一、研究背景

随着城市化进程加速和地下空间开发规模扩大，长距离大口径顶管技术因其非开挖优势（减少地面扰动、避免交通中断）在市政管网、综合管廊等工程中应用日益广泛。然而，顶管施工面临严峻的轴线偏差挑战：复杂地质条件（如北京清河工程中砂黏土分层导致364mm高程偏差）、设备性能波动及施工操作误差等因素，易引发管道失稳、机头偏转及轴线偏移等问题。传统监测手段依赖人工测量与经验纠偏，存在实时性不足、纠偏滞后等缺陷。尤其在超过300m的长距离顶进中，中继间推力分配（DN1500钢管中继间推力达500–800kN）、触变泥浆护壁稳定性（膨润土与水配比1:6–1:8）、管道焊接质量（氩电联焊电流90–110A）等环节的耦合影响，进一步加剧了偏差控制的复杂性。亟需融合智能传感与动态调控技术，实现施工过程的精准监测与实时纠偏，保障工程安全与质量。

二、研究意义

本研究对推动顶管技术智能化升级具有多重价值：

工程安全价值：通过激光导向系统与多源传感器（顶力、土压力、姿态）的协同监测，建立毫米级（±5mm）偏差预警机制，可规避因轴线偏移导致的管节开裂、地表沉降（如深圳茅洲河工程中违规“闷顶法”引发的396mm标高偏差）及龙门口渗漏等风险，显著提升地下施工安全性。

经济与社会效益：智能动态纠偏技术可减少人工干预滞后性，避免停工返工损失（如案例中30cm偏差导致的出洞失败及3天工期延误）。同时，精准注浆控制（触变泥浆置换压力0.1–0.3MPa）与减阻优化，能降低长距离顶进能耗，契合低碳建造理念。

技术革新意义：将人工智能算法（如机器学习偏差预测模型）与液压纠偏系统（千斤顶油压小角度调节±0.5°）深度集成，推动顶管施工从“经验驱动”向“数据驱动”转型，为行业提供可复用的智能施工范式。

三、研究内容

本研究聚焦“监测–分析–调控”技术闭环，核心内容如下：

多源智能监测系统构建

部署高精度激光导向系统实时追踪机头姿态，结合管道内置倾角传感器、土压力传感器（监测正面土压平衡状态）及顶力传感器网络，形成全链路数据采集体系。

开发基于物联网的边缘计算节点，实现监测数据毫秒级回传与本地预处理，确保复杂地层（如含砾砂层）顶进工况下的数据可靠性。

施工偏差智能诊断与预警模型

融合地质勘探数据（如土层分界面高程变化）与施工参数（顶速、泥浆黏度），构建偏差成因知识图谱，识别偏移主导因素（如土层不均质性占比、顶力分配异常）。

训练LSTM时序预测模型，依据历史顶进轨迹与实时传感器数据，动态预报未来10m顶进轴线偏差趋势，触发分级预警（阈值设定参考规范±40mm，分级±5mm/±10mm/±20mm）。

动态纠偏控制策略与执行系统

研发自适应纠偏决策算法：根据偏差类型（机头偏转/管道失稳）智能匹配纠偏方案，如小偏差启用千斤顶油压差分调节（单次纠偏角≤0.5°），大偏差启动水钻精准破除（150mm钻头环形钻孔）；

构建“中继间–主顶系统”协同控制机制：依据顶力分布模型（DN1500钢管单中继间推力500–800kN），动态分配中继间启用顺序与推力值，优化长距离顶进轴线平顺性。

开发触变泥浆–纠偏联动模块：通过实时监测泥浆压力与摩阻力变化，自动调整注浆参数（CMC增稠剂添加比例），保障减阻效果与纠偏动作的协同性。

工程验证与标准优化

依托实际工程（如污水管网项目）搭建原型系统，对比智能纠偏与传统工艺在轴线合格率、顶进效率等指标差异。

提炼关键技术参数阈值（如焊接电流容差±10A、泥浆置换压力波动范围±0.05MPa），为行业规范修订提供数据支撑。