管廊明挖盾构施工关键技术研究与应用

闫扬义， 肖 威， 杨聚辉， 史 伟， 陈 平

(1. 中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016； 2. 中铁四局集团有限公司， 安徽 合肥 230023)

0 引言

随着城市化进程的不断加快，为了解决“马路拉链”问题，告别“空中蜘蛛网”，实现架空线入地和各类城市地下管线统一规划、建设和管理，国家十三五规划纲要中提出，要大力推进城市地下综合管廊的建设工作。

综合管廊常用的建设方法主要有明挖法、盾构法、顶管法等[1-2]，此外，还有移动模架法、叠合板法等近年来涌现的新工法[3-4]。马骥等[5]结合上海某矩形双舱地下管廊建设项目对明挖现浇法的应用进行了总结。揭海荣[6]以厦门市集美新城综合管廊的建设项目为例，对明挖预制拼装法的应用进行了研究，并重点介绍了预制综合管廊拼装时的精度控制和防渗控制措施。该综合管廊有2种单舱和1种双舱共3种截面形式，基坑采用放坡开挖，预制管节采用龙门吊机进行拼装。王会丽等[7]依托上海市临港新城综合管廊建设工程，对比分析了履带式起重机、门式起重机、移动小车3种管节拼装方式应用于明挖法预制综合管廊建设的优劣。该综合管廊截面为矩形双舱形式，基坑采用SMW工法桩支护，3种不同的管节拼装方式各有利弊，应根据不同的施工情况选择合适的施工方案。肖燃等[8]介绍了盾构法应用于沈阳市地下综合管廊南运河段项目的工程案例； 李波[9]介绍了顶管法应用于包头市新都市区中心区综合管廊项目的工程案例，这是全国首例矩形顶管应用于综合管廊建设项目； 另外，油新华等[10]介绍了移动模架法在综合管廊中的应用； 林广泰等[11]介绍了叠合板法在综合管廊中的应用。

上述综合管廊建设的多种方法各自有其优缺点和适用条件。由于综合管廊大多都是在城市内建设，埋深较浅，综合考虑成本、效率等因素，目前应用最多的依然是明挖法。传统的综合管廊明挖法施工，普遍存在机械化程度低、施工效率不高、环境影响较大等问题，而且无论是明挖现浇法还是明挖预制拼装法，放坡开挖土方开挖、回填量大，占地面积较大； 基坑支护方式支护费用高昂，对环境影响较大[5, 12-13]。因此，研究提高综合管廊明挖法施工的机械化水平及新工法具有重要的意义。

20世纪60、70年代，日本曾开发出一种明挖法与盾构法相结合的无刀盘明挖盾构工法(open shield method)，主要应用于箱涵、排水管、明渠等的施工。截至2000年，其成功应用案例已达800多例[14-17]，这种施工工法具有安全、快捷、经济、环保等显著优势，然而在我国鲜有应用。本文在无刀盘明挖盾构工法的基础上，通过自主创新设计，研制了一种用于管廊明挖的盾构，简称“U型盾构”，并成功对其进行了应用。管廊明挖盾构作为一种移动式的支护设备，结合预制拼装技术，取消了基坑支护或边坡支护工作，节省了支护费用，同时大大提高了综合管廊明挖法施工的机械化、自动化程度，更加经济、高效、绿色、环保，为地下工程尤其是预制装配式综合管廊的建设提供了一种新型施工装备和施工工法。

1 依托工程概况

管廊明挖盾构依托海口市椰海大道综合管廊建设项目进行工业试验，项目位于海口市秀英区椰海大道西延段中央绿化带下方，如图1所示。

图1 椰海大道综合管廊建设项目概况(单位： mm)

综合管廊标准管节断面如图2所示，标准管节设计为双舱管廊。考虑到运输因素，管节采用上、下分半的形式，上半节管片质量约30 t，下半节管片质量约31 t。

图2 标准管节断面图(单位： mm)

管廊明挖盾构试验段顶部埋深3.5 m，盾构穿越地质主要为素填土、杂填土、黏土、粉质黏土，地下水位深3～5 m，如图3所示。

图3 综合管廊试验段地质剖面图(单位： m)

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

2 设计关键技术

2.1 结构设计

管廊明挖盾构结构如图4所示，盾体截面呈“U”形，因此简称“U型盾构”。整机主要包括前盾、中盾、尾盾、内部横撑、顶推系统、铰接系统、辅助装置、电力系统、液压系统等。

图4 管廊明挖盾构结构示意图

前盾、中盾、尾盾盾体均采用模块化组合拼装式结构设计，分别由多块结构通过螺栓连接组成一个整体。盾体之间采用铰接油缸连接，盾体内部安装有内部横撑，用以增加盾体的强度和刚度； 顶推油缸安装在中盾盾体内； 主控室、液压系统、电力系统、辅助装置等均安装在盾体的内部横撑上，为整个设备提供动力源。

2.2 前盾插板和推板

管廊明挖盾构前盾两侧设计有可伸缩式插板，底部设计有可伸缩和俯仰的推板。插板装置由油缸驱动，可以单独伸出，用于将基坑两侧墙的土体切削平整，并对两侧墙土体形成一定的超前支护。插板伸出长度的设计既要考虑满足前方掌子面放坡开挖的稳定性，同时也要兼顾前盾的重心位置，保证前盾不会发生栽头现象，插板伸出的长度一般设计为1～1.5 m。推板装置由2组油缸驱动，其中1组油缸用于控制推板伸出和缩回； 另1组油缸用于控制推板绕1根固定的转轴上下俯仰，使之与水平面形成±5°的夹角，如图5所示。推板装置主要用于控制底面标高，并辅助调节盾构的姿态。

图5 推板装置

2.3 盾体支护受力模式分析

管廊明挖盾构在断面上可以看作1个由两侧盾体、底板和内部筋板共同构成的U型钢架结构。盾体两侧抵抗土体的钢板表面可以视为是垂直光滑的，另外，两侧盾体在支挡土体时是刚性的，不考虑其自身的变形，可认为管廊明挖盾构施工时的受力状态符合朗肯土压力理论的基本假设[18]。

假定基坑开挖深度为H，基坑宽度为B，管廊明挖盾构总质量为G，土的天然重度为γ，结合盾构实际施工时穿越的地质情况，采用水土合算原则计算盾构两侧所承受的水土压力，则盾构的受力分析如图6所示。盾构两侧受水土压力作用，底部受均布的地基承载力作用。

水土压力合力

(2)

图6 管廊明挖盾构受力分析示意图

3 施工关键技术

3.1 施工流程

管廊明挖盾构施工和施工工序分别见图7和图8。施工时，采用挖掘机明挖土方，盾构前方的掌子面要根据地质情况进行放坡开挖，如图7所示。基坑较深时，则需要进行分层放坡开挖，防止土体坍塌； 地质条件较差，土体自稳性较差时，还需要提前对土体进行一定的支护或超前加固作业。另外，挖掘机在开挖基坑两侧和底部的土体时，均进行一定程度的欠挖。由盾构前盾上的插板装置和推板装置负责精确控制整个开挖轮廓，盾构作为一种移动式的支护设备，起到地下挡土墙的作用，对两侧墙土体形成临时支护。一般情况下，挖掘机一边开挖，位于中盾盾体内的顶推油缸作用到盾构后方已经拼装好的管节上，推动盾构一边同时向前推进。盾构推进完成后，测量底面标高，浇筑素混凝土垫层，平整地层并增加地层的承载力，之后位于盾构侧后方的履带吊将预制好的管片从盾构尾盾上部的开口处吊入，进行定位、拼装。待管片吊装到位之后，使用螺栓或钢绞线将相邻的2环管片连接起来，并张拉紧，保证管片之间橡胶止水条的密封可靠性。如此，盾构便可以继续进行下一环管片的推进。管廊内部安装有激光导向系统，用于实时监测盾构的位置姿态，为盾构的推进精准导航。

图7 管廊明挖盾构施工示意图

图8 管廊明挖盾构施工工序

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

3.2 管节的防水与抗渗

管廊明挖盾构施工时，管节接缝处的防水抗渗处理是施工中的关键技术之一，直接影响到管廊整体的建造质量和使用寿命。一般情况下，若地下水较少，则可以在上下管片之间和相邻管节之间设置2道遇水膨胀的橡胶条，相邻管节之间的接缝外侧贴1道防水卷材作为外密封。此外，相邻管节之间还可以设计1道注浆环槽，在管节之间出现渗漏时，可以向该环槽内填充密封材料以加强管节之间的密封[21]。若地下水丰富，则可以借鉴盾构法施工的原理，将盾尾底部和两侧封闭，并在管节壁后分2次进行注浆作业，以填充管节和地层之间的间隙[22]，如图9所示。在此次管廊明挖盾构试验工程中，结合实际工程地质和水文地质条件，只在局部含水量较大的区间对已拼好的管廊进行了壁后注浆作业，其余区间盾尾均为敞开状态。

4 工程应用情况

2017年9月，管廊明挖盾构在海口地下综合管廊试验段正式始发，如图10所示，这是管廊明挖盾构及其施工工法在国内综合管廊建设领域的首次应用[23]。

管廊明挖盾构在海口施工期间，工程前期由于管节断面尺寸较大，且采用分块设计，管片拼装、张拉、垫层施工等工序耗时较长，总体施工进度平均1～2环/d，后期随着对设备和工艺的掌握与操作熟练化，平均施工1环用时4～6 h，单日最快施工4环，共7.2 m。各工序施工用时统计如表1所示。

图9 管节壁后注浆

管廊明挖盾构在施工期间总推力的变化曲线，如图11所示。盾构在第44—72环穿越了1个特殊节点段，在特殊节点段，基坑两侧预先施作了SMW工法桩，盾构穿越时，两侧不受水土压力作用，因此总推力不超过500 kN，其余阶段均为标准管节正常施工阶段，总推力保持在2 500～3 000 kN。图12示出管廊明挖盾构在施工期间俯仰角和滚动角的变化曲线，盾构在穿越特殊节点段时设计有1个1°的下坡段，因此在第44—72环盾构的俯仰角在1°左右变化，其余阶段均为正常水平推进阶段。

图13示出管廊明挖盾构施工完成的管廊实景，从图中可以看出，管廊明挖盾构及其施工工法在此次试验段的施工中，整体施工质量较好，证明了该设备及其施工工法的创新性和可行性。

表1管廊明挖盾构施工用时统计

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

序号工序平均用时/h备注1基坑开挖1.52插板清边0.53整体推进14侧隙回填1序号1—4工序同步进行5垫层施工1.56管节吊装1.57管节张拉1.5序号5—6工序顺序进行

图11 盾构总推力变化曲线

图12 盾构俯仰角和滚动角变化曲线

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

(a) 高压舱

(b) 综合舱

图13管廊实景图

Fig. 13 Photos of utility tunnel

5 结论与讨论

基于传统明挖法施工的不足，借鉴盾构法在盾壳内进行管片拼装的原理，提出了一种应用于综合管廊明挖法施工的新型盾构和施工工法，并以海口市椰海大道综合管廊建设项目为依托，对管廊明挖盾构的施工关键技术进行了研究，主要结论如下。

1)介绍了管廊明挖盾构的结构特点和工作原理，建立了盾构盾体的受力分析模型，结合工程应用，总结了管廊明挖盾构的施工工序、管节的防水抗渗技术措施等，可为今后类似的工程设计和应用提供借鉴和参考。

2)管廊明挖盾构及其施工工法取消了传统明挖法施工的基坑支护或边坡支护，提高了综合管廊明挖法施工的机械化、自动化程度，节省了支护成本，缩短了施工工期，减少了对周围环境的影响，经济性显著，设备及施工工法均具有较高的推广应用价值。

3)在工程应用中发现，预制管节断面尺寸较大，且采用分块设计时，管片的拼装、张拉工序耗时较长，通过完善盾构管节拼装、张拉、垫层施工等工序的施工工艺，并进一步优化盾构的铰接系统设计，还可以大幅提高管廊明挖盾构的总体施工效率。管廊明挖盾构管廊断面小、管节整体预制、施工宽度范围小，在城市老城区等空间狭窄地带应用起来可能会更灵活、更具优势。

4)管廊明挖盾构为城市地下综合管廊的建设提供了一种新型施工装备和施工工法，但是也有其自身的适用性和优缺点。盾构施工过程中如何处理局部硬岩地层、富水砂性地层等不良地质条件，以及盾构是否能够自身具备土体开挖、转运、回填功能等还有待进一步研究、验证。

因此，虽然管廊修建工法是成熟、多样的，但管廊断面是变化的，在选择管廊修建工法时，还需要结合实际工程的规模、特点、工程地质与水文地质条件、道路交通及埋设管线情况、工程造价承受能力等具体分析，选择合适的修建工法。