综合管廊机械化修建方法及展望

2018-06-29卓兴建

建筑机械化 2018年6期

卓兴建

(中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450410)

地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。现阶段，城市管线设计保守、规模不足、老化严重、错综复杂，严重影响了居民生活和城市市容。尽管综合管廊建设的初期费用较高，但是其后续维修、扩容、增建极其方便，很好地解决了反复开挖路面、线网密集、管线事故频发等问题[1]，因此，加快城市地下综合管廊的建设很有必要。

本文从传统施工方法谈起，结合现有典型的机械化施工案例，详细论述了U型盾构、矩形顶管机等机械化施工方法施工综合管廊的技术要点。

1 综合管廊传统施工方法

综合管廊传统施工常用的方法包括明挖现浇法和明挖预制法、暗挖矿山法和盖挖法。传统的综合管廊明挖工法，无论是现浇法还是预制管廊，都需要放坡（土方开挖量大）或围护（支护费用高昂）施工[2]，必要时还需要进行降水/止水等措施，造价高，工期长，对周边居民环境影响大，产生的渣土粉尘影响生活环境，不符合绿色环保的施工要求。暗挖矿山法、盖挖法等传统暗挖法具有占地面积小、设备简单等优点[3]；其缺点是施工周期长，作业空间小，施工环境恶劣，相对于明挖现浇法造价高。

2 典型综合管廊机械化修建技术

2.1 U型盾构——明挖机械化施工

2.1.1 项目概况

海口市秀英区椰海大道西延段综合管廊工程，采用国内首台U型盾构施工，为双仓管廊。综合管廊顶部埋深3.5m，穿越地质主要为素填土、粉质粘土、粘土，地下水位深3～5m。U型盾构试验段综合管廊预制管节尺寸为8 550 mm×4 950mm×1 800mm，主体结构采用C40防水混凝土，抗渗等级为P8，考虑到运输因素，管节采用上、下分半的形式。管廊断面图如图1所示。

图1 管廊断面图

2.1.2 装备组成及设备特点

该U型盾构的系统包括前盾（包含两侧插板、底部推板）、中盾、尾盾、顶推系统、铰接系统、辅助系统（包含主控室、泵站、导向系统等）（图2）。

图2 U型盾构

U型盾构是将管廊明挖和盾构管节拼装法的优点融合，采用机械设备作为移动支护结构，设备采用模块化设计，可适应不同断面的管廊建设，截面形式如图3所示，主要用于明挖管廊、管网、沟渠等工程修建。

图3 U型盾构组合式设计

U型盾构施工覆土深度一般小于3.5m，施工深度一般不大于10m，宽度一般不大于15m，可适应小于5%坡度（2.9°）的工况。转弯半径为R300～R500m，可满足软硬复合地层、地下水较深的地层等工况条件，并且适用于土层、粉质黏土、砂土层、密实卵砾地层中的各类方涵、管廊的铺设。

2.1.3 施工工序及施工要点

1）施工工序首先采用挖掘机进行土体开挖，开挖土体由渣车运输至后侧，用作管节拼装后管节两侧及上方的回填。土体开挖时，设备前部伸缩插板、底部推板伸出，通过主控室操作推进油缸伸出，推动设备前进，可边开挖、边推进，提高工作效率，如图4所示。设备推进完成后，收回推进油缸，铺设底部垫层，吊装预制管节，然后进行定位、拼装并完成管节张拉。

图4 U型盾构施工示意图

2）施工要点 U型盾构所施工管廊根据其功能及断面设计的不同，管廊具有单仓管廊、双仓管廊、三仓及以上管廊等多种形式。相应的预制管节的形式可分为整体预制管节、两分块预制管节和多分块预制管节等。因为管节吊装、运输等因素的限制，预制管节的宽度一般设计为1.5～2.5m。

管节与管节之间设计防水密封胶条，四角采用螺栓拉紧。施加纵向拉应力，使橡胶条处于受压状态，达到防水效果，如图5所示。

图5 管节结构图

针对通风井、消防井、维修井等非标准节点廊体的建造，通常首先使用标准管节正常施工，后期拆除标准管节，进行特殊节点处理；或者制作临时性特殊钢管节，待盾构穿越特殊节点后，再拆除特殊管节。

2.2 矩形顶管机——暗挖机械化施工

矩形顶管机修建综合管廊具有不开挖路面、不封闭交通、不搬迁管线等优势，多适用于综合管廊下穿主干道路、河流等不宜采用明挖的标段。综合管廊顶管施工国内已有多个案例，如杭州综合管廊、苏州城北路综合管廊元和塘顶管工程、南昌市梅湖水系截污工程下穿南莲路等，其施工能力覆盖了4～10m尺寸段，可实现单仓、双仓、三仓等多种管廊形式的掘进。本节以杭州德胜路综合管廊为例，来阐述矩形顶管机修建综合管廊关键技术。

2.2.1 项目概况

杭州德胜路综合管廊项目全长约5.35km，沿线上跨地铁4号线，其中杭甬高速及三污干管段采用矩形顶管施工。矩形顶管机开挖尺寸7.52m×5.42m，最大埋深8.275m，隧道特征为双仓双线、隧道间距约9m。工程地质为粉砂夹砂质粉土、粉细砂，地下水丰富渗透性强。

该工程包含多种关节形式，根据矩形管节中隔墙位置及内部管线布置的不同，管节分为A、B两种型号（管片长度1.5m，管片厚度550mm，中隔墙厚度300mm），两种管节的断面图如图6所示。

图6 矩形综合管廊断面图

2.2.2 施工装备组成及设备特点

矩形顶管切屑系统采用辐条式的软土刀盘，三前三后的品字形布置方案，最大推进速度40mm/min；采用双螺旋输送机出渣，出渣能力79m3/h；主驱动采用中心轴式驱动；盾体采用前后铰接连接；考虑设备的长距离掘进，设备配置有中继间。矩形顶管机设备组成如图7所示。

图7 矩形顶管机设备组成图

设备利用电机驱动刀盘系统旋转挖掘土体，切削后的土体在刀盘搅拌棒的作用下与膨润土、泡沫等土体改良剂充分混合，并在螺旋输送机螺旋叶片的旋转作用下排出土压仓。刀盘开挖的同时，顶推系统在始发井处推动管节与主机一起向前移动，从而实现掘进、排渣、管节支护机械化一次施工成型。

由于综合管廊中隔墙与仓体同步预制，渣车需从管节一侧运出，为适应中隔墙出渣的需求，螺机出口采用同向布置，并通过横向皮带机将渣土从螺机一侧输送至渣车运出洞外，如图8所示。

图8 设备出渣原理图

2.2.3 施工工序及施工要点

1）施工工序矩形顶管机的施工工序主要包括前期准备、设备安装、始发施工、正常推进、接收施工、收尾工作等几部分内容[4、5]。目前该设备已完成下穿杭甬高速首条隧道154.6m的掘进（图9），实现平均日掘进2环管节（3m）。

2）施工要点 ①始发、接收时洞门密封：顶管始发时，预埋钢板环，采用2道洞门帘布橡胶板+2道折页板作为洞门密封，如图10所示，以防管节长时间摩擦洞门密封，导致密封破坏，并确保洞门密封处不出现突泥、涌砂，保证始发安全。顶管到达时，由于顶管掌子面反力破坏、减小、丧失，触变泥浆流失，在洞门钢环内可焊接2道钢丝刷，外侧安装帘布橡胶板和折页压板，到达加固体后、掌子面前，低推力，低转速，尽可能的多出土，晚破坏掌子面；掌子面破坏后要快速的推出，以防治漏泥漏水。②压力接收技术：顶管机接收是顶管机施工中最易出现问题的环节，由于顶管机到达时掌子面土体破坏、易松动，易导致出现突泥、涌水，造成地层沉降超限问题，严重时影响施工安全。因此，矩形顶管机在多水等不稳定地层出洞时可采用压力接收，接收示意图如图11所示，在接收井内回填砂浆，以确保洞内外压力平衡，避免沉降。③后配套及出渣设计：由于综合管廊中隔墙的存在，渣土输送通道无法布置在中间，可根据管廊仓体分仓形式和大小情况选择单渣车或双渣车出渣形式。其中采用单侧渣车出渣时，靠近尾盾的前几环管节中隔墙需后作，以保证螺旋输送机将渣土经由横向传送带从螺机一侧运送到渣车上；此外，为了使管廊内左右两侧重量相近，防止隧道施工中发生倾斜，在后配套另外一侧一般需布置配重，如图12所示。

图9 矩形顶管机始发及施工成型管廊图

图10 洞门密封装置结构图

图11 矩形顶管机出洞压力接收示意图

图12 单渣车出渣形式（俯视图）

另一种形式出渣采用双仓双轨道2个小渣车设计，该方式所有管节中隔墙均可与管节同步预制，后配套布置仍采用单侧布置，在管廊另外一侧布置配重。

2.3 综合管廊其它机械施工工法

2.3.1 圆形盾构

圆形盾构及管廊成型断面如图13所示，圆形盾构法具有施工进度快、作业安全、管片精度高、衬砌质量可靠、地表沉降小等优点。但圆形盾构受施工工艺限制，隧道覆土需在1倍洞径以上，导致线路埋深较深，且管廊中隔墙需盾构施工后二次施做；此外，圆形盾构具有矩形顶管机所不具备的长距离开挖的能力，但是盾构法开挖设备后配套设施较多，设备造价昂贵，设备占用场地大[6]。

图13 圆形盾构及圆形管廊断面图

2.3.2 叠合板装配法

叠合板装配法是指将大体积的管片混凝土构件拆分成小构件，在工厂预制成型后，运输到现场装配并进行部分现场浇筑来建造综合管廊的施工方法[7]。其施工过程分为墙板安装、顶板安装、钢筋困扎、混凝土浇筑；其工艺特点是将管廊的底板、顶板和侧壁进行拆分，实现构件工厂化生产，现场拼装，部分现浇，减少现场模板支架和钢筋绑扎。管廊一体化结构，具有较好的密封性。

2.3.3 管廊滑移台车法

滑移台车法是将混凝土浇筑模板集成安装至可移动台架上，通过机械结构完成模板的快速伸出与收回，可实现工位与工位之间的快速转换及支护。滑移台车法施工工艺主要特点是台车整体性强，扣件少，结构简洁轻便，安装拆除方便，施工效率高，安全性好，采用整体性浇筑减少了浇筑接缝，抗渗性能好，后期维护费用低。

3 讨论与展望

U型盾构法、矩形顶管法等机械化施工地下综合管廊工法以其自动化程度高、施工速度快、施工劳动强度低等优点，越来越多的应用到综合管廊施工当中。对比各机械化工法，因其工作特点的不同、施工成本的差异，各有优缺点：①新建城区综合管廊具备明挖条件工况，施工场地宜采用U型盾构法、叠合板拼装法、管廊简易台车法施工；②老城区综合管廊建设不具备明挖条件，宜采用顶管法或盾构法施工，此外还需考虑综合管廊施工长度因素，短距离工况宜采用顶管法，长距离工况宜采用盾构法；③老城区内可明挖，但施工场地有限、不易放坡施工的工况，亦可采用U型盾构法施工。