管廊明挖盾構施工關鍵技術研究與應用

閆揚義， 肖 威， 楊聚輝， 史 偉， 陳 平

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 中鐵四局集團有限公司， 安徽 合肥 230023)

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，為了解決“馬路拉鏈”問題，告別“空中蜘蛛網”，實現架空線入地和各類城市地下管線統一規劃、建設和管理，國家十三五規劃綱要中提出，要大力推進城市地下綜合管廊的建設工作。

綜合管廊常用的建設方法主要有明挖法、盾構法、頂管法等[1-2]，此外，還有移動模架法、疊合板法等近年來涌現的新工法[3-4]。馬驥等[5]結合上海某矩形雙艙地下管廊建設項目對明挖現澆法的應用進行了總結。揭海榮[6]以廈門市集美新城綜合管廊的建設項目為例，對明挖預制拼裝法的應用進行了研究，并重點介紹了預制綜合管廊拼裝時的精度控制和防滲控制措施。該綜合管廊有2種單艙和1種雙艙共3種截面形式，基坑采用放坡開挖，預制管節采用龍門吊機進行拼裝。王會麗等[7]依托上海市臨港新城綜合管廊建設工程，對比分析了履帶式起重機、門式起重機、移動小車3種管節拼裝方式應用于明挖法預制綜合管廊建設的優劣。該綜合管廊截面為矩形雙艙形式，基坑采用SMW工法樁支護，3種不同的管節拼裝方式各有利弊，應根據不同的施工情況選擇合適的施工方案。肖燃等[8]介紹了盾構法應用于沈陽市地下綜合管廊南運河段項目的工程案例； 李波[9]介紹了頂管法應用于包頭市新都市區中心區綜合管廊項目的工程案例，這是全國首例矩形頂管應用于綜合管廊建設項目； 另外，油新華等[10]介紹了移動模架法在綜合管廊中的應用； 林廣泰等[11]介紹了疊合板法在綜合管廊中的應用。

上述綜合管廊建設的多種方法各自有其優缺點和適用條件。由于綜合管廊大多都是在城市內建設，埋深較淺，綜合考慮成本、效率等因素，目前應用最多的依然是明挖法。傳統的綜合管廊明挖法施工，普遍存在機械化程度低、施工效率不高、環境影響較大等問題，而且無論是明挖現澆法還是明挖預制拼裝法，放坡開挖土方開挖、回填量大，占地面積較大； 基坑支護方式支護費用高昂，對環境影響較大[5, 12-13]。因此，研究提高綜合管廊明挖法施工的機械化水平及新工法具有重要的意義。

20世紀60、70年代，日本曾開發出一種明挖法與盾構法相結合的無刀盤明挖盾構工法(open shield method)，主要應用于箱涵、排水管、明渠等的施工。截至2000年，其成功應用案例已達800多例[14-17]，這種施工工法具有安全、快捷、經濟、環保等顯著優勢，然而在我國鮮有應用。本文在無刀盤明挖盾構工法的基礎上，通過自主創新設計，研制了一種用于管廊明挖的盾構，簡稱“U型盾構”，并成功對其進行了應用。管廊明挖盾構作為一種移動式的支護設備，結合預制拼裝技術，取消了基坑支護或邊坡支護工作，節省了支護費用，同時大大提高了綜合管廊明挖法施工的機械化、自動化程度，更加經濟、高效、綠色、環保，為地下工程尤其是預制裝配式綜合管廊的建設提供了一種新型施工裝備和施工工法。

1 依托工程概況

管廊明挖盾構依托海口市椰海大道綜合管廊建設項目進行工業試驗，項目位于海口市秀英區椰海大道西延段中央綠化帶下方，如圖1所示。

圖1 椰海大道綜合管廊建設項目概況(單位： mm)

綜合管廊標準管節斷面如圖2所示，標準管節設計為雙艙管廊。考慮到運輸因素，管節采用上、下分半的形式，上半節管片質量約30 t，下半節管片質量約31 t。

圖2 標準管節斷面圖(單位： mm)

管廊明挖盾構試驗段頂部埋深3.5 m，盾構穿越地質主要為素填土、雜填土、黏土、粉質黏土，地下水位深3～5 m，如圖3所示。

圖3 綜合管廊試驗段地質剖面圖(單位： m)

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

2 設計關鍵技術

2.1 結構設計

管廊明挖盾構結構如圖4所示，盾體截面呈“U”形，因此簡稱“U型盾構”。整機主要包括前盾、中盾、尾盾、內部橫撐、頂推系統、鉸接系統、輔助裝置、電力系統、液壓系統等。

圖4 管廊明挖盾構結構示意圖

前盾、中盾、尾盾盾體均采用模塊化組合拼裝式結構設計，分別由多塊結構通過螺栓連接組成一個整體。盾體之間采用鉸接油缸連接，盾體內部安裝有內部橫撐，用以增加盾體的強度和剛度； 頂推油缸安裝在中盾盾體內； 主控室、液壓系統、電力系統、輔助裝置等均安裝在盾體的內部橫撐上，為整個設備提供動力源。

2.2 前盾插板和推板

管廊明挖盾構前盾兩側設計有可伸縮式插板，底部設計有可伸縮和俯仰的推板。插板裝置由油缸驅動，可以單獨伸出，用于將基坑兩側墻的土體切削平整，并對兩側墻土體形成一定的超前支護。插板伸出長度的設計既要考慮滿足前方掌子面放坡開挖的穩定性，同時也要兼顧前盾的重心位置，保證前盾不會發生栽頭現象，插板伸出的長度一般設計為1～1.5 m。推板裝置由2組油缸驅動，其中1組油缸用于控制推板伸出和縮回； 另1組油缸用于控制推板繞1根固定的轉軸上下俯仰，使之與水平面形成±5°的夾角，如圖5所示。推板裝置主要用于控制底面標高，并輔助調節盾構的姿態。

圖5 推板裝置

2.3 盾體支護受力模式分析

管廊明挖盾構在斷面上可以看作1個由兩側盾體、底板和內部筋板共同構成的U型鋼架結構。盾體兩側抵抗土體的鋼板表面可以視為是垂直光滑的，另外，兩側盾體在支擋土體時是剛性的，不考慮其自身的變形，可認為管廊明挖盾構施工時的受力狀態符合朗肯土壓力理論的基本假設[18]。

假定基坑開挖深度為H，基坑寬度為B，管廊明挖盾構總質量為G，土的天然重度為γ，結合盾構實際施工時穿越的地質情況，采用水土合算原則計算盾構兩側所承受的水土壓力，則盾構的受力分析如圖6所示。盾構兩側受水土壓力作用，底部受均布的地基承載力作用。

水土壓力合力

(2)

圖6 管廊明挖盾構受力分析示意圖

3 施工關鍵技術

3.1 施工流程

管廊明挖盾構施工和施工工序分別見圖7和圖8。施工時，采用挖掘機明挖土方，盾構前方的掌子面要根據地質情況進行放坡開挖，如圖7所示。基坑較深時，則需要進行分層放坡開挖，防止土體坍塌； 地質條件較差，土體自穩性較差時，還需要提前對土體進行一定的支護或超前加固作業。另外，挖掘機在開挖基坑兩側和底部的土體時，均進行一定程度的欠挖。由盾構前盾上的插板裝置和推板裝置負責精確控制整個開挖輪廓，盾構作為一種移動式的支護設備，起到地下擋土墻的作用，對兩側墻土體形成臨時支護。一般情況下，挖掘機一邊開挖，位于中盾盾體內的頂推油缸作用到盾構后方已經拼裝好的管節上，推動盾構一邊同時向前推進。盾構推進完成后，測量底面標高，澆筑素混凝土墊層，平整地層并增加地層的承載力，之后位于盾構側后方的履帶吊將預制好的管片從盾構尾盾上部的開口處吊入，進行定位、拼裝。待管片吊裝到位之后，使用螺栓或鋼絞線將相鄰的2環管片連接起來，并張拉緊，保證管片之間橡膠止水條的密封可靠性。如此，盾構便可以繼續進行下一環管片的推進。管廊內部安裝有激光導向系統，用于實時監測盾構的位置姿態，為盾構的推進精準導航。

圖7 管廊明挖盾構施工示意圖

圖8 管廊明挖盾構施工工序

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

3.2 管節的防水與抗滲

管廊明挖盾構施工時，管節接縫處的防水抗滲處理是施工中的關鍵技術之一，直接影響到管廊整體的建造質量和使用壽命。一般情況下，若地下水較少，則可以在上下管片之間和相鄰管節之間設置2道遇水膨脹的橡膠條，相鄰管節之間的接縫外側貼1道防水卷材作為外密封。此外，相鄰管節之間還可以設計1道注漿環槽，在管節之間出現滲漏時，可以向該環槽內填充密封材料以加強管節之間的密封[21]。若地下水豐富，則可以借鑒盾構法施工的原理，將盾尾底部和兩側封閉，并在管節壁后分2次進行注漿作業，以填充管節和地層之間的間隙[22]，如圖9所示。在此次管廊明挖盾構試驗工程中，結合實際工程地質和水文地質條件，只在局部含水量較大的區間對已拼好的管廊進行了壁后注漿作業，其余區間盾尾均為敞開狀態。

4 工程應用情況

2017年9月，管廊明挖盾構在海口地下綜合管廊試驗段正式始發，如圖10所示，這是管廊明挖盾構及其施工工法在國內綜合管廊建設領域的首次應用[23]。

管廊明挖盾構在海口施工期間，工程前期由于管節斷面尺寸較大，且采用分塊設計，管片拼裝、張拉、墊層施工等工序耗時較長，總體施工進度平均1～2環/d，后期隨著對設備和工藝的掌握與操作熟練化，平均施工1環用時4～6 h，單日最快施工4環，共7.2 m。各工序施工用時統計如表1所示。

圖9 管節壁后注漿

管廊明挖盾構在施工期間總推力的變化曲線，如圖11所示。盾構在第44—72環穿越了1個特殊節點段，在特殊節點段，基坑兩側預先施作了SMW工法樁，盾構穿越時，兩側不受水土壓力作用，因此總推力不超過500 kN，其余階段均為標準管節正常施工階段，總推力保持在2 500～3 000 kN。圖12示出管廊明挖盾構在施工期間俯仰角和滾動角的變化曲線，盾構在穿越特殊節點段時設計有1個1°的下坡段，因此在第44—72環盾構的俯仰角在1°左右變化，其余階段均為正常水平推進階段。

圖13示出管廊明挖盾構施工完成的管廊實景，從圖中可以看出，管廊明挖盾構及其施工工法在此次試驗段的施工中，整體施工質量較好，證明了該設備及其施工工法的創新性和可行性。

表1管廊明挖盾構施工用時統計

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

序號工序平均用時/h備注1基坑開挖1.52插板清邊0.53整體推進14側隙回填1序號1—4工序同步進行5墊層施工1.56管節吊裝1.57管節張拉1.5序號5—6工序順序進行

圖11 盾構總推力變化曲線

圖12 盾構俯仰角和滾動角變化曲線

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

(a) 高壓艙

(b) 綜合艙

圖13管廊實景圖

Fig. 13 Photos of utility tunnel

5 結論與討論

基于傳統明挖法施工的不足，借鑒盾構法在盾殼內進行管片拼裝的原理，提出了一種應用于綜合管廊明挖法施工的新型盾構和施工工法，并以海口市椰海大道綜合管廊建設項目為依托，對管廊明挖盾構的施工關鍵技術進行了研究，主要結論如下。

1)介紹了管廊明挖盾構的結構特點和工作原理，建立了盾構盾體的受力分析模型，結合工程應用，總結了管廊明挖盾構的施工工序、管節的防水抗滲技術措施等，可為今后類似的工程設計和應用提供借鑒和參考。

2)管廊明挖盾構及其施工工法取消了傳統明挖法施工的基坑支護或邊坡支護，提高了綜合管廊明挖法施工的機械化、自動化程度，節省了支護成本，縮短了施工工期，減少了對周圍環境的影響，經濟性顯著，設備及施工工法均具有較高的推廣應用價值。

3)在工程應用中發現，預制管節斷面尺寸較大，且采用分塊設計時，管片的拼裝、張拉工序耗時較長，通過完善盾構管節拼裝、張拉、墊層施工等工序的施工工藝，并進一步優化盾構的鉸接系統設計，還可以大幅提高管廊明挖盾構的總體施工效率。管廊明挖盾構管廊斷面小、管節整體預制、施工寬度范圍小，在城市老城區等空間狹窄地帶應用起來可能會更靈活、更具優勢。

4)管廊明挖盾構為城市地下綜合管廊的建設提供了一種新型施工裝備和施工工法，但是也有其自身的適用性和優缺點。盾構施工過程中如何處理局部硬巖地層、富水砂性地層等不良地質條件，以及盾構是否能夠自身具備土體開挖、轉運、回填功能等還有待進一步研究、驗證。

因此，雖然管廊修建工法是成熟、多樣的，但管廊斷面是變化的，在選擇管廊修建工法時，還需要結合實際工程的規模、特點、工程地質與水文地質條件、道路交通及埋設管線情況、工程造價承受能力等具體分析，選擇合適的修建工法。