软土地区15 m级矩形顶管管节预制技术应用研究

王学锋　沈理斌

摘要：从软土地区15 m级超大尺寸、大跨度管节及吊装孔设计研究，对原材料、承插口钢套环、钢筋加工、模具制作、管节浇筑养生等施工工艺及质量管理等方面入手，探讨管节水平运输、垂直下井、翻身研究、顶管管节预制技术和管节吊运、止退控制等施工应用深入研究，并探讨提出具有生产周期短、造价成本低、周转性强、重复利用价值高、易处理等特点的负环来替代预制管节作为负环使用，对大断面矩形管节顶进提供管材有效质量保证。

关键词：管节预制  台模合模  止退控制  负环装置

中图分类号：U455.91   文獻标识码：A

Research on the Application of Prefabrication Technology for 15m-Level Rectangular Pipe-Jacking Pipe Joints in Soft Soil Areas

WANG Xuefeng   SHEN Libin

（Jiaxing Communication Investment Group Co.， Ltd.， Jiaxing， Zhejiang Province， 314000 China）

Abstract： Starting from the design and research of 15m-level super-large size and large span pipe joints and lifting holes in soft soil areas， as well as the construction technology and quality management of raw materials， steel rings for sockets， steel reinforcement processing， mold making， and pipe joint pouring and maintenance， this paper discusses the research on the horizontal transportation， vertical well lowering and turnover of pipe joints， prefabrication technology for pipe-jacking pipe joints， and the in-depth research on construction applications such as the lifting and die stop control of pipe joints， and proposes to replace the prefabricated pipe joint as the negative ring with a negative ring with the advantages of the short production cycle， low cost， strong turnover， high reuse value and easy handling， so as to provide the effective quality assurance of pipes for the jacking of large cross-section rectangular pipe joints.

Key Words：Prefabrication of pipe joints; Formwork assembly; Die stop control; Negative loop device

为了充分开发利用地下构筑物、地下铁道、公路城市道路隧道、水下隧道、地下共同沟、地下建筑和过街地下通道等地下空间资源建设，国内通常采用圆形盾构、矩形断面开挖等技术。至20世纪70年代初，在日本针对地下空间建设工过程中出现道路狭窄，空间有限的实际情况，双线单圆隧道已无法布置，而采用了更为先进的异形断面刀盘技术。20世纪90年代矩形隧道掘进引入我国，得益于矩形掘进机的出现和日渐成熟的圆形顶管技术，矩形顶管技术发展迅速，并逐渐得到应用和发展，尤其是1995年成功应用于上海地铁2号线5号出入口人行通道工程。经调查统计，日本矩形顶管断面尺寸从2.10 m×2.10 m到8.24 m×11.96 m，国内断面从2.5 m×2.5 m到7.27 m×11.83 m。因此，超大尺寸、大跨度管节及吊装孔设计，以及管节水平运输、垂直下井、翻身将是顶管管节预制的重难点。

1 管节预制技术

1.1  承插口钢套环加工技术

管节预制的承插口钢套环加工非常重要，对于垂直度、止水条、焊接处理必须到位。

（1）承插口钢套环加工制作按照设计尺寸进行分段下料，下料长度满足设计规定误差，截断位置应顺直，保证垂直误差率控制在1 mm以内，钢筋骨架应按设计图纸及技术要求制作^[1]。

（2）为防止歪斜，需采用靠板控制其钢带卷圆，施工过程中保证焊缝平整、无缺焊、漏焊和焊渣等现象，焊接完成后应磨平齐整。

（3）承口止水条固定圆钢与承口钢套环焊接定位准确、焊接饱满，确保止水条的净空要求。

（4）做好防锈处理工作，根据要求对承接口采用防锈处理措施。去除锈迹、浮尘、浮灰、油污等各种杂物。涂刷油漆时，分为底漆、中层漆、面漆三次进行认真细致涂刷处理，涂层厚度由内至外分别控制为75 μm、115 μm和50 μm。

1.2  钢筋笼加工

根据管节钢筋构造、场地条件、施工工期情况，现场制作两套钢筋台模架，对管节进行放样，并对管节轮廓采用钢筋打围，钢块对预埋件进行标记，根据测量放样情况布设控制杆。布设完成后对管节模具进行复核，控制最大误差为 3.5 mm。

1.2.1 加工焊接

钢筋笼制作应考虑便于施工、不受场地、环境限制，弥补传统方式的不足，设置安装速度快、精度高，可使模板安装、钢筋绑扎、预埋件安装互不影响的模具。

（1）钢筋笼钢筋断料后需进行打弧和弯曲，按照图纸尺寸采用人工配合鋼筋加工机械进行部件制作，按类别编号分区堆放。

（2）钢筋笼加工模具，底座与地面固定牢固，模具定位立柱固定在底座上，模具定位立柱上端采用钢筋环向固定，模具定位立柱与底座连成一体，按照横向钢筋间距布置立柱插销。四周采用Ф22 mm间距为20 cm锚固钢筋固定，锚固钢筋与底座之间焊接，将钢筋成片后固定在加工模具上成型。

（3）钢筋笼完成成型，检验尺寸、间距、垂直度等各项技术指标后，采用移动吊机吊装入模。过程中，为保证钢筋笼整体不变形、中间采用支撑架进行固定支撑，待入模后拆除支撑。

1.2.2 防水构件及预埋件入模安装

（1）骨架加工时对管节吊装孔、注浆孔、螺栓孔进行安装固定，入模后根据管节预埋件位置进行微调和进一步固定。

（2）插口钢套环加工完毕后入模安装，将插口钢套环与骨架采用锚固钢筋焊接，确保其牢固地连为一个整体。

（3）检查预埋件位置以及数量是否符合设计要求，检查合格后进行模板合模。

1.2.3 钢套环、钢筋笼吊装技术

（1）首先将焊接完成的承口钢套环外侧刷漆，内侧刷半漆，涂刷完成后，检查质量合格后，利用200 t门吊将钢套环调运入模。

（2）承口钢套环入模完毕后，将承口止水条固定，止水条采用定位卡固定，然后吊运钢筋龙骨架入模，吊运钢筋龙骨架采用水平吊具 10 个吊点吊运入模。

（3）钢筋笼固定完毕后，将承口钢套环与骨架采用锚固钢筋焊接，确保其牢固地连为一个整体。

（4）应选用吊装速度快，整体性强，施工效率高的吊装设备，同时达到平行作业条件，提高施工效率。钢筋笼吊入完毕后，对钢筋笼进行微调，以防保护层过大或过小。

1.2.4 管节模具设计及加工技术

（1）管节模具设计。外模由4片组成，在外模上设置步道及楼梯，方便工人操作。外模设置为利用手动拉杆的方式打开。内模由4片组成，在内模支架上有步道，人可在上部走动。内模支架3与底模固定，利用内模螺杆将内模1内模2内模3内模4与内模支架3连接起来，内模1～4均可向内移动。内模脱模顺序为先收缩内模3内模4，再移动内模1内模2，安装时与脱模顺序相反。内模与外模设有固定拉杆保证成品厚度^[2]。

（2）管节模具加工。模具由型钢、钢板焊接而成，顶部拉结螺杆和支架内可调螺杆将模具调整为管节设计尺寸。模具内焊接位置打磨平整，钢板错台不超过 1 mm。管节台模进场前，测量组对场地预埋件位置以及高程等进行放样，根据承口内、外长净尺寸，对管节重量进行验算，做好底座基础。

（3）台模合模。钢筋笼及钢套环焊接完毕并通过验收后，进行台模合模，首先内模合拢就位，再合拢外模，就位完毕后，对钢筋笼再次校验，保护层合格后，连接上部螺栓，对全部预埋件螺栓以及管节螺栓进行紧固盖板，最后固定凸榫盖板。合模过程中，应注意检查拼缝部位是否粘有杂物，及时清理，保证模具拼装精度。模具螺栓拧紧时采用力矩扳手，首节管节浇筑完毕后为300 N·m^[3]。

1.2.5 预制管节浇捣

（1）采用厂拌预制商品混凝土进行预制，由生产厂家运送至工地现场，因体量较大，以泵送进行入模浇捣。

（2）混凝土严格按照施工配比进行拌和，运输采用3辆以上混凝土输送车连续运输，保证混凝土浇筑不间断施工，并控制总浇筑时间。

（3）由于高标号混凝土起强快，坍落度损失大，搅拌站收集浇筑时间，确保浇筑时混凝土坍落度在（180±30）mm，混凝土的流动性，根据现场坍落度控制为190 mm。

（4）采用分层布料的方式，保证混凝土浇捣均匀，振捣采用70型振动棒逐层匀速顺时针前进，使上下各层之间结合成为一个整体。

1.2.6 混凝土养生控制要点

混凝土养生需严格控制好温度与湿度，养生时间满足后开始由内向外进行脱模，脱模防止碰伤管节混凝土，拆模强度不小于设计强度的30%，根据混凝土试块脱模情况确定管节脱模时间，首节管节脱模时间间隔为12 h。管节脱模后，在管节未吊出前，覆盖土工布，采用水管浇水养护，养护过程中确保土工布始终保持湿润。管节吊出后，放置在管节预制场，采用土工布覆盖，顶部布设一圈水管，进行滴水养护，结合人工养护时间不少于14 d。

1.2.7 管节吊运及存放

（1）管节吊装强度超过设计强度的70%，现场吊出时强度为36 MPa，吊出采用定制水平吊具，钢丝绳与管节之间垫置软橡胶条，避免混凝土损伤。为保证管节施工进度，预制管节需预先准备存放场地，场地应考虑管节的重量，基础应有足够的强度，防止不均匀沉降而导致管节变形、破损等。

（2）对每一段管节按顶进顺序进行编号，注明生产日期、养护日期、结构强度、尺寸等。两段管节之间进行测量尺寸，承插口位置定位对准，保证节段间精准且无缝衔接。

1.3管节吊运技术

超大断面类矩形顶管机需要对配套设备进行全新设计，以满足使用及受力要求。针对吊装系统，目前现有吊装及翻转装置能够满足管节单节重量70 t以内，

本管节单节重量达到135 t，需要考虑吊具吊装强度，通过力学模型分析，保证强度要求情况下，满足轻量化要求。管节通过管节翻身架翻身下井，管节翻身架安装在始发井西边缘，场地硬化时预埋地脚螺栓及钢板，预埋的16块钢板，呈三角形布置，采用M24高强螺栓固定。垂直吊具与管节两侧的6个吊装孔连接，垂直吊具与管节同时翻转，垂直吊具两侧的旋转杆插入翻身架上，完成翻身。管节在地面安装止水密封，涂蜡、安装木垫板后，用水平吊具将管节吊运至翻身架处插销固定，管节翻身架先将管节翻转90°将管节立起来，翻身完成后吊运下井安装。管节翻身流程见图1。

水平吊具长9.1 m，宽7.805 m，型钢焊接而成构件，构件间螺栓连接而成，四角焊接吊耳。吊具销子插入长边的4个吊装孔，完成水平运输。垂直吊具由型钢焊接而成，顶部4个吊耳，吊具销子插入短边的6个吊装孔，完成垂直吊装。

根据管片吊装工况，对垂直吊具进行受力分析和轻量化设计，减轻吊装整体重量。

1.3.1 管节吊运与止退控制

在管节吊运至始发井内前，先将电路、泥浆总管路、水管、通信电缆断开后

方可吊运管节下井。将管节直接吊放到始发台的基座上，定位准确后缓慢推进到

已经安装好的管节靠拢，使凹凸榫对位准确，确保防水圈安装准确，再次把电路、

泥浆总管路、水管、通信电缆接通，随着推进的进行，及时补充延长管线，达到

顶进要求后开始推进^[4]。每环管节推进完成后，主顶油缸及顶铁回缩，机头和管节在前方正面土压力和管节接缝弹性橡胶密封圈反力的作用下会产生后退，甚至造成正面土压失衡，导致地面沉降。通过在始发台两侧安装管节止退装置，在收回油缸前，每侧3根钢销子插入吊装孔卡紧防止后退。止退架6个孔楔子打紧，保证6个均受力，防止管节后退^[5]。

1.3.2 钢结构负环设置

顶管主机出洞时需要始发井负环顶进，现多为混凝土预制管节作为负环，在顶管主机出洞时需要将多个混凝土预制管节以此吊装进入始发井内并顶进，施工过程复杂，且受始发井内部空间限制，在顶进过程中只能在一个预制管节顶进结束后才能将另一端预制管节吊装进入始发井内。同时受施工安全規范的要求，预制管节不能悬停在高空等待顶进，这就导致每次预制管节的顶进都需要花费较长的时间。而每次顶管主机出洞往往需要8～9节负环，施工时间过长。因此，亟需一种具有生产周期短、造价成本低、周转性强、重复利用价值高、易处理等特点的负环来替代预制管节作为负环使用。

本工程采用一种钢结构负环装置，包括多组前后互相可拆卸连接的单环钢结构，每组单环钢结构均滑动连接在固定连接在地面的两个滑轨内^[6]。单环钢结构由钢支架和钢管支撑组成。为有效定位，确保离散钢支撑受力均匀，在钢支架底部设置定位小车，与定位连梁连接，定位连梁在装置中部连接与同一个定位基座。在始发井内同时实现顶进作业和钢结构组装，有效提高了施工效率；同时钢结构具备更高的强度和相对更轻的重量，便于吊装，可拆卸组装的钢结构负环也便于周转使用，损坏或强度下降的零部件可及时更换，在降低成本的同时提高施工效率。钢结构负环装置的使用，有效解决了现有技术在顶进顶管主机出洞过程中混凝土预制管节作为负环造价成本高、生产周期长、后期处理难度较大、处理吊装风险较高、周转性低的问题。

2结语

现场模筑管节采用有效定位及钢模具加工、养护等综合措施，并针对管节大跨、超重特点，设置管节翻身架完成管节吊运，采用止退装置和负环辅助顶进控制，确保了管节施工工艺和成品品质。

参考文献

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[2] 周仲贺，王俊澎.大断面矩形顶管隧道管节角部新型连接施工技术[J].隧道建设，2018，12（12）：2032-2039.

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[6] 沈理斌，张浩，张占胜.三车道矩形顶管隧道应用创新与展望[J].工程管理前言，2021，10（28）：113-117.