城市地下综合管廊浅埋盖挖快速装配支护施工技术

刘持路

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安271000）

1 引言

目前，中国在全国各地展开了大面积的管廊工程施工作业，但是均采用常规的基坑支护、降水、开挖、混凝土浇筑等传统明挖施工方式，需要封路，并且普遍存在机械化程度低、施工效率不高、对环境影响较大、不安全因素较多等问题，不利于城市繁华地区管廊工程的施工作业。因此，研究开发新型快速装配支护一体机装备、创造新型浅埋明挖施工工法对提高城市地下空间建设具有重要的意义。

2 工程概况

自2020年5月起，山西综改示范区姚村地下综合管廊采用新型施工技术——浅埋盖挖快速装配支护施工技术对管廊示范段（K4+110～K4+610）进行施工，施工长度500 m，管廊断面尺寸3.6 m×2.6 m，开挖最大深度6.2 m，顶板覆土深度2～3 m，基础底换填500 mm厚砂石垫层（掺30%砂），每边超出基础边线700 mm，压实系数0.97，地基承载力标准值要求不小于100 kPa。

该工程地处平坦冲积平原，地质资料显示勘探深度范围内场地土质为粉土、粉质黏土和砂类土，地下静止水位埋深介于0.55～1.7 m。

3 工艺原理

装配支护一体机集成开挖、支护、推进和路面回填等多种功能，能够实现城市复杂环境下明挖基坑高效、绿色、机械化施工。设备主要包括插刀系统、开挖装置、出渣系统、刚性护盾、推进系统及其他辅助系统。作业时，插刀系统超前插入土体，与刚性护盾一起建立侧向支护，地面和机载挖掘装置开挖土体并由出渣系统同步输出渣土，完成一环管节长度开挖后，设备前进一环，随即安装一环管节，设备后部已拼装管节利用渣土同步回填，快速恢复路面。实现移动支护、管节拼装和路面回填同步[1]。施工工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

4 施工要点

4.1 工作井施工

工作井施工主要有以下施工要点：

1）施作设备始发工作井，工作井满足设备的安装、拆卸及人员操作空间；

2）始发工作井后背墙采用加固措施，防止始发过程中设备顶力过大，导致工作井损坏造成安全事故；

3）始发工作井地基进行加固处理，满足设备对地基的承载力要求。

4.2 设备拼装、调试

装配支护一体机外形尺寸：17.78 m×4.42 m，重约2 100 kN（210 t），最大零部件重242 kN（24.2 t）。

根据装配支护一体机的主要设备尺寸和重量大的特点，结合现场实际情况，通过分析和验算，选择合适的吊装设备和吊装方式。始发井装配支护一体机吊装采用100 t汽车吊。

4.3 超前插刀支护

超前插刀支护布置在设备前部侧壁上，由插板、顶进油缸、导向结构组成。工作时，插板在顶进油缸的推动下向前伸出插入土体，起到超前支护或清理两侧残留覆土的作用。由于每节管节长度为2 m，选用插刀的最大作业行程为1 m，一环开挖量可分2步或多步进行，以保证掌子面稳定。插刀外侧表面超出设备外壳表面5 mm，避免后部壳体与侧面土层过渡挤压造成过大的摩擦阻力。插刀系统既可单独控制也可成组控制，根据地层自稳性可采用不同的工作模式。说明如下：

1）清渣挡土模式，适用于含水率小、自稳性较好的地层。这种地层在一定深度范围和开挖周期内开挖，边坡自稳性较好，无须超前支护。

2）超前支护模式，适用于含水率大、自稳性较差的地层，这种地层插刀插入阻力较小。先由插刀插入前方土体一定深度（≤1 m），建立超前侧向支护，然后再用铲斗开挖，铲斗开挖深度不超过插刀插入深度。

4.4 开挖掘进

4.4.1 土方开挖

开挖系统分为机内固定部分和地面移动部分，地面部分采用通用型挖掘机开挖浅层土。设备的开挖系统主要由挖掘机、升降平台、活动挡土板3部分组成。作业时，在作业车前部预留挖掘机作业空间，挖斗内渣土直接倒入皮带机接料斗内，同时可实现开挖宽度可调，具备开挖边坡的功能。通过调整升降平台高度，可确保挖掘机以最佳的作业高度开挖不同深度的掌子面土层。地面的移动挖机可与设备同步施工，在主机前方开挖1～3 m深度的基坑覆土，开挖深度根据底层稳定性及两侧建筑安全控制需求确定[2]。

4.4.2 出渣

出渣系统是将挖掘装置开挖下来的渣土运输到地面，主要由水平转运部分和垂直提升部分组成。水平转运部分采用连续皮带机以15°～20°的大角度出渣，在皮带机尾端设置2个横向并排布置的接渣斗，可交替装渣，实现连续垂直提升。渣斗提升区域的盾体内设置6根竖向导轨，保障渣斗提升过程中的安全性。

渣斗提升采用吊运箱涵的汽车吊。渣斗提升到地面后，根据渣土可利用程度分为路面回填土和绿化土，前者直接回填到后部的管节上方，再压实迅速恢复路面。

4.5 地基处理和垫层施工

根据现场地层承载力确定是否需要进行地基处理和垫层施工，每推进一个管节长度后，在设备尾部完成垫层施工。

4.6 管节吊装与管节拉紧

管节采用整体预制。管节拉紧在管节吊装完毕后立刻进行，采用预应力钢绞线和张拉设备作业，拉紧幅数不得超过3幅[3]。

4.7 推进系统顶进

推进系统推动整机在已开挖的基坑内前移，在完成2 m长度的管节开挖距离后，下放新的管节，推进油缸伸出、顶推管节与后续已安装管节对接，并以新安装的管节作为反力支座，推动设备整体前移。主要由布置在安装支架的上、下、左、右4个液压油缸及其控制系统组成，油缸既可独立控制也可成组控制。推进油缸最大行程2.6 m，最大推力6 150 kN（615 t），能够满足2 m长箱涵拼装和整机推进力需求。

4.8 回填及路面恢复

利用开挖渣土回填，倒运至已施工完成的管节上部，按要求分层对称回填并夯实后，根据设计恢复路面。

4.9 实时监测与信息反馈

每完成1个循环，即针对一体机姿态、管节位置、周边地层变形、影响范围内风险源变形等进行监测分析，并及时反馈、指导施工。

4.10 一体机到达接收

装配支护一体机到达接收后，将设备解体吊出。

5 质量控制

质量控制过程中，采取以下措施：

1）严格按照现行GB 50838—2015《城市综合管廊工程技术规范》、GB 50208—2011《地下防水工程质量验收规范》等规范施工。

2）现场降水作业按常规施工工艺进行，保证在无水环境下进行施工作业。

3）工厂预制管节需专门运输设备拉运至现场，并建设专门存放场地，妥善保管，减少运输过程中的磕碰损伤。

4）采用预应力钢绞线拉紧预制装配管节，1次拉紧应不超过3幅管节。

5）务必保证在插刀超前支护前提下开挖掌子面，1环管节幅宽2 m，插刀最大作业行程1 m，1环开挖量可分2步或多步进行，以保证掌子面稳定和对城市周边环境的影响。

6）实时监测与信息反馈，每环管节装配完成后均测量一体机姿态、管节位置、周边地层变形以及施工影响范围内的风险源变形，并及时反馈调整。

7）其他未尽部分执行现行国家颁布的与质量相关的技术规程、规范、质量标准和验收规范等。

6 安全控制

安全控制过程中采取以下措施：

1）认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，建立健全安全管理体系，安全责任落实到人，做到人人懂安全，人人抓安全。

2）机械设备加强维护保养工作，严格执行操作规程，非专职操作人员不得操作机械设备。

3）加强液压管线、压浆管路和设备的检查工作，工作期间高压管线附近严禁站人。

4）加强用电的管理工作，线路严格按照相关规范布设，不得私拉乱接电线。

5）预应力钢绞线张紧作业时，张拉设备背后严禁站人。

6）进行吊装作业时，作业前应检查被吊物、场地、作业空间等，确认安全后方可作业。

7）吊装作业时必须缓起、缓转、缓移，并用控制绳保持吊物平衡。

8）吊装作业时，作业人员必须听从统一指挥，协调一致。

9）施工人员必须把安全防护用品佩带齐全。

10）装配支护一体机必须试运转，确认机械性能、各种阀门管路、电路和压力表完好后方可施工。

7 结语

通过本工程施工的经验，总结出了一种适合地下城市空间浅埋盖挖快速装配支护的施工技术。该技术可实现不中断地面交通条件下明挖管廊机械化开挖、结构快速装配支护功能，避免了传统明挖施工占空大、成本高、周期长等问题，还可通过定制化设计适应不同地质条件下的明挖管廊施工，大幅提升装备适应性。建议优化细部结构，进一步提升设备操作的便利性从而更加方便现场施工。该技术可进一步提高城市地下空间浅埋盖挖法施工快速装配支护技术水平，同时保证工程本身安全、质量及工期目标，降低工程造价。软土地区采用标准化、模数化的可回收重复利用临时路面系统，首道支撑采用钢筋混凝土兼作临时路面支承结构的新型盖挖法，在姚村管廊项目建设中获得成功。还系统地研究了临时路面系统、竖向支撑体系、横向支撑体系等关键技术[4]。这种新型盖挖法能够最大限度地降低对地面交通的影响，有极大的推广价值。本项目的研究成果可在今后城市地下空间施工快速装配支护技术施工中推广应用。