綜合管廊U型盾構機械化施工工法研究與應用

王全勝， 李 洋， 楊聚輝， 羅長明， 陳 平， 于少輝

(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

綜合管廊是在城市道路下建造的一條供通信、電力、供水、燃氣等多種市政管線共用的隧道[1]，可以實現地下空間的綜合利用和資源共享，在國內外發展迅速。但是由于綜合管廊工程的特殊性和城市環境的復雜性，管廊施工技術始終是制約其發展進程的一個主要因素。

國外對綜合管廊研究較早，其技術水平已相對成熟。我國對綜合管廊的研究與應用起步較晚，尚處于初步探索階段。馬驥等[2]結合上海某矩形雙艙地下管廊對明挖現澆應用進行了總結； 譚博等[3]依托福建平譚萬北路試驗段，研究了結合深厚軟土地基處理的明挖方法； 揭海榮[4]以集美新城明挖綜合管廊為例，對預制拼裝的精度控制和防滲措施進行了研究； 李誠等[5]具體論述了綜合管廊預制拼裝施工流程； 曹生龍[6]對預制混凝上箱涵應用于綜合管廊進行了總結及討論； 張帥軍[7]提出了解決盾構法施工地下綜合管廊存在的應用問題的思路； 賈連輝[8]探討了矩形頂管在城市地下空間開發中的應用成果及前景； 楊勝杰[9]介紹了成都三環下穿機場高速公路的綜合管廊的施工方法、措施和施工力學計算情況； 張志敏等[10]結合實例對綜合管廊下穿城市河道的暗挖施工技術進行了研究和總結。我國綜合管廊施工的典型案例有： 沈陽市地下綜合管廊南運河段采用圓形盾構施工[11]； 包頭市新都市區中心區綜合管廊工程二期(經三路管廊工程)采用矩形頂管施工，為全國首例[12]。

雖然目前的綜合管廊修建工法已較為成熟且形式多樣，在選擇工法時主要結合實際工程環境、工程規模、特點、工程地質與水文地質、道路交通及埋設管線情況、工程造價承受能力等條件具體分析，基本上是基于現有傳統明挖法、礦山法、盾構法和頂管法而開展的，但這些工法在應用中或多或少存在一些局限和不足[13]：

1)綜合管廊主要位于城市主城區或開發新區，必然要求施工盡量減少對周邊環境的影響、減小開挖范圍和圍擋區域、縮短施工周期等，常規明挖存在一定局限。

2)綜合管廊具有斷面寬度大、線形較長、埋深較淺的特點，若采用常規暗挖法或盾構法施工則不經濟，而頂管法不適合長距離掘進，其主要用于局部下穿段。

另外，隨著人工成本的攀升和環保嚴管，必然要求施工向著機械化、綠色化、規范化、標準化、信息化等方向發展，而這也是地下空間未來的發展趨勢。

為尋求一種既可長距離掘進，又經濟、高效的施工方法，解決明挖法和盾構法在綜合管廊施工中存在的局限和不足，根據綜合管廊工程結構特點，通過研究明挖法基坑支護與盾構法在盾尾拼裝管片的機械化施工技術特點，創新性地提出綜合管廊U型盾構機械化施工工法，以期為綜合管廊及類似工程提供一種新的設計理念和施工工法。

1 U型盾構工法原理

利用盾構設備推進和盾殼內拼裝管節的原理，結合明挖法簡便、經濟的特點，研發綜合管廊施工專用掘進機——U型盾構，如圖1所示。設備采用敞開式外殼作為開挖后土體的圍護結構，隨盾構推進而循環前進，形成剛性移動式支護結構； 兩側設置伸縮插板，可插入開挖面兩側土體，作為其臨時支護； 采用通用設備每挖掘一個管節長度后，吊放管節，然后推進油缸壓緊管節，用預應力錨索將相鄰管節連接固定，同時推動U型盾構前行； 已完成段管節的上部和側部可及時回填，恢復場地。

圖1 U型盾構示意圖

根據設備和工藝特點，該工法可適用于：

1)土質地層。黏性土、砂質土、砂卵石、礫石土等N≤50的地層。

2)開挖斷面。深度≤12 m，寬度≤14 m。

3)線路。曲線半徑≥100 m，10 m范圍高差≤30 cm。

4)施工長度。一般一次施工長度≥150 m時經濟效益較好。

2 工藝流程及技術要點

2.1 施工工藝流程

根據綜合管廊U型盾構機械化施工原理，其工藝流程如下，現場施工布置如圖2所示。

1)清邊，平整場地，現場測量放線。

2)始發井與接收井圍護結構施工，主體結構施工。

3)U型盾構運輸、吊裝。

5)U型盾構接收、再始發，循環施工。

6)節點及附屬施工。

7)綜合管廊支架、設備安裝。

8)引出口施工并恢復路面。

圖2 綜合管廊U型盾構機械化施工布置

Fig. 2 Construction arrangement of U-shaped shield in utility tunnel

2.2 主要工序技術要點

2.2.1 始發和接收工作井

采用明挖法建造始發和接收工作井。圍護形式可采用拉森鋼板樁、SMW樁以及鉆孔灌注樁等結構[14]。

2.2.2 開挖和掘進

采用通用挖掘設備開挖。可分層開挖： 1)上層土先行開挖(基坑兩側可欠挖)； 2)用1臺挖機在U型盾構前方開挖剩余土方，兩側欠挖土體采用插板切削開挖； 3)下層每開挖一循環，U型盾構推進一循環。

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2.2.3 地基處理和墊層施工

根據承載力確定是否需要進行地基處理和墊層施工，當推進一個管節長度后，在盾尾部完成墊層施工。

2.2.4 管節預制及拼裝

根據綜合管廊廊體斷面設計，管節可分為整體預制、兩分塊預制[15]及多分塊預制，如圖3所示。拼裝時，采用人工輔助定位，再通過預應力拉筋拉緊固定相鄰管節。

(a) 整體預制

(b) 分塊預制

分塊預制接縫宜設在彎矩較小位置，圖(b)中上下分塊僅為示意。

圖3綜合管廊雙艙整體、分塊預制管節示意

Fig. 3 Whole and blocked prefabricated section of double-hole utility tunnel

2.2.5 盾構姿態監測與控制

采取掘進自動導向系統和人工測量相輔的方式進行盾構姿態監測。通過盾構鉸接油缸控制盾構掘進方向。

2.2.6 管節壁后注漿

施工時如果地下水較少，盾尾底部可以敞開，但如果地下水豐富，需將盾尾底部密閉，分2次注漿，如圖4所示。

圖4 管節壁后注漿

2.2.7 回填及路面恢復

將開挖出來的下層原狀渣土經檢驗合格后可直接倒運至已施工完成的管廊段上部，按要求分層對稱回填并夯實后，根據設計恢復路面。

2.2.8 盾構到達

盾構到達后將設備吊出，然后完成剩余結構施工。

2.3 交叉節點段施工

在綜合管廊交叉節點處，若管廊斷面無變化，可在管廊管節預制時在側部或頂部設置相應的孔洞(如圖5所示)或可拆卸管節，其施工方法與標準段相同。

圖5 預制管節預留孔洞示意

若交叉口斷面出現變化，可先在該地段施作合適的圍護結構，待基坑完成后U型盾構空推通過，再在基坑內拼裝預制構件。交叉節點預制混凝土構件如圖6所示。

圖6 交叉節點預制混凝土構件示意

3 工法創新及優勢

3.1 開挖支護方式創新

U型盾構采用盾殼形成可移動式支護結構，開挖、安裝、推進循環進行，創新性地將需要提前施作的圍護結構體系轉變為可重復使用的、移動式、機械化操控的圍護結構。這樣，不僅在工序上省去了明挖施工時現場施作圍護結構的龐大工作量和由此產生的大量建筑垃圾，而且在結構受力上，其影響區域和范圍也大為減小。

對于傳統明挖管廊，基坑開挖多采用排樁加內支撐的支護體系，按照彈性地基梁法，支護樁受力模式如圖7所示。樁身受側向土壓力作用,開挖面以上支撐可看作一個彈性支點，開挖面以下土體可用一系列土彈簧作用代替，即將支護結構看作一個彈性支撐的地基梁[16-17]。開挖時，隨開挖面的下移，開挖面以上的樁身承受載荷不斷增大，樁體需具有較大的嵌固深度和抗彎剪強度，在這種受力模式下，基坑開挖對土體和周邊環境存在較大的擾動，且其影響范圍較大。

圖7 常規支護樁受力模式

U型盾構施工時，盾體作為開挖時的移動式支護結構，如圖8所示。設備底部和兩側的角部為剛性連接，兩側盾在頂部設置有聯系梁，支撐著兩側板，可將盾殼看作剛架受力； 盾體兩側承受土體壓力，底部受坑底土體卸荷回彈的反力作用； 同時，盾體底部相比傳統明挖，相當于先行施作了結構底板，可有效減少基底土體回彈，在該受力模式下，基坑開挖對周邊土體擾動小，影響范圍小，且可有效控制周邊土體變形，基坑封閉時間短。

圖8 U型盾構盾體受力模式

3.2 設備創新

針對該工法研制了配套的U型盾構，該設備上部為敞開結構，主體由伸縮護板、中部盾體和尾部盾體構成，整體呈U型，如圖9所示。通過采用模塊化和標準化設計，其斷面可適應不同工程需要； 一般經濟施工長度≥150 m，對于大多數管廊具有較好的適應性。

圖9 U型盾構

3.3 工法優勢

1)綠色環保污染少。僅需開挖管廊斷面范圍內土體，占地面積小，開挖方量少且渣土外運少，無廢棄工程量。相同條件下，相比傳統1∶1放坡開挖，每延米可減少開挖量約40%，減少渣土外運和回填工程量80%，減少長距離渣土運輸次數80%。

2)安全、質量更可靠。將基坑作業長度控制在10～15 m，24 h內即可回填，縮短了基坑暴露時間，降低了基坑臨邊作業的安全風險；路面回填和分層壓實質量高，采用預制構件可縮短工期，質量可控且節省材料。

3)施工經濟高效。相比明挖圍護結構，可節省工程造價5%以上，相比模板現澆工藝，可提高工效3倍以上。

4)圍擋范圍小、時間短。每推進完成一循環，即可回填土方、恢復路面，可減小圍擋施工范圍和縮短施工時間，對周邊環境和交通影響小。

5)機械化、自動化。設備采用液壓驅動，實現自動控制，噪音、振動小，現場施工人員少，可減少人員約50%。

4 工程實例應用

4.1 工程概況

海口市地下綜合管廊椰海大道西延段東起海榆中線、西至長天路段，總長2 744.1 m，其中K9+398～+898段標準段采用U型盾構施工。椰海大道道路為現狀道路，綜合管廊位于道路中央8 m綠化帶下，頂部埋深3.5 m，廊體為雙艙斷面、干支混合型，現澆標準段斷面尺寸為8.2 m×4.95 m，U型盾構施工段廊體分2個單艙預制。

4.2 U型盾構施工

4.2.1 設備始發基坑

在K9+395～+426段施作盾構始發工作井，在盾構段尾部施作接收井拆除盾構。

1)基坑尺寸： 長29 m、寬11.2 m、深8.65 m。

2)圍護結構： 采用φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁(樁長19 m)+φ800@500 mm高壓旋噴止水樁(樁長14 m)； 圍護樁頂設1 100 mm×900 mm混凝土圈梁、3道800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐梁。

3)推進準備： 在始發井基坑尾部設寬11.2 m、高6 m、厚1 m鋼筋混凝土反力墻； 盾構推進方向采用φ800@500 mm高壓旋噴樁臨時封堵基坑，基坑前端11.7 m長范圍采用二級放坡，坡面掛φ8@200 mm×200 mm網片、8 cm厚C20噴射混凝土支護，基坑前端兩側設9根圍護樁，每3根一組，樁長依次減短2.5 m。始發井基坑平、剖面圖如圖10所示。

(a) 平面圖

(b) 1-1剖面圖

4.2.2 施工配置

U型盾構現場采用單班制施工，施工主要設備配置見表1，施工人員配置見表2。

4.2.3 管廊施工

為充分驗證設備性能、找準施工難點、探究設備及工法可能存在的問題，在海口市地下綜合管廊椰海大道西延段U型盾構試驗段，施工前期沒有過多追求施工效率，而采取單工序作業施工方式，施工進度為1～2環/d，管廊施工引起的基坑周邊最大沉降約10 mm。試驗顯示制約施工進度的主要工序為管節預制和吊裝、墊層施作以及管節定位。隨著對設備和工藝的掌握與操作熟練化以及管節預制速度的加快，目前U型敞口盾構施工自基坑開挖至管節張拉鎖定完成需4.25 h，考慮到工序銜接和設備維護，每天24 h作業可拼裝4節，共8 m。通過改進設備鉸接形式、增加輔助定位等設備優化措施以及不斷完善工藝流程，預計優化升級后的月進度可達400～500 m。

表1 施工設備配置

表2 施工人員配置

5 U型盾構應用拓展探討

5.1 更小的曲線半徑

從工法特點來看，U型盾構采用盾構推進，配合明挖方法，直接在地面吊運管節至盾尾處拼裝； 掘進方向控制與調整精準； 設備兩側的伸縮插板可對基坑兩側土體進行切削，切削角度及切削量可控。這些特性為U型盾構小半徑曲線掘進提供了理論可行性。另外，若推進到急曲率段，亦可結合明挖法進行相應的放坡或采取超前支護，然后盾構通過。

因此，對于曲線半徑過小的廊體或某些城市淺埋地下公路、公路隧道等，在現有U型盾構設備及工藝的基礎上進行特殊改良，應用U型盾構施工是可行的。

5.2 U型斷面基坑工程

矩形或U型斷面因其空間利用率較高而被廣泛采用。對于類似線性U型斷面基坑工程，如地鐵明挖區間隧道、U型槽、引排水溝渠、城市河道建設及改道等，其線形長、多富水，若用傳統明挖法施工，地下水位情況對施工影響大，而采用U型盾構可直接沿線路施作主體結構，并且在少水和富水狀態下均可正常施工，優勢明顯。

5.3 明挖大斷面地下框架結構

對于可以明挖的大跨地下框架結構工程，如地下車庫、地下商業街等，可充分利用U型盾構的優點，借鑒分部開挖和裝配式建造的思想，先采用U型盾構完成四周結構，然后以主體結構的一部分作為圍護結構，再完成基坑內部土體開挖和建筑構件裝配，形成整個主體工程結構。

6 結論與討論

1)基于明挖法和盾構法施工的優點，結合裝配式結構施工的發展趨勢，創新性地提出U型盾構機械化施工工法，該工法將明挖法開挖與在盾殼內完成主體預制拼裝結構相結合。通過研制國內首臺U型盾構，將傳統固定支護結構轉變為剛性可移動支護結構，實現了明挖法綜合管廊施工的機械化、標準化和規范化。該工法及設備符合地下空間施工預制拼裝和高度機械化的發展趨勢，具有較廣泛的應用推廣前景。

2)詳細介紹了U型盾構工法的原理、適用范圍、工藝流程、操作要點和節點處理，分析了U型盾構與傳統明挖支護結構受力特點及其對周邊環境的影響，可為今后類似工程設計和工法選擇及施工提供借鑒和參考。

3)通過在海口市椰海大道西延段地下綜合管廊工程試驗驗證，證明了該工法在綜合管廊施工中具有較好的適應性和綜合效益，并針對制約進度的管節預制吊裝、管節定位和墊層施工，從設備優化改進和工藝流程完善2方面提出了改進措施，有利于今后更好的應用。

4)U型盾構作為一種新型的基坑支護方式，有其自身適用性和優缺點，通過對U型盾構在更小曲線段、U型斷面結構及大跨地下框架結構體等的應用拓展探討，初步驗證了其拓展應用的可行性，對于更多具體應用細節和在其他領域的拓展，還有待不斷創新和進一步研究、驗證。

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