管廊明挖盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

閆揚(yáng)義， 肖 威， 楊聚輝， 史 偉， 陳 平

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 中鐵四局集團(tuán)有限公司， 安徽 合肥 230023)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，為了解決“馬路拉鏈”問題，告別“空中蜘蛛網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)架空線入地和各類城市地下管線統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)和管理，國(guó)家十三五規(guī)劃綱要中提出，要大力推進(jìn)城市地下綜合管廊的建設(shè)工作。

綜合管廊常用的建設(shè)方法主要有明挖法、盾構(gòu)法、頂管法等[1-2]，此外，還有移動(dòng)模架法、疊合板法等近年來涌現(xiàn)的新工法[3-4]。馬驥等[5]結(jié)合上海某矩形雙艙地下管廊建設(shè)項(xiàng)目對(duì)明挖現(xiàn)澆法的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。揭海榮[6]以廈門市集美新城綜合管廊的建設(shè)項(xiàng)目為例，對(duì)明挖預(yù)制拼裝法的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并重點(diǎn)介紹了預(yù)制綜合管廊拼裝時(shí)的精度控制和防滲控制措施。該綜合管廊有2種單艙和1種雙艙共3種截面形式，基坑采用放坡開挖，預(yù)制管節(jié)采用龍門吊機(jī)進(jìn)行拼裝。王會(huì)麗等[7]依托上海市臨港新城綜合管廊建設(shè)工程，對(duì)比分析了履帶式起重機(jī)、門式起重機(jī)、移動(dòng)小車3種管節(jié)拼裝方式應(yīng)用于明挖法預(yù)制綜合管廊建設(shè)的優(yōu)劣。該綜合管廊截面為矩形雙艙形式，基坑采用SMW工法樁支護(hù)，3種不同的管節(jié)拼裝方式各有利弊，應(yīng)根據(jù)不同的施工情況選擇合適的施工方案。肖燃等[8]介紹了盾構(gòu)法應(yīng)用于沈陽(yáng)市地下綜合管廊南運(yùn)河段項(xiàng)目的工程案例； 李波[9]介紹了頂管法應(yīng)用于包頭市新都市區(qū)中心區(qū)綜合管廊項(xiàng)目的工程案例，這是全國(guó)首例矩形頂管應(yīng)用于綜合管廊建設(shè)項(xiàng)目； 另外，油新華等[10]介紹了移動(dòng)模架法在綜合管廊中的應(yīng)用； 林廣泰等[11]介紹了疊合板法在綜合管廊中的應(yīng)用。

上述綜合管廊建設(shè)的多種方法各自有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。由于綜合管廊大多都是在城市內(nèi)建設(shè)，埋深較淺，綜合考慮成本、效率等因素，目前應(yīng)用最多的依然是明挖法。傳統(tǒng)的綜合管廊明挖法施工，普遍存在機(jī)械化程度低、施工效率不高、環(huán)境影響較大等問題，而且無論是明挖現(xiàn)澆法還是明挖預(yù)制拼裝法，放坡開挖土方開挖、回填量大，占地面積較大； 基坑支護(hù)方式支護(hù)費(fèi)用高昂，對(duì)環(huán)境影響較大[5, 12-13]。因此，研究提高綜合管廊明挖法施工的機(jī)械化水平及新工法具有重要的意義。

20世紀(jì)60、70年代，日本曾開發(fā)出一種明挖法與盾構(gòu)法相結(jié)合的無刀盤明挖盾構(gòu)工法(open shield method)，主要應(yīng)用于箱涵、排水管、明渠等的施工。截至2000年，其成功應(yīng)用案例已達(dá)800多例[14-17]，這種施工工法具有安全、快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)，然而在我國(guó)鮮有應(yīng)用。本文在無刀盤明挖盾構(gòu)工法的基礎(chǔ)上，通過自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制了一種用于管廊明挖的盾構(gòu)，簡(jiǎn)稱“U型盾構(gòu)”，并成功對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)用。管廊明挖盾構(gòu)作為一種移動(dòng)式的支護(hù)設(shè)備，結(jié)合預(yù)制拼裝技術(shù)，取消了基坑支護(hù)或邊坡支護(hù)工作，節(jié)省了支護(hù)費(fèi)用，同時(shí)大大提高了綜合管廊明挖法施工的機(jī)械化、自動(dòng)化程度，更加經(jīng)濟(jì)、高效、綠色、環(huán)保，為地下工程尤其是預(yù)制裝配式綜合管廊的建設(shè)提供了一種新型施工裝備和施工工法。

1 依托工程概況

管廊明挖盾構(gòu)依托?？谑幸４蟮谰C合管廊建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，項(xiàng)目位于?？谑行阌^(qū)椰海大道西延段中央綠化帶下方，如圖1所示。

圖1 椰海大道綜合管廊建設(shè)項(xiàng)目概況(單位： mm)

綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)斷面如圖2所示，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)設(shè)計(jì)為雙艙管廊?？紤]到運(yùn)輸因素，管節(jié)采用上、下分半的形式，上半節(jié)管片質(zhì)量約30 t，下半節(jié)管片質(zhì)量約31 t。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)斷面圖(單位： mm)

管廊明挖盾構(gòu)試驗(yàn)段頂部埋深3.5 m，盾構(gòu)穿越地質(zhì)主要為素填土、雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土，地下水位深3～5 m，如圖3所示。

圖3 綜合管廊試驗(yàn)段地質(zhì)剖面圖(單位： m)

Fig. 3 Geological profile of utility tunnel experimental section (unit: m)

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管廊明挖盾構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示，盾體截面呈“U”形，因此簡(jiǎn)稱“U型盾構(gòu)”。整機(jī)主要包括前盾、中盾、尾盾、內(nèi)部橫撐、頂推系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)、輔助裝置、電力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等。

圖4 管廊明挖盾構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

前盾、中盾、尾盾盾體均采用模塊化組合拼裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別由多塊結(jié)構(gòu)通過螺栓連接組成一個(gè)整體。盾體之間采用鉸接油缸連接，盾體內(nèi)部安裝有內(nèi)部橫撐，用以增加盾體的強(qiáng)度和剛度； 頂推油缸安裝在中盾盾體內(nèi)； 主控室、液壓系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔助裝置等均安裝在盾體的內(nèi)部橫撐上，為整個(gè)設(shè)備提供動(dòng)力源。

2.2 前盾插板和推板

管廊明挖盾構(gòu)前盾兩側(cè)設(shè)計(jì)有可伸縮式插板，底部設(shè)計(jì)有可伸縮和俯仰的推板。插板裝置由油缸驅(qū)動(dòng)，可以單獨(dú)伸出，用于將基坑兩側(cè)墻的土體切削平整，并對(duì)兩側(cè)墻土體形成一定的超前支護(hù)。插板伸出長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)既要考慮滿足前方掌子面放坡開挖的穩(wěn)定性，同時(shí)也要兼顧前盾的重心位置，保證前盾不會(huì)發(fā)生栽頭現(xiàn)象，插板伸出的長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為1～1.5 m。推板裝置由2組油缸驅(qū)動(dòng)，其中1組油缸用于控制推板伸出和縮回； 另1組油缸用于控制推板繞1根固定的轉(zhuǎn)軸上下俯仰，使之與水平面形成±5°的夾角，如圖5所示。推板裝置主要用于控制底面標(biāo)高，并輔助調(diào)節(jié)盾構(gòu)的姿態(tài)。

圖5 推板裝置

2.3 盾體支護(hù)受力模式分析

管廊明挖盾構(gòu)在斷面上可以看作1個(gè)由兩側(cè)盾體、底板和內(nèi)部筋板共同構(gòu)成的U型鋼架結(jié)構(gòu)。盾體兩側(cè)抵抗土體的鋼板表面可以視為是垂直光滑的，另外，兩側(cè)盾體在支擋土體時(shí)是剛性的，不考慮其自身的變形，可認(rèn)為管廊明挖盾構(gòu)施工時(shí)的受力狀態(tài)符合朗肯土壓力理論的基本假設(shè)[18]。

假定基坑開挖深度為H，基坑寬度為B，管廊明挖盾構(gòu)總質(zhì)量為G，土的天然重度為γ，結(jié)合盾構(gòu)實(shí)際施工時(shí)穿越的地質(zhì)情況，采用水土合算原則計(jì)算盾構(gòu)兩側(cè)所承受的水土壓力，則盾構(gòu)的受力分析如圖6所示。盾構(gòu)兩側(cè)受水土壓力作用，底部受均布的地基承載力作用。

水土壓力合力

(2)

圖6 管廊明挖盾構(gòu)受力分析示意圖

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工流程

管廊明挖盾構(gòu)施工和施工工序分別見圖7和圖8。施工時(shí)，采用挖掘機(jī)明挖土方，盾構(gòu)前方的掌子面要根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行放坡開挖，如圖7所示?；虞^深時(shí)，則需要進(jìn)行分層放坡開挖，防止土體坍塌； 地質(zhì)條件較差，土體自穩(wěn)性較差時(shí)，還需要提前對(duì)土體進(jìn)行一定的支護(hù)或超前加固作業(yè)。另外，挖掘機(jī)在開挖基坑兩側(cè)和底部的土體時(shí)，均進(jìn)行一定程度的欠挖。由盾構(gòu)前盾上的插板裝置和推板裝置負(fù)責(zé)精確控制整個(gè)開挖輪廓，盾構(gòu)作為一種移動(dòng)式的支護(hù)設(shè)備，起到地下?lián)跬翂Φ淖饔?，?duì)兩側(cè)墻土體形成臨時(shí)支護(hù)。一般情況下，挖掘機(jī)一邊開挖，位于中盾盾體內(nèi)的頂推油缸作用到盾構(gòu)后方已經(jīng)拼裝好的管節(jié)上，推動(dòng)盾構(gòu)一邊同時(shí)向前推進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)完成后，測(cè)量底面標(biāo)高，澆筑素混凝土墊層，平整地層并增加地層的承載力，之后位于盾構(gòu)側(cè)后方的履帶吊將預(yù)制好的管片從盾構(gòu)尾盾上部的開口處吊入，進(jìn)行定位、拼裝。待管片吊裝到位之后，使用螺栓或鋼絞線將相鄰的2環(huán)管片連接起來，并張拉緊，保證管片之間橡膠止水條的密封可靠性。如此，盾構(gòu)便可以繼續(xù)進(jìn)行下一環(huán)管片的推進(jìn)。管廊內(nèi)部安裝有激光導(dǎo)向系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)的位置姿態(tài)，為盾構(gòu)的推進(jìn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。

圖7 管廊明挖盾構(gòu)施工示意圖

圖8 管廊明挖盾構(gòu)施工工序

Fig. 8 Construction schedule of shield used in open-cut utility tunnel

3.2 管節(jié)的防水與抗?jié)B

管廊明挖盾構(gòu)施工時(shí)，管節(jié)接縫處的防水抗?jié)B處理是施工中的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到管廊整體的建造質(zhì)量和使用壽命。一般情況下，若地下水較少，則可以在上下管片之間和相鄰管節(jié)之間設(shè)置2道遇水膨脹的橡膠條，相鄰管節(jié)之間的接縫外側(cè)貼1道防水卷材作為外密封。此外，相鄰管節(jié)之間還可以設(shè)計(jì)1道注漿環(huán)槽，在管節(jié)之間出現(xiàn)滲漏時(shí)，可以向該環(huán)槽內(nèi)填充密封材料以加強(qiáng)管節(jié)之間的密封[21]。若地下水豐富，則可以借鑒盾構(gòu)法施工的原理，將盾尾底部和兩側(cè)封閉，并在管節(jié)壁后分2次進(jìn)行注漿作業(yè)，以填充管節(jié)和地層之間的間隙[22]，如圖9所示。在此次管廊明挖盾構(gòu)試驗(yàn)工程中，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，只在局部含水量較大的區(qū)間對(duì)已拼好的管廊進(jìn)行了壁后注漿作業(yè)，其余區(qū)間盾尾均為敞開狀態(tài)。

4 工程應(yīng)用情況

2017年9月，管廊明挖盾構(gòu)在?？诘叵戮C合管廊試驗(yàn)段正式始發(fā)，如圖10所示，這是管廊明挖盾構(gòu)及其施工工法在國(guó)內(nèi)綜合管廊建設(shè)領(lǐng)域的首次應(yīng)用[23]。

管廊明挖盾構(gòu)在?？谑┕て陂g，工程前期由于管節(jié)斷面尺寸較大，且采用分塊設(shè)計(jì)，管片拼裝、張拉、墊層施工等工序耗時(shí)較長(zhǎng)，總體施工進(jìn)度平均1～2環(huán)/d，后期隨著對(duì)設(shè)備和工藝的掌握與操作熟練化，平均施工1環(huán)用時(shí)4～6 h，單日最快施工4環(huán)，共7.2 m。各工序施工用時(shí)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖9 管節(jié)壁后注漿

管廊明挖盾構(gòu)在施工期間總推力的變化曲線，如圖11所示。盾構(gòu)在第44—72環(huán)穿越了1個(gè)特殊節(jié)點(diǎn)段，在特殊節(jié)點(diǎn)段，基坑兩側(cè)預(yù)先施作了SMW工法樁，盾構(gòu)穿越時(shí)，兩側(cè)不受水土壓力作用，因此總推力不超過500 kN，其余階段均為標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)正常施工階段，總推力保持在2 500～3 000 kN。圖12示出管廊明挖盾構(gòu)在施工期間俯仰角和滾動(dòng)角的變化曲線，盾構(gòu)在穿越特殊節(jié)點(diǎn)段時(shí)設(shè)計(jì)有1個(gè)1°的下坡段，因此在第44—72環(huán)盾構(gòu)的俯仰角在1°左右變化，其余階段均為正常水平推進(jìn)階段。

圖13示出管廊明挖盾構(gòu)施工完成的管廊實(shí)景，從圖中可以看出，管廊明挖盾構(gòu)及其施工工法在此次試驗(yàn)段的施工中，整體施工質(zhì)量較好，證明了該設(shè)備及其施工工法的創(chuàng)新性和可行性。

表1管廊明挖盾構(gòu)施工用時(shí)統(tǒng)計(jì)

Table 1 Construction time statistics of shield used in open-cut utility tunnel

序號(hào)工序平均用時(shí)/h備注1基坑開挖1.52插板清邊0.53整體推進(jìn)14側(cè)隙回填1序號(hào)1—4工序同步進(jìn)行5墊層施工1.56管節(jié)吊裝1.57管節(jié)張拉1.5序號(hào)5—6工序順序進(jìn)行

圖11 盾構(gòu)總推力變化曲線

圖12 盾構(gòu)俯仰角和滾動(dòng)角變化曲線

Fig. 12 Variations curves of pitching angle and rolling angle of shield

(a) 高壓艙

(b) 綜合艙

圖13管廊實(shí)景圖

Fig. 13 Photos of utility tunnel

5 結(jié)論與討論

基于傳統(tǒng)明挖法施工的不足，借鑒盾構(gòu)法在盾殼內(nèi)進(jìn)行管片拼裝的原理，提出了一種應(yīng)用于綜合管廊明挖法施工的新型盾構(gòu)和施工工法，并以?？谑幸４蟮谰C合管廊建設(shè)項(xiàng)目為依托，對(duì)管廊明挖盾構(gòu)的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

1)介紹了管廊明挖盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，建立了盾構(gòu)盾體的受力分析模型，結(jié)合工程應(yīng)用，總結(jié)了管廊明挖盾構(gòu)的施工工序、管節(jié)的防水抗?jié)B技術(shù)措施等，可為今后類似的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供借鑒和參考。

2)管廊明挖盾構(gòu)及其施工工法取消了傳統(tǒng)明挖法施工的基坑支護(hù)或邊坡支護(hù)，提高了綜合管廊明挖法施工的機(jī)械化、自動(dòng)化程度，節(jié)省了支護(hù)成本，縮短了施工工期，減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響，經(jīng)濟(jì)性顯著，設(shè)備及施工工法均具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

3)在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，預(yù)制管節(jié)斷面尺寸較大，且采用分塊設(shè)計(jì)時(shí)，管片的拼裝、張拉工序耗時(shí)較長(zhǎng)，通過完善盾構(gòu)管節(jié)拼裝、張拉、墊層施工等工序的施工工藝，并進(jìn)一步優(yōu)化盾構(gòu)的鉸接系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還可以大幅提高管廊明挖盾構(gòu)的總體施工效率。管廊明挖盾構(gòu)管廊斷面小、管節(jié)整體預(yù)制、施工寬度范圍小，在城市老城區(qū)等空間狹窄地帶應(yīng)用起來可能會(huì)更靈活、更具優(yōu)勢(shì)。

4)管廊明挖盾構(gòu)為城市地下綜合管廊的建設(shè)提供了一種新型施工裝備和施工工法，但是也有其自身的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)。盾構(gòu)施工過程中如何處理局部硬巖地層、富水砂性地層等不良地質(zhì)條件，以及盾構(gòu)是否能夠自身具備土體開挖、轉(zhuǎn)運(yùn)、回填功能等還有待進(jìn)一步研究、驗(yàn)證。

因此，雖然管廊修建工法是成熟、多樣的，但管廊斷面是變化的，在選擇管廊修建工法時(shí)，還需要結(jié)合實(shí)際工程的規(guī)模、特點(diǎn)、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、道路交通及埋設(shè)管線情況、工程造價(jià)承受能力等具體分析，選擇合適的修建工法。