城市浅埋盖挖快速装配支护施工技术研究

刘成龙

(中铁十四局集团有限公司 山东济南 250014)

1 前言

随着我国城市化进程的推进，城市地下空间开发利用快速增长，在国家创新驱动发展战略引领下，城市地下空间建设由“功能为主”向“创新、协调、绿色、开放、共享”的全新建设理念转变，建设多维、网络化、一体化的城市地下空间已成为必然的发展趋势，城市地下空间建设已进入全新发展时代，我们的基建水平已经达到世界领先水平[1－2]。城市市政管线综合管廊化是目前国家政策要求和提高市政管线敷设的发展方向[3]，通常采用明挖法施工，明挖法具有环境影响大和造成城市交通拥堵等缺陷[4－5]，采用装配式施工工艺具有施工速度快、占用时间短、工程质量优、环境扰动程度弱、施工作业空间小、公共安全风险低等优势，给地下工程建设带来新的研究动力[6]。

闵传杰等[7]总结了节段式整体预制管节的设计研究和预制拼装施工技术；焦勇强等[8]等通过对整体预制拼装式综合管廊接头型式和防水构造的研究，总结了常见的管廊接头及防水技术；余常俊[9]对综合管廊的结构型式、分类、组成系统、防水机理、防火措施、施工方法、安保及监控措施等方面进行了总结；安建良[10]从综合管廊管节设计、预制、现场拼装以及综合管廊附属设施等方面，阐述了整体预制装配式混凝土综合管廊的拼装技术。

本文依托太原市姚村综合管廊工程，详细介绍在不中断路面交通条件下地下大空间机械化开挖施工、结构快速装配支护、覆土即时密实回填快速恢复道路。该施工技术通过纵向和横向模块化组合，实现开挖跨度可变；通过设备主机结构壳体实时平衡侧向土压，实现无预设围护结构支护的快速绿色施工。

2 工程概况

山西综改示范区起步区姚村综合管廊建设工程包括管廊主体工程和管廊附属工程等。管廊长度为4.90 km，为支线管廊，单侧布置，管廊布置于姚村规划路北侧绿化带下。人民路至真武路，采用三舱矩形断面；真武路至太太路，采用四舱矩形断面。入廊管线有污水、给水、再生水、热力、天然气、电力和通信等七种管线。

道路工程起点为人民路，终点为太太路，全长5.89 km，红线宽度60 m，为主干路，是太原起步区中部的主要干道。建设内容包括道路工程、桥涵工程(不包含潇河大桥)、排水工程、照明工程、绿化工程、交通工程及其他工程(包含再生水工程、公交侯车廊及公共自行车点)等。

雨水方涵全长3 436.4 m。本次浅埋盖挖快速装配支护施工里程选定为K4＋110～K4＋610，长度500 m，结构截面尺寸为3.5 m×2.5 m，最大开挖深度6.1 m，顶板覆土深度为2.7～4 m。

3 城市浅埋盖挖快速装配支护技术

3.1 工作井设计与施工

本工程工作井分为始发井和接收井，始发井内径尺寸25 m×6.4 m，接收井内径尺寸18 m×6.4 m，工作井围护结构采用 40C热轧普通工字钢，一丁一顺连接，基底采用800 mm厚砂石垫层＋300 mm厚C20素砼进行基础加固，后背墙采用1排高压旋喷桩插入 40C热轧普通工字钢＋3排高压旋喷桩对背墙土体进行加固。

3.2 设备拼装、调试

城市浅埋盖挖快速装配支护施工技术主要施工设备为盖挖快速装配支护一体机(见图1)，外形尺寸(长×宽×高)为18 m×4.32 m×6.5 m，设备总重200 t，最大零部件24.2 t。

图1 盖挖快速装配一体机

根据盖挖快速装配支护一体机的主要设备尺寸大和重量大的特点，结合现场实际情况，通过分析和验算，始发井盖挖快速装配支护一体机选择采用100 t汽车吊进行安装、调试。

3.3 插刀＋护盾钢结构，实现预支护施工

传统施工工法需在基坑开挖前进行两侧钢板桩支护施工，占用额外工期且成本高昂。新型一体机采用成组插刀超前支护(如图2所示)，插刀组件布置在设备前盾侧壁上，由机械结构、液压驱动等功能系统组成，通过护盾对开挖的基坑两侧进行强支护，有效稳定和控制了基坑土体变形。工作时，插刀插入前方两侧土体，起到超前支护功能。开挖时身上的挖机始终在两侧插刀建立的预支护保护下开挖，这样形成了短进尺、快换步开挖作业方式，可始终保持开挖期间、开挖后土体实时支护。

图2 插刀和护盾密贴支护两侧土体示意

插刀外侧表面超出盾体外壳表面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，根据地层自稳性可有两种工作模式，具体说明如下:

在含水率较小的环境采用清渣挡土模式，由于挖掘机在开挖掌子面插刀之间区域土层时难以精确控制开挖边界，为避免两侧超挖，可预留出一定厚度的土层，由插刀在插入残余土层过程中将其剥离。这种工作模式下，插刀插入阻力小，插刀系统可成组控制、同步伸出，从而快速清除两侧残余覆土层，提高开挖速度。

在含水率较大的环境采用超前支护模式，由插刀插入盾体前方土体0.5～1 m深度，形成超前支护体系，然后再用挖机开挖。这种方式的优点是提供超前支护，有利于开挖面稳定，但由于需要插刀插入土体，对插刀插入的推力要求高，单个插刀宽度不宜过大且结构强度和刚度要求高。

3.4 开挖掘进

为了减少施工对城市交通造成的影响，充分利用地面设备开挖功能，在保障安全的前提下，采用地面＋设备联合开挖作业模式(如图3所示)。在地面＋设备联合开挖作业模式下，一体机前部地面预留大型挖机作业空间，前盾内的升降平台上配置小型挖机。上层土方纵向距离长度2～5 m，开挖深度2～3 m，由地面大型挖机开挖；下层土方由设备上的挖掘装置开挖，开挖时可通过升降平台调节作业高度。这种联合开挖模式具有很高的综合施工效率，理论上可实现30 m/d以上施工速度(传统方式≤10 m/d)。

图3 地面－设备联合开挖模式

一体机出渣系统(如图4所示)是采用螺旋机＋双吊桶连续出渣，主要由螺旋机转运部分和垂直提升部分组成。螺旋机转运部分采用螺旋机将渣土运输至渣斗，在螺旋机尾端设置两个横向并排布置的接渣斗，可交替装渣实现连续垂直提升。

图4 出渣系统

垂直提升部分采用吊装箱涵的汽车吊提升渣斗，不增加配置且可充分利用项目已有设备。在汽车吊作业时可在下面铺垫厚钢板防倾覆，钢板实现交替使用，在无需加固路面条件下解决地面承载力问题。渣斗提升到地面后通过卸渣装置架卸入渣土车内。

3.5 地基处理

设备前进距离≥2 m，确保盾尾底部轴向间距满足箱涵吊装空间需求，采用与常规明挖施工相同的基底材料铺填，每200～300 mm厚度用手持式振动夯压实，回填至管节设计底高程。完全下放箱涵并落到换填层上，测量高程，出现下陷超标时通过管片壁后注浆铺填一层混凝土浆液以固化换填层表面。

3.6 管节吊装与管节拉紧

管节(如图5所示)由预制厂集中整体预制[11－12]。地基处理完毕后，下放预制管节，在管节接触到基底垫层后，用推进油缸将其顶推与已装配管节承插口对接；管节吊装完毕后，监测高程，每3环管节装配后采用预应力钢绞线张拉锁紧。

图5 管节拼装

3.7 推进系统顶进

推进系统(如图6所示)由多组液压油缸和控制系统组成，以新安装的管节作为反力支座，推动整机在已开挖的基坑内整体前移。液压油缸分别布置在下层安装支架的上、下、左、右四个侧支架上，共有4根，最大行程2.6 m，油缸既可独立控制也可成组控制。顶进油缸在与管节结构的接触端处均设置有顶铁结构，避免推进反力使管节结构产生应力集中从而危害结构安全。

图6 推进系统作业状态

3.8 回填及路面恢复

利用开挖渣土，应用土体固化技术，采用预拌流态固化土材料进行管节上部及两侧的回填施工，回填效率高、质量好，能够满足及时回填密实的要求，实现路面交通快速恢复。

3.9 不中断道路交通的活动盖板应用方法

在通过与地面平齐或高于地面一定高度的道路时，为不中断路面交通，设备采用盖挖模式施工。通过一种活动盖板装置(如图7所示)，可与一体机主机配合，在不影响设备掘进条件下实现路面交通部分或全部恢复。在此模式下，设备上部加装一活动盖板，盖板部分安装在主机顶部，为一个可拆卸的钢结构件，盖板两端分别搭接在中断的道路两侧，能够允许一定载重的车辆从盖板上通过。盖板与盖挖快速装配支护一体机上层侧壁可采用铰接连接进行支撑，能够跟随作业车移动。施工时，活动盖板跟随设备一同移动，同时在地面盖板入口两侧设置交通导引标识和相应的引导结构(如栏杆)，有序引导允许的车辆类型通过施工地段。

图7 盖挖模式下车辆通过道路示意

盖板装置严格按照设计承载能力通过，不允许超载。采用中间支撑结构时，应确保盖板两侧底板与地面搭接状态良好避免盖板移动错位。

4 浅埋盖挖快速装配施工优势及功效

浅埋盖挖快速装配施工技术旨在大大提高城市管廊施工开挖、出渣、支护作业的效率、能适应不同管廊断面、降低作业人员的劳动强度、降低施工成本。其主要技术优势为:

(1)通过道路时实现不中断交通施工，采用设置盖板实现浅覆土条件下不中断路面交通的管廊横穿道路施工。

(2)实现不同坡度的放坡量。相对传统要进行大面积放坡的浅埋盖挖法，该施工采用插板提前支护＋盾体初期支护，可实现侧面不放坡、正面极少量的放坡。

(3)具备更高的开挖效率。掌子面开挖可实现机械化施工，提高开挖效率，更进一步解放人力。

(4)具备更高的出渣效率。配备皮带机出渣系统，实现自动化出渣，极大提高出渣效率。

(5)实现快速高质量装配支护。采用预制管节支护，装配支护快速，装配质量高。

(6)断面适应能力强。采用模块化设计，通过改变盾体部分结构，可以适应宽度和深度在一定范围内变化的基坑断面施工，通过模块化组合能够实施大断面协同作业，具有高度灵活性。

支护一体机作业时能够实现开挖、支护、出渣和路面回填施工同步作业，较传统钢板桩支护＋现浇管节的管廊施工工艺更为高效。现根据设备主要工序的完成时间，管节为2 m一节，将每循环工序的施工用时统计如表1所示。每天按照12 h现场作业总时间计算，设备工作10 h，预留2 h物料和管节供应、停机清理等施工管理耗时，每天可完成10 m进尺。在现场操作人员熟悉设备使用方法、现场物料准备充分、配送管理高效和地层降水效果良好条件下，可实现成倍的进尺提升。

表1 盖挖快速装配支护一体机施工效率分析

5 结束语

本工程探索和验证了基于快速装配支护一体机的新型基坑机械化施工技术，示范了基于新型装备的快速装配支护技术和工法，达到了预期目标并具有良好示范效果:新装备提供了一种替代城市环境下传统明挖基坑施工方法的新技术；实现无需钢板桩预支护条件下安全、高效的综合管廊施工；最大日施工速度达到24 m，大幅领先传统明挖工法不超过10 m/d的施工速度；具备在施工条件下不中断路面交通功能。