地下管廊U型敞口盾構法施工技術

余松，宋寶吉

（中鐵四局集團第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

近年，隨著國內新型城鎮(zhèn)化發(fā)展提質增速，城市地下綜合管廊以其綜合統(tǒng)籌布置地下各類管線、節(jié)約空間資源、降低城市建設運營成本、提高城市管理水平等優(yōu)勢，得到國家大力推動，發(fā)展如火如荼。地下管廊傳統(tǒng)施工方法采用圍護結構結合明挖現澆進行施工，需對城市道路“開膛破肚”，給城市交通及市容造成極大影響。為解決該問題，將地鐵盾構施工理念引入城市地下管廊建設領域，在?？谑幸４蟮赖叵鹿芾仁┕ぶ校捎萌珖着_U型敞口盾構機配合預制管節(jié)拼裝施工，取得良好效果。下面針對地下管廊U型敞口盾構法施工關鍵技術進行闡述。

1 工程概況

海口市椰海大道西延段管廊東起海榆中線西至長天路，位于中央8m綠化帶下，里程樁號K7+447.5～K10+191.6，長度2744.1m，該工程的標準斷面尺寸8.55m×4.95m，單層雙倉矩形結構。其中K9+398～K9+898（共計 500m）段含標準段（315m）及三處非標準段（185m），上述標準段不設圍護結構采用U型敞口盾構機作為移動支擋，配合裝配式預制管節(jié)施工，共計169個預制節(jié)段。U型敞口盾構機從始發(fā)工作井向大里程推進，在標準段尾部接收井拆除盾構機。非標段提前施作圍護結構，基坑適時開挖支護，盾構機利用拼裝式鋼管節(jié)傳力體系空推通過非標段，繼續(xù)標準段作業(yè)，待拼裝管節(jié)提供反力滿足盾構頂推要求后，拆除非標段鋼管節(jié)傳力體系，采用支架現澆法施工非標段管廊主體。

2 關鍵設備受力檢算

2.1 U型敞口盾構機

U型敞口盾構機為新型無刀盤盾構機，其主體結構截面呈U形，前盾側部和底部為可伸縮式插板，中盾后部設置頂推油缸和鉸接油缸，尾盾上部開口用于預制管節(jié)吊裝。盾體內部設置橫向支撐，泵站和主控室安裝在上部橫撐上，為設備提供動力源并進行操控。設備參數見表1。

設備的主參數表 表1

2.1.1 設備結構檢算

U型敞口盾構機最大埋深為8.5 m，取側部平均土壓1.5bar，施加在盾體主結構兩側，采用ANSYS軟件模擬分析：前盾、中盾結構件最大變形為1.3mm，最大應力為128MPa，滿足設計需求。

圖1 U型敞口盾構機受力模型圖

2.1.2 設備頂推力計算

按照頂管經驗公式推算，管道外壁與土的平均摩擦阻力kN/m2參考如下表，地層為粗砂，取平均摩擦阻力為14kN/m2。

地層摩阻系數表 表2

設備與土體的接觸面積為：14×9×2+9.2×8=326m2；

則盾體頂推摩擦阻力為：326×14=4564kN=456t；

設計最大頂推力為1600t＞456t，滿足使用需求。

2.2 U型敞口盾構機空推計算

2.2.1 管節(jié)摩擦力計算

預制管節(jié)每節(jié)寬8.55m、高4.95m、長1.8m，上下平分成兩部分，單層雙倉結構，鋼筋混凝土容重取2.5t/m3，每節(jié)重58t，管節(jié)與干硬性混凝土墊層摩擦系數取平均值 2.85，每節(jié)管節(jié)摩阻力 58×9.8×2.85=1619.9kN=162t，盾構機通過非標段后由管節(jié)摩擦力提供頂推反力≥4564kN，即預制拼裝管節(jié)數n＞4564/1619.9=2.82節(jié)，可拆除鋼管節(jié)反力架，實際拼裝3節(jié)以上。

2.2.2 鋼管節(jié)傳力體系計算

利用鋼管節(jié)反力架代替混凝土管節(jié)，為盾構機提供頂推反力。鋼管節(jié)采用6根Φ609鋼支撐進行焊接，中間采用20b槽鋼進行連接，結構形式詳見圖3～4，轉彎處兩端設置400×300的工字鋼頂在圍護結構上，鋼管節(jié)分左、右兩部分進行加工，方便吊裝、運輸。

圖2 鋼管節(jié)設計示意圖

圖3 鋼管節(jié)布置示意圖（50m）

用ANSYS軟件進行鋼管節(jié)傳力體系實體建模分析，圖中A、B、C、D四處限制X方向自由度，E面處限制Z、Y方向自由度。紅色端面加載6000kN壓力，即600t荷載，驗證鋼管節(jié)傳力體系結構安全性，如圖5所示。

通過分析可以發(fā)現，在轉彎處增加工字鋼，使鋼管節(jié)頂在端部工法樁上后，鋼管節(jié)反力架的主體應力在190MPa以下，小于鋼支撐軸向抗壓強度215MPa，滿足安全要求。

圖4 應力、應變云圖

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工準備→盾構機始發(fā)→管廊標準段盾構施工→管廊非標準段施工→盾構機接收→施工監(jiān)測。

3.2 施工工藝操作要點

3.2.1 施工準備

按設計加工U型敞口盾構機、始發(fā)背靠架及鋼管節(jié)傳力架，施做盾構始發(fā)井、接收井及非標段圍護結構，并且集中預制裝配式管節(jié)。

3.2.2 盾構機始發(fā)

將盾構機吊裝至盾構始發(fā)井中組拼，在盾構井端墻上安裝始發(fā)背靠架，調試盾構機及背靠架使之對位密貼，盾構機驅動油缸頂推使其反向推進2m，然后收縮油缸澆筑20cm厚C20干硬性混凝土墊層，達到強度后從盾尾工作口吊裝管節(jié)，待管節(jié)連接后，盾構機油缸頂在管節(jié)端面上再次進行推進，如此頂進拼裝3節(jié)后，管節(jié)縱連成整體依靠摩擦力提供盾構頂推反力，此時拆除背靠架，采用支架現澆法施工管廊主體結構，至此完成盾構始發(fā)。

3.2.3 管廊標準段盾構施工

①盾構機推進施工

在管廊標準段內，操控盾構機動力系統(tǒng)低速低壓伸出頂推油缸與預制管廊端頭接觸，推動設備前移至開挖坡面，盾構機前盾底部推板處于縮回狀態(tài)。采用挖掘機開挖、自卸車運輸，縱向分2層接力式開挖，第一層厚4m按1∶1放坡開挖，第二層在前盾處由上至下、從中間向兩側逐層開挖至管廊基底頂約20cm，開挖坡度按1∶0.5控制，開挖面形成圓弧狀。

前盾前方土方開挖同時操控盾構機前盾插板由上至下依次伸出，對前部開挖區(qū)域側面形成臨時支撐，再伸展前盾底部推板推平基底頂20cm預留土，然后低速低壓伸出頂推油缸推動設備前移，每次推進不超過1.2m，根據開挖土體的穩(wěn)定性可調整尺寸，每推進2次拼裝一節(jié)管節(jié)。

②管廊墊層澆筑

盾構機完成2次頂推后，縮回所有頂推油缸，在尾盾漏出約2m的管節(jié)安裝空間，澆筑混凝土墊層。

③預制管節(jié)拼裝

首先將運至現場的預制管節(jié)安裝彈性橡膠密封墊、內嵌遇水膨脹橡膠密封條，采用135t履帶吊吊裝下部管節(jié)入尾盾內墊層上，利用盾構機頂推油缸推動管節(jié)與上一節(jié)管節(jié)精準拼接，再吊裝本節(jié)上部管節(jié)。然后按“本節(jié)下部與上節(jié)整體水平張拉→本節(jié)上部與上節(jié)整體水平張拉→本節(jié)上下部豎向張拉”的順序進行單端張拉。張拉完成后48h內按要求完成孔道壓漿，及預應力筋切割封端。管廊拼裝完成后，在預制管廊內側拼縫處預留的深25mm、內寬16mm、外寬12mm的凹槽內，注入抗微生物雙組份聚硫密封膠嵌縫，用帶弧度的專用整形工具進行刮壓整形呈月牙形。

④基坑回填

預制管廊拼裝完成后，盾構機向前推進過程中，采用C15混凝土澆注管廊外壁與土體間空隙至管廊頂部位置，采用振動棒振搗密實。管廊頂板以上0.5m厚度內回填土采用小型打夯機分層夯實，0.5m以上回填土采用壓路機分層碾壓，分層厚度≤0.3m，壓實度達到95%以上。

3.2.4 管廊非標準段施工

①盾構機空推通過管廊非標段

盾構機剛進入管廊非標段時，收縮頂推油缸在尾部盾體處形成2m空間，使用25t汽車吊將1.8m左右兩部分鋼管節(jié)吊裝至盾構機尾部，調整至設計位置，通過M12螺栓連接成整體后調平。盾構機伸展頂推油缸作用在鋼管節(jié)上，進行頂推，然后安裝下一節(jié)1.8m鋼管節(jié)，盾構機推進3環(huán)即5.4m后，采用5m標準節(jié)替換已拼裝的2節(jié)調整節(jié)，同時對影響盾構機推進的基坑鋼支撐進行拆換處理，即拆除前方影響其推進的鋼支撐，并安裝在盾構機后方，鋼管節(jié)及鋼支撐按上述循環(huán)操作直至盾構機空推通過管廊非標段。鋼管節(jié)之間采用M18的螺栓進行連接，部分轉彎的區(qū)域，在其轉彎外側連接處加塞鋼板調整角度，使盾構機轉彎通過。

②管廊非標段支架現澆施工

盾構機剛通過管廊非標段時，按照管廊標準段施工方法，拼裝3節(jié)管節(jié)連接成整體，管節(jié)摩擦力為盾構機提供足夠反力進行頂推，拆除管廊非標段鋼管節(jié)傳力體系，澆筑混凝土墊層，采用支架現澆法施工管廊主體結構。

3.2.5 盾構機接收

盾構機施工完成后，進入接收井，盾構機分部件拆除吊出基坑存放指定位置。盾構機拆除完畢后，采用支架現澆法施工盾構井部分管廊主體結構。

3.2.6 施工監(jiān)測

3.2.6.1 盾構機姿態(tài)的監(jiān)測

采用直線激光靶系統(tǒng)和人工測量輔助進行U型盾構機姿態(tài)監(jiān)測。在始發(fā)處設置導向系統(tǒng)激光發(fā)射器，在U型敞口盾構機內設激光靶、攝像頭和傾角傳感器，盾構機操作員通過激光靶上光束的投射位置及傾角傳感器分別判斷U型敞口盾構機當前的掘進姿態(tài)、滾動狀態(tài)。盾構機掘進過程通過人工測量來進行精確定位，以校核導向系統(tǒng)的測量數據并復核盾構機的位置、姿態(tài)，確保掘進方向的正確。

3.2.6.2 頂推設備受力及變形監(jiān)測

①在管節(jié)與盾構機相互提供頂推反力條件下，監(jiān)測記錄單節(jié)管節(jié)和盾構機克服自身摩擦阻力開始移動時頂推力，根據力學原理，驗證管節(jié)及盾構機自身摩阻力。

②在盾體兩側和鋼管節(jié)傳力體系兩端安裝壓力傳感器及應變傳感器，實時監(jiān)測盾構機進入不同土體而產生的側壓力和盾構機兩側護壁內斂位移，以及鋼管節(jié)傳力體系應力應變情況，驗證結構理論計算，確保盾構機推進過程的施工安全。

3.2.6.3 深基坑監(jiān)測

針對盾構始發(fā)、接收井及管廊非標段圍護結構進行實時變形監(jiān)測，確保深基坑安全穩(wěn)定。

4 結束語

本文針對U型敞口盾構機和拼裝式鋼管節(jié)傳力體系進行結構受力分析，結合現場施工工藝及技術要點，對U型敞口盾構機施工標準段及非標段管廊的關鍵施工技術進行詳細闡述，解決了全國首臺U型敞口盾構機應用于地下管廊施工的關鍵技術難題，為以后類似工程提供寶貴借鑒。