某U型盾构装配式预制综合管廊研究及设计

赵光辉 祁琛

1.天津市政工程设计研究总院有限公司 300392

2.天津津建工程咨询有限公司 300143

引言

传统整节段预制拼装综合管廊，是将管廊结构沿纵向拆分为标准长度的预制管节，通过预应力张拉或者螺栓连接使其形成整体，达到结构强度和防水性能等要求。施工时将工厂生产的预制管节运至现场后，采用履带吊或者天车吊装，逐段拼装而成为整体结构。由于基坑支护或放坡开挖坡顶限载，使得施工占地增加，吊装设备距离加长，影响管廊安装精度。U 盾顶进整节段预制拼装综合管廊，可达到开挖和移动支护、管节精准拼装、同步回填一体化施工，具备占地小、开挖少、效率高、安全高效、绿色环保等优势。国内外已有U 盾施工相关研究及工程案例。

项越以我国首例采用U型敞口盾构施工的海口管廊项目为例，利用Midas／GTXNX 有限元软件分析研究了U型敞口盾构施工过程对周围土体扰动、土体变形及围护结构变形的影响［1］。王全胜等介绍了U型盾构工法的原理、适用范围、工艺流程、操作要点和节点处理，对比U型盾构与传统明挖支护结构的受力特点和对周边环境的影响，分析U型盾构适用范围及其工法优势，通过海口市椰海大道管廊试验，验证了该工法在明挖综合管廊施工中的进度优势、经济优势和推广应用价值，探讨该工法在小曲线半径、矩形或U型断面工程以及明挖框架结构工程中的应用前景［2］。

本文针对雄安新区某整节段预制拼装综合管廊U型盾构施工进行相关设计计算，对垫层及侧缝回填材料通过试验确定其合理配比，并计算了橡胶密封胶条的密封压紧力及U盾施工需要的总推力，确保工程顺利实施。

1 工程概况

雄安新区某综合管廊位于启动区最南端，全长5.21km，横跨启动区东西两侧，与起步区首尾相连，是启动区主干城市管线大动脉，承接着整个启动区，尤其是南部区域的电力、燃气、通信、给水等城市生命线管网。该项目为新区重要基础设施建设项目。其中预制段长度2km，预制管廊为双舱8m ×4.5m ×3m（单节重量85.6t）与三舱11.1m×4.5m×3m（单节重量115.6t）两种断面。

场地地势平坦，管廊挖深8m ～9m，如图1所示地基持力层位于②4、②5-1、②5一般沉积粉质黏土，地基承载力特征值为120kPa、130kPa、140kPa。地下水位于坑底以下1.0m。

图1 工程地质剖面Fig.1 Engineering geological profile

采用U 盾顶进整节段预制拼装综合管廊施工。如图2 所示U盾采用盾壳支护的原理实现移动支护，U型盾构主要分为预开挖、核心土开挖、U盾切土前移、地基检测、垫层摊铺、管节拼装、侧缝回填等六个主要工序。

图2 预制管廊断面图Fig.2 Assembled concrete utility tunnel

管节采用10.9 级高强螺栓连接，如图2 所示两舱管廊沿腋角设置8 个螺栓，三舱管廊沿腋角设置12 个螺栓。预制标准段与现浇节点设置湿接缝衔接。预制管廊之间设两道三元乙丙弹性橡胶密封条［3］，平口连接。

2 垫层及侧缝回填

2.1 垫层设计

由于天然地基可以作为持力层，垫层只满足找平层的作用即可。U 盾自带推土板，能够保证基底平整度，本项目采用中粗砂垫层（内掺水泥粉）。砂垫层掺和干水泥粉，垫层板结后具有一定阻水性能。对不同配比下渗透系数进行试验，试验参数见表1。

表1 垫层配比试验参数Tab.1 Parameter for cushion ratio test

由表1 可知，砂垫层掺和干水泥配比按照水泥∶砂＝1∶6，后期板结后渗透系数为1.1 ×10-9cm／s，远小于原状土层渗透系数1×10-5cm／s，根据岩土体渗透性分级K＜10-5cm／s 属于极微透水，可有效阻止底板接缝处地下水向管廊内渗漏。

2.2 侧缝回填

U盾壳体两侧与装配式管廊净距约0.5m。管廊安装后，侧缝采用速凝液态土进行回填。速凝液态土具有流动性好、硬化快、低渗透、后期易挖掘的性能特点。利用原位取土，添加水泥、粉煤灰、减水剂、水玻璃等外加剂拌制速凝液态土，实现侧缝快速回填，保证已安装管节的边坡稳定，同时具备一定的阻水效果。由表2 可知，水玻璃掺量按照原位土∶水玻璃＝1∶0.0039 时，渗透速率降低至3.7 ×10-9cm／s，可有效阻止侧墙接缝处地下水向管廊内渗漏。

表2 速凝液态土配比试验参数Tab.2 Parameter for fluidized solidified soil ratio test

3 U盾推力计算

3.1 密封压紧力计算

管节采用平口连接，管节间缝宽15mm；设两道防水凹槽，深度12mm；凹槽粘贴两道梯形、多孔复合弹性橡胶密封胶条，厚度为45mm，两道橡胶密封条之间预留DN10 钢管压浆孔，施工时做闭水试验，后期作为防水注浆封堵孔。见图3、图4。

图3 弹性橡胶密封条Fig.3 Elastic rubber sealing ring

图4 管廊接口Fig.4 Iterface of utility tunnel

弹性橡胶密封条为三元乙丙橡胶复合密封胶条，其压缩率＝（原尺寸-压缩后尺寸）／原尺寸＝（45 -15 -12）／45 ＝40%，即压缩量为18mm，压缩应力为0.37MPa ～1.52MPa，能够满足0.15MPa水压（最高工作水头1.5 倍）要求的防水效果。根据《城市综合管廊工程技术规范》（GB 50838—2015）8.5.7 条规定，预制拼装综合管廊拼缝防水应采用弹性密封条为主要防水措施，弹性密封条的界面应力不应低于1.5MPa。通过弹性密封垫的界面应力可计算出其需要的密封压紧力，计算过程如表3 所示。其中，密封胶条截面受力P1＝L·A，管节与地面摩擦力P2＝G0·μ0，μ0为混凝土与土体摩擦系数，μ0＝0.6。

表3 密封压紧力计算Tab.3 Parameter for sealing pressure calculation

3.2 U盾总推力

根据开挖要求，U 型盾构机设计断面宽8500mm（双舱）、11600mm（三舱），高5640mm，总长17100mm，双舱断面重405t，三舱断面总重440t。U盾穿越②4粉质黏土层，将土体看作均质的弹塑性体，采用有限元对盾构机底部欠挖土体切削反力进行模拟计算，计算参数见表4。

表4 U盾顶推土层物理力学参数Tab.4 Material parameters of soil

具体计算公式如下：

1.盾构机底部摩擦力F1

2.盾构机侧壁摩擦力F2

3.盾构机两侧欠挖土体切削反力F3

计算模型见图5，计算如下：

图5 侧部欠挖土体切削反力计算模型Fig.5 Broadside model of cutting reaction force of underexcavated soil

（1）欠挖土体破裂滑动面长度计算

欠挖土体在插刀切削力作用下，土体受到被动土压力，土体破裂滑动面与临空面平角为45° ＋φ／2（φ为土体内摩擦角）。

欠挖土体厚度X＝500mm，经计算，破裂滑动面长度L＝500／cos60° ＝1000mm ＝1.0m。

（2）土体抗剪强度计算

根据库仑定律，土体的抗剪强度为τ ＝c＋σtanφ，其中c为土的黏聚力，σ 为土体受到的法向应力。

（3）侧墙欠挖土体能够提供总推力计算

单侧侧墙欠挖土体高度为4m，故侧墙欠挖土体能够提供的总推力为F3＝τ×4 ×1 ×2 ＝24t。

4.盾构机底部欠挖土体切削反力F4

计算模型见图6，采用有限元进行计算，假定底部欠挖土体高度Y＝1m，计算结果如图7、图8 所示。

图6 底部欠挖土体切削反力计算模型Fig.6 Bottom model of cutting reaction force of underexcavated soil

图7 位移云图（单位： mm）Fig.7 Displacement nephogram（单位：mm）

图8 塑性应变云图Fig.8 Plastic strain nephogram

由图7、图8 可知，滑裂面贯穿至台阶前方约1.8m处，土体发生破坏时所需的顶推力约为176.8t，取安全系数1.25，则F4＝176.8／1.25 ＝141.4t。

综上，U盾总推力计算结果如表5 所示。

表5 U盾顶推力计算结果Tab.5 Parameter for U-shield force calculation

施工时，U 盾共设12 ～16 根顶推油缸（顶推力30t ～80t／根），满足密封胶条界面应力要求。通过U盾油缸压力控制，能够达到管节均匀受力。

4 结语

本文针对雄安新区某整节段预制拼装综合管廊U盾施工进行相关设计计算。针对垫层及侧缝回填设计，采用试验确定合理配比。砂垫层内掺干水泥，确保垫层遇水板结后渗透系数达到极微透水，有效阻止底板接缝处地下水向管廊内渗漏。侧缝回填采用拌制速凝液态土，原状土添加水泥、粉煤灰、减水剂、水玻璃等外加剂。实现侧缝快速回填，保证已安装管节的边坡稳定，同时具备一定的阻水效果。

本文计算了橡胶密封胶条的密封压紧力及U盾施工需要的总推力，U 盾总推力确定是保证工程顺利实施的关键。欠挖土体能够提供的总推力计算较为复杂，尤其是盾构机底部欠挖土体滑动破裂面难以确定。本文利用有限元软件对U型盾构机底部欠挖土体切削反力进行了数值模拟分析，充分考虑土层的弹塑性材料特性，对土体能够提供的总推力作准确计算。