八、效果确认

通过QC小组5个月时间的不断探索研究，完成了课题，达到了预期目标，取得了显著效果，受到了各方好评。

QC小组创新研发的大口径顶管大曲率施工方法，成功地应用于半山电厂－崇贤（半山电厂侧）π入半山变220千伏线路电缆隧道工程2#-1#工井区段顶管施工，实践证明具有安装方便、经济成本低、转弯效果好、不影响施工工期并且原状土扰动小等优点，是一种小投入、大效益的生产一线创新，既实现了目标、又创造的效益。

九、巩固措施和标准化

1、2017年11月12日QC小组召开会议，就已取得的成绩如何巩固，制订巩固措施如下：序号1

内容整理成果推广提升技术层次申报科研成果提升技术层次申报科研成果提升技术层次申报科研成果

措施

将大口径顶管大曲率施工方法写入《浙江交工集团顶管工程作业指导书》，进

行推广。

对本项目的“顶管机触变泥浆输送管道的润滑剂注入接头”进行实用新型专利

申请

编写“大口径大曲率顶管可调补偿铰施

工工法”，并申报省部级工法。成立课题小组，进行大口径曲线顶管对既有城市道路路基变形影响及控制研

究

执行人辛国强

完成时间2017年10月12日

234

沈鹏飞沈鹏飞陈建军

2017年7月8日2017年10月15日2017年11月3日

制表人：朱德帝　　　　　　　　　　　　　　　　日期：2017年10月18日

2、“顶管机触变泥浆输送管道的润滑剂注入接头”是一种新型的实用型施工装置，QC小组成员已向国家知识产权局提出实用新型专利申请，并获得了实用新型专利证书，专利号：ZL 2016 2 1162497.8。

3、针对大口径曲线顶管对既有城市道路路基变形影响及控制研究课题，项目部QC小组召开讨论会并邀请行业专家共同研究探讨，得到与会专业的一致认可，成功获得浙江省交通集团课题立项。

12

十、总结和下一步打算

1、通过QC小组活动，本小组成功完成了设计任务，安全顺利的确保顶管隧道全线灌通。提高了成员对新型施工工艺的技术水平和管理能力，增强啊成员的团队精神，同时也为今后继续开展QC活动打下了良好的基础。

2、通过QC小组活动，成员分析问题解决问题能力得到提高，综合素质自评分从80分提高到90分。

活动前后自评分表

序号123456

自评项目团队精神质量意识进取精神QC工具运用技巧工作热情和干劲改进意识

活动前758580758580

活动后8591908888

制表人：汪业青 制表时间：2017年10月25日

照片5：实用新型专利证书 制图人：谢宇翔 制图时间：2017年10月25日

图10-1 综合素质自评雷达

3、下一步打算：QC小组成员将继续运用QC知识针对“管节接缝渗漏水”的问题进行攻关。同时随着行业的蓬勃发展，我们将面临越来越多的难题，小组成员将在未来的工作中以更积极的态度去对待挑战，为企业的发展做出更大的贡献。

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