長節段大噸位預制綜合管廊施工工藝研究與應用
——以雄安新區裝配式綜合管廊項目為例

歐陽效勇， 霰建平， 朱 力， 單宏偉， 王剛鋒

(1. 中交第二公路工程局有限公司， 陜西 西安 710065； 2. 中交二公局工程設計研究院，陜西 西安 710065； 3. 中交二公局第六工程有限公司， 陜西 西安 710065； 4. 長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室， 陜西 西安 710064)

0 引言

傳統城市市政管線的直埋或管溝方式相互爭奪有限的地下空間，給城市發展帶來諸多問題，如市政管線因檢修、增容而造成反復開挖城市道路、浪費地下管線位置資源、工程事故頻發等[1]。為了解決這一問題，城市綜合管廊應運而生。

目前，國內在建和投入使用的綜合管廊主要分為現澆和裝配式(預制)2種[2]。現澆是應用較為廣泛的傳統施工方式，其施工方法簡單，技術趨于成熟，施工造價和運營費用較低，但施工周期長，易受天氣影響，易造成噪聲、粉塵和廢棄泥漿等環境污染[3-4]； 裝配式綜合管廊對施工技術要求較高，需要有較大規模的預制場和大噸位的運輸及吊裝設備，但在施工工期、結構質量、環境保護和綜合效益等方面均具有明顯優勢[5]。考慮到依托的雄安新區綜合管廊項目中管廊節段具有橫斷面長、噸位大等特點，為了提升地下管廊建設的質量、效率和環保性，并為長節段大噸位整體式預制拼裝綜合管廊建造工藝的推廣應用提供技術基礎，本工程選擇預制裝配式綜合管廊施工技術。

預制裝配式施工技術已在工程實踐中得到快速發展。呂剛等[6]針對京張高鐵清華園隧道建設，采用盾構管片及軌下結構快速精準拼裝技術，相較于現澆混凝土結構施工效率提高30%，具有更好的施工質量和作業環境，而該項目是針對盾構遂道施工； 蔡清程[7]提出一種基于長線法匹配的管廊預制與拼裝關鍵技術，采用液壓頂推工藝進行相鄰管廊節段的分離，及三向微調變頻門機完成管廊節段拼裝； 林亞杰[8]、王研等[9]建立了全預制管廊不均勻沉降引起的結構沉降差與張力控制應力模型，研究了管廊豎向和彎曲位移對橡膠界面應力的影響，推導出滿足結構防水要求的臨界張拉力； 盧辰等[10]研究發現，預制拼裝綜合管廊的縱向拼縫通常為其薄弱部位，低烈度的地震作用下預制拼裝綜合管廊具有較好的抗震性能，但該項目管廊節段長度、橫斷面和橫向跨度相對較小； 趙志紅[11]、韓向科等[12]研究了底板、墻板和頂板3種預制構件現場疊合裝配與現澆混凝土結合成型的管廊主體結構施工技術； 張銓婧等[13]開展了預制綜合管廊橡膠密封墊壓縮試驗及有限元數值模擬，針對橡膠密封墊壓縮度、開槽面積和開孔面積對接觸應力及裝配力的影響進行了研究，但尚缺少工程實踐驗證。

綜上，目前雖然已有相關單位及學者開展了預制綜合管廊施工設備研發及創新工藝的研究，但裝配式綜合管廊斷面尺寸相對較小、節段較短，一般單節為2～3 m，造成管廊拼縫多，不利于防水且造價較高，限制了裝配式綜合管廊的推廣應用[14]。而長節段、大噸位裝配式綜合管廊由于施工技術及大型專業成套設備尚不成熟，制約著其大力推廣，且直接關系到裝配式綜合管廊的快速發展。

本研究依托雄安新區長節段大噸位裝配式綜合管廊工程建設需求，提出基于廊上運廊及廊上架廊技術的預制綜合管廊架設安裝施工工藝方案，研制一套管廊架設安裝設備系統，以保證預制綜合管廊節段的吊裝穩定性和安裝精度，實現大噸位整體式裝配綜合管廊的安全高效架設。

1 依托工程概況

該長節段大噸位整體式裝配綜合管廊項目是雄安新區基礎設施建設的重點示范工程，位于河北省雄安新區啟動區NA8路。如圖1所示，該項目的預制綜合管廊為4艙結構，包括1個燃氣艙、1個綜合艙和2個電力艙，截面尺寸為13 m×4.2 m，標準節段長度為8 m，節段質量為402 t，是目前國內外預制管廊施工中單節段規格和質量最大的綜合管廊。

圖1 預制綜合管廊示意圖(單位： m)Fig. 1 Schematic of prefabricated utility tunnel (unit： m)

該項目具有如下特點： 1)目前國內外最大橫斷面、最大節段長度、最大節段噸位的預制綜合管廊工程； 2)國內首次創新采用廊上架廊工藝的綜合管廊工程； 3)預制管廊節段長、噸位大，對管廊吊裝、運輸以及架設安裝等工藝要求較高。預制管廊標準節段長、噸位大，這為管廊吊裝、運輸以及架設安裝過程中管廊節段吊裝的穩定性、架設效率及安裝精度控制等帶來技術難題； 同時，現有的工程裝備難以滿足施工技術要求。因此，有必要開展長節段、大噸位裝配式綜合管廊施工技術創新研究和大型成套設備研制，以解決當前施工技術難題。

2 預制綜合管廊施工工藝

本研究提出采用廊上運廊及廊上架廊施工工藝進行綜合管廊架設，管廊全長共142節，架廊機可架設4 m和8 m節段管廊。預制綜合管廊整體施工工藝流程如圖2所示。

圖2 預制綜合管廊整體施工工藝流程Fig. 2 Construction technology process of prefabricated utility tunnel

項目采用工廠化、標準化、機械化的施工工藝，先在預制廠進行節段預制，再進行轉運和現場架設安裝，在提升管廊質量的同時，實現了基坑開挖和管廊預制并行施工。針對長節段大噸位預制綜合管廊施工，分別對施工準備工作、管廊始發段施工工藝、管廊標準節段施工工藝以及預應力張拉施工工藝進行研究，包括提廊機、運廊車、架廊機和預應力智能張拉儀等智能機械化設備的協同作業，用于預制管廊節段的提升、轉運、架設和預應力張拉等施工工藝，以提升機械化作業的施工效率和質量。

2.1 管廊施工設備概述

2.1.1 450 t輪軌式提廊機

提廊機是為預制管廊吊裝而研發設計的一種通用輪軌門式起重機。項目配置2臺450 t輪軌門式提廊機(見圖3(a))，可配合抬吊預制管廊，2臺同時起吊的質量可達900 t，且配置支腿行走、天車行走及吊具等設備，可實現機械化動作，用于預制綜合管廊的起吊和安裝。起重天車和行走機構運行速度低，以提高管廊定位精度和減少對提廊機結構的沖擊； 提廊機內部空間要足夠大，以滿足吊運管廊和架廊機拼裝；此外，主體鋼結構在滿足強度、剛度、穩定性前提下，考慮拆裝運輸方便，以及采用2臺吊運預制管廊時要滿足2臺提廊機同步運行。

(a) 提廊機

(b) 運廊車及架廊機圖3 長節段大噸位預制綜合管廊主要施工設備Fig. 3 Construction equipments of long-section and large-tonnage prefabricated utility tunnel

2.1.2 TLC600運廊車

項目配置TLC600運廊車1臺(見圖3(b))，采用立式橫向運輸大噸位綜合管廊節段，滿足管廊安裝的轉場作業要求。運廊車長度為29.6 m，寬度為6.9 m，最大運輸質量為600 t。該運廊車采用液壓驅動、各行走橋液壓懸掛升降、獨立轉向以及車架液壓升降調平，并采用工業級微機來控制驅動、轉向、升降和調平，能夠實現直行、斜行、八字轉向、半八字轉向等多種運行模式。

2.1.3 TLJ600架廊機

架廊機的主要作用是管廊預制完成后，通過專用運廊車轉運至施工場地，然后利用架廊機精確架設安裝至預定位置。針對雄安新區長節段大噸位裝配式管廊項目，為了解決架廊機吊裝大噸位物體因重心過高導致的穩定性問題，以及管廊彎曲變形和吊裝精度等問題，本項目設計研發了TLJ600架廊機(見圖3(b))，減小行走裝置的跨度和增加回轉裝置來實現不同位置擺放的需求，提高施工效率，延長起重天車使用壽命和保證運輸精度。

TLJ600架廊機總長55 m，由主縱梁、前支腿、中支腿、后支腿、起重能力600 t的天車及吊具組成。前支腿底部設置4 m×10.5 m矩形底托支立于15 cm厚混凝土墊層上，中、后支腿支撐于管廊腹板及內隔墻上； 架廊機后支腿具備橫向側移功能，以便運廊車進出架廊機下方。

2.1.4 預應力智能張拉儀

在管廊安裝完成并精確定位后，采用鋼絞線進行預應力的張拉，為密封膠接面提供壓力，使得預緊張拉力與管節間隙同時滿足設計要求。預應力張拉系統由張拉千斤頂、智能高壓油泵站、壓力傳感器、位移傳感裝置、變頻器、智能張拉系統和無線傳輸系統等組成，可同時控制2臺張拉千斤頂同步張拉工作，保證張拉平衡。

2.2 管廊節段預制及運輸

管廊預制場整體布局如圖4所示。根據項目建設總體施工規劃，施工前需要進行管廊預制，預制場主要布置為2條線和3大區，包括鋼筋綁扎區、管廊澆筑區及管廊存放區。鋼筋綁扎區由2個鋼筋廠房和4套鋼筋籠綁扎胎架組成； 管廊澆筑區由2套8 m液壓模板和8套4 m模板組成； 管廊存放區按雙層存廊設計，可存放管廊32片。

圖4 管廊預制場整體布局Fig. 4 Layout of prefabrication plant of utility tunnel

2.3 管廊架設安裝施工工藝

2.3.1 管廊始發段施工

考慮到在始發段管廊頂架設架廊機以及安置運廊車需要的工作空間，始發段設計為1#—14#節段。首先，進行基坑土方開挖并采用拉森Ⅳ型鋼板樁支護； 然后，進行提廊機基礎施工及提廊機安裝和調試施工，通過2臺450 t輪軌門式提廊機對始發段1#—14#節段進行架設安裝；最后，在管廊頂進行架廊機整體拼裝，完成始發段施工。主要工藝流程如下。

2.3.1.1 流程1： 管廊1#—14#節段施工

圖5為管廊1#—14#節段施工示意圖。

圖5 管廊1#—14#節段施工示意圖Fig. 5 Schematic of #1～14 segments construction

1)在管廊始發段安裝2臺450 t輪軌門式提廊機，利用運廊車橫向運廊至始發段并位于2臺提廊機之間；

2)預制管廊設計采用C20混凝土作為基底墊層，厚度為15 cm，墊層頂面設置φ6.5 mm@200 mm的網格狀鋼筋網片；

3)為保證管廊與基礎表面接觸密實，管廊底部與墊層間采用干砂+后注漿處理方式，鋪設的墊層材料為細砂，形成干砂找平層；

4)采用運廊車將管廊橫向轉移到提廊機下，用2臺450 t輪軌式提廊機將待安裝管廊向已安裝節段靠近，使得2節管廊間距偏差及軸線偏差均小于3 cm，完成初調定位；

5)采用專用管廊調姿車實現管廊節段間橫向精確定位，調整管廊頂面2條標識線起點和終點位置的偏距值，直至偏距值滿足安裝要求；

6)管廊軸線精確定位后，先下落至墊層，預壓砂墊層，再啟動天車，提升管廊至即將離地(≤1 mm)，然后進行鋼絞線穿孔并完成張拉預緊工作；

7)按照上述流程依次安裝1#—14#節段，共計64 m。

2.3.1.2 流程2： 架廊機安裝及調試

圖6為架廊機安裝及調試示意圖。在完成始發段管廊安裝后，將架廊機整機分解為散件運輸至施工現場，在管廊頂進行架廊機的整體安裝。

圖6 架廊機安裝及調試示意圖Fig. 6 Schematic of installation and commissioning of erecting tunnel machine

1)利用2臺450 t 輪軌式提廊機拼裝架廊機前中后支腿、主梁及天車(此時后支腿處于5#、6#預制廊段頂面)，架廊機安裝完成后通過軌道空載滑移8 m到達標準節段安裝位置；

2)利用2臺450 t 輪軌式提廊機在1#—7#廊段頂面安置輪軌式運廊車；

3)利用2臺450 t輪軌式提廊機提廊，將廊段放置于運廊車上；

4)完成始發段施工后，準備廊上運廊和廊上架廊施工。

2.3.2 管廊標準段施工

完成管廊始發段施工后，進行管廊標準段施工。采用2臺450 t輪軌門式提廊機進行管廊節段轉運，利用運廊車廊上運廊、架廊機架廊，單次可架設2個管廊節段，架廊機單次行走距離為16 m。其中，墊層施工流程同始發段。管廊標準段施工工藝流程如下。

2.3.2.1 流程1： 管廊n#節段施工

圖7為管廊n#節段施工示意圖。

圖7 管廊n#節段施工示意圖Fig. 7 Schematic of #n segment construction

1)利用梁場運廊車和2臺450 t輪軌門式提廊機進行n#節段轉運，輪胎式運廊車廊頂運送管廊，使天車移至中支腿和前支腿之間，架廊機后支腿保持側移狀態；

2)運廊車行駛至中支腿和后支腿之間，側移的后支腿恢復至閉合狀態，起重天車移動至后支腿和中支腿之間，并連接吊具與管廊間的連接器；

3)管廊運輸至前支腿與中支腿之間，利用天車回轉吊裝系統，將管廊旋轉90°，隨后進行落廊操作，利用管廊調姿車使管廊精確對位，并進行預應力張拉；

4)安裝完成后，天車保持在中支腿與前支腿之間，打開后支腿，運廊車駛出架廊機。

2.3.2.2 流程2： 管廊(n+1)#節段施工

圖8為管廊(n+1)#節段施工示意圖。

圖8 管廊(n+1)#節段施工示意圖Fig. 8 Schematic of #(n+1) segment construction

1)安裝完n#節段管廊后，天車保持在中支腿與前支腿之間，后支腿側移，輪軌式運廊車駛出架廊機；

2)按照管廊n#節段施工步驟，進行管廊(n+1)#節段施工。

2.3.2.3 流程3： 架廊機行走

圖9為架廊機行走示意圖。

圖9 架廊機行走示意圖Fig. 9 Schematic of tunnel erecting machine walking

1)管廊(n+1)#節段安裝完成后，運廊車移出，后支腿側移回受力狀態，將天車后移；

2)鋪設滑移軌道，前支腿懸起；

3)架廊機前移16 m；

4)天車后移，后支腿側移，準備進行其余標準節段安裝施工。

2.4 預應力張拉施工

待預制廊段安裝完成、初步和精確定位后，采用智能張拉設備進行預應力的張拉，使得被施加預應力張拉管廊節段之間承受壓應力，為止水帶的密封膠接面提供界面壓力，以滿足管廊接頭拼縫處止水帶防水性能要求。

如圖10所示，預制管廊節段包括燃氣艙、綜合艙和2個電力艙，每個艙布置4個預應力張拉孔位，共16個張拉孔。管廊節段預應力張拉設計要求單個管節斷面共設置14束預應力，預應力筋采用2φ15.2 mm無黏結預應力鋼絞線。管節拼裝應確保接縫密閉、均勻，并且保證管節拼裝后彈性遇水膨脹橡膠條界面應力不小于1.5 MPa。預應力張拉施工工藝流程如下。

圖10 預制廊段預應力布置斷面示意圖(單位： m)Fig. 10 Schematic of prefabricated tunnels prestress arrangement (unit： m)

2.4.1 流程1： 預應力材料檢驗

1)預應力筋進場時，抽取試件進行抗拉強度、伸長率檢驗；

2)對預應力筋用錨具、夾具和連接器進行外觀檢查，其表面應無污物、銹蝕、機械損傷和裂紋；

3)預應力張拉時，對節段混凝土強度進行檢驗，同條件養護的混凝土立方體抗壓強度應符合設計要求。

2.4.2 流程2： 預應力張拉施工

圖11為預制廊段預應力張拉施工示意圖。

圖11 預制廊段預應力張拉施工示意圖Fig. 11 Schematic of prefabricated tunnels prestress tension

1)待預制廊段安裝完成，進行初步和精確定位；

2)采用全斷面同時預應力張拉，通過同步張拉使每處張拉孔張拉力達到70 kN，停留2 min； 分5級張拉鋼絞線，每級按照40 kN增量施加，至單孔張拉力達270 kN； 在張拉過程中測量拼縫寬度，直至預緊張拉力達到3 780 kN或達到45%的止水帶壓縮率(拼縫寬度13 mm)；

3)選擇45 t預應力張拉設備，預應力筋的張拉力應為張拉千斤頂額定張拉力的1.5倍，且不得小于1.2倍；

4)預應力張拉應遵循對稱、平衡張拉的原則。

特別說明，額定預緊張拉力等于止水帶壓縮45%時所需的界面壓力，計算公式為F=l×B×σ(式中：l為止水條長度；B為止水條寬度；σ為界面應力，取1.5 MPa)。

2.4.3 流程3： 閉水試驗

管廊拼裝就位后，需要對管廊接頭拼縫處止水帶進行防水性能測試。實施過程如下：

1)管節拼裝就位后，安裝張拉鋼絞線，給密封膠條施加壓力，保證接縫寬度不大于15 mm；

2)在設定的注水口位置安裝注水裝置，排水口位置安裝排水閥，并調節好水壓表；

3)通過管廊底部注水口向止水帶內注水，注水期間打開排水口，待排水口有水流出時，則止水帶內滿水，關閉排水閥，繼續向止水帶內部注水，待排水口處的水壓表讀數達到設計水壓0.15 MPa時，關閉進水閥；

4)按設計要求進行防水試驗，觀察止水帶是否出現漏水，保壓10 min，期間觀察水壓表及止水帶情況，若水壓表壓降小于10%，且止水帶5 min內無噴水和順墻漏水，則防水試驗合格。

2.4.4 流程4： 廊底注漿

1)為測量管廊廊底與混凝土墊層間的密貼性，初次吊放后、注漿前進行第1次沖擊回波法密貼性測試；

2)吊放管廊至砂層上穩定后，利用底板預留的注漿孔向廊底與基底墊層間的找平層內注漿，注漿壓力取2 MPa左右，注漿泵的額定壓力應大于要求的最大注漿壓力的1.5倍，通常選注漿泵的額定壓力為6～12 MPa，額定流量為30～100 L/min； 在注漿泵上應配備壓力表和流量計，壓力表的量程應為額定泵壓的1.5～2.0倍；

3)廊底注漿結束后，進行第2次沖擊回波法密貼性測試，根據密實度變化評價廊底注漿效果。

預制綜合管廊預應力張拉施工應嚴格遵守安全注意事項，以防止高壓油泵破裂噴油傷眼、預應力筋與錨具斷裂、噴漿或突然停機，保證張拉操作人員和路人安全。

3 工程應用效果評價

在雄安新區啟動區長節段大噸位裝配式綜合管廊項目中，采用廊上運廊及廊上架廊施工工藝，成功完成了34節8 m規格管廊節段和29節4 m規格管廊節段的安全高效架設安裝，如圖12所示。該施工工藝可避免修建運廊便道，減少土方開挖量，適用于深埋管廊，提高管廊建造效率； 同時，可避免管廊架設過程中高空物對施工作業的影響，提高管廊吊裝架設穩定性和安裝精度。

圖12 雄安新區預制綜合管廊架設安裝施工現場Fig. 12 Construction site of prefabricated utility tunnel erection and installation in Xiong′an new area

預制綜合管廊施工監控系統如圖13所示。通過對施工數據進行統計可知，采用的預制綜合管廊架廊機及廊上運廊車系統每天最多可架設6節8 m規格管廊節段或10節4 m規格管廊節段，且管廊節段越長，架設安裝工效越高。

圖13 預制綜合管廊施工監控系統Fig. 13 Construction monitoring system of prefabricated utility tunnels

預制綜合管廊廊上架廊施工工藝的成功實施，實現了地基開挖和管廊預制并行施工，有效保證了管廊建造質量，顯著提升了管廊施工效率。在本施工工藝流程中，從管廊運輸、廊上運廊、廊上架廊至管廊安裝完成，整個過程采用大型機械化、流水線式設備系統施工作業模式，相較于傳統的現澆管廊施工工藝，其具有投入人工成本低、材料利用率高、管理成本節約等經濟優勢，以及工期提前帶來的時間成本大幅下降等優勢。同時，該施工工藝無需大量模板、鋼管等輔助設備，具有節能環保、安全風險低以及符合現代文明施工理念的特點。

4 結論與建議

依托雄安新區綜合管廊項目，實現了長節段大噸位預制綜合管廊節段的安全架設，解決了預制綜合管廊建設過程的技術難題，確保了綜合管廊建設施工質量。

1)針對該預制綜合管廊工程具有國內最大橫斷面、最大吊裝噸位和橫向跨度大的特點，提出了廊上運廊及廊上架廊創新施工工藝，解決了長節段大噸位預制綜合管廊預制、運輸和安裝的施工工藝難題。

2)研發了集成提廊機、架廊機、運廊車和預應力張拉儀等大型施工成套設備，解決了預制綜合管廊節段的回轉吊裝和架設安裝等現場施工技術難題。

3)針對長節段大噸位預制綜合管廊施工工藝和多工位協同施工技術難題，通過采用大型專業成套設備協同作業，實現了長節段大噸位預制綜合管廊的自動化架設安裝施工。

4)通過現場施工驗證了長節段大噸位整體式預制拼裝綜合管廊施工工藝的可行性，該施工工藝保證了長節段大噸位預制管廊的吊裝穩定性和安裝精度，提升了管廊架設施工效率。

下一步可通過智能傳感器對長節段大噸位預制綜合管廊施工過程進行實時監測，并將測量數據反饋至作業設備控制系統，實現動態監控施工工藝，提高管廊架設作業效率和安全性，提升施工裝備的自動化和智能化水平。