綜合管廊機械化修建方法及展望

卓興建

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450410)

地下綜合管廊是指在城市地下用于集中敷設電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道。現階段，城市管線設計保守、規模不足、老化嚴重、錯綜復雜，嚴重影響了居民生活和城市市容。盡管綜合管廊建設的初期費用較高，但是其后續維修、擴容、增建極其方便，很好地解決了反復開挖路面、線網密集、管線事故頻發等問題[1]，因此，加快城市地下綜合管廊的建設很有必要。

本文從傳統施工方法談起，結合現有典型的機械化施工案例，詳細論述了U型盾構、矩形頂管機等機械化施工方法施工綜合管廊的技術要點。

1 綜合管廊傳統施工方法

綜合管廊傳統施工常用的方法包括明挖現澆法和明挖預制法、暗挖礦山法和蓋挖法。傳統的綜合管廊明挖工法，無論是現澆法還是預制管廊，都需要放坡（土方開挖量大）或圍護（支護費用高昂）施工[2]，必要時還需要進行降水/止水等措施，造價高，工期長，對周邊居民環境影響大，產生的渣土粉塵影響生活環境，不符合綠色環保的施工要求。暗挖礦山法、蓋挖法等傳統暗挖法具有占地面積小、設備簡單等優點[3]；其缺點是施工周期長，作業空間小，施工環境惡劣，相對于明挖現澆法造價高。

2 典型綜合管廊機械化修建技術

2.1 U型盾構——明挖機械化施工

2.1.1 項目概況

海口市秀英區椰海大道西延段綜合管廊工程，采用國內首臺U型盾構施工，為雙倉管廊。綜合管廊頂部埋深3.5m，穿越地質主要為素填土、粉質粘土、粘土，地下水位深3～5m。U型盾構試驗段綜合管廊預制管節尺寸為8 550 mm×4 950mm×1 800mm，主體結構采用C40防水混凝土，抗滲等級為P8，考慮到運輸因素，管節采用上、下分半的形式。管廊斷面圖如圖1所示。

圖1 管廊斷面圖

2.1.2 裝備組成及設備特點

該U型盾構的系統包括前盾（包含兩側插板、底部推板）、中盾、尾盾、頂推系統、鉸接系統、輔助系統（包含主控室、泵站、導向系統等）（圖2）。

圖2 U型盾構

U型盾構是將管廊明挖和盾構管節拼裝法的優點融合，采用機械設備作為移動支護結構，設備采用模塊化設計，可適應不同斷面的管廊建設，截面形式如圖3所示，主要用于明挖管廊、管網、溝渠等工程修建。

圖3 U型盾構組合式設計

U型盾構施工覆土深度一般小于3.5m，施工深度一般不大于10m，寬度一般不大于15m，可適應小于5%坡度（2.9°）的工況。轉彎半徑為R300～R500m，可滿足軟硬復合地層、地下水較深的地層等工況條件，并且適用于土層、粉質黏土、砂土層、密實卵礫地層中的各類方涵、管廊的鋪設。

2.1.3 施工工序及施工要點

1）施工工序 首先采用挖掘機進行土體開挖，開挖土體由渣車運輸至后側，用作管節拼裝后管節兩側及上方的回填。土體開挖時，設備前部伸縮插板、底部推板伸出，通過主控室操作推進油缸伸出，推動設備前進，可邊開挖、邊推進，提高工作效率，如圖4所示。設備推進完成后，收回推進油缸，鋪設底部墊層，吊裝預制管節，然后進行定位、拼裝并完成管節張拉。

圖4 U型盾構施工示意圖

2）施工要點 U型盾構所施工管廊根據其功能及斷面設計的不同，管廊具有單倉管廊、雙倉管廊、三倉及以上管廊等多種形式。相應的預制管節的形式可分為整體預制管節、兩分塊預制管節和多分塊預制管節等。因為管節吊裝、運輸等因素的限制，預制管節的寬度一般設計為1.5～2.5m。

管節與管節之間設計防水密封膠條，四角采用螺栓拉緊。施加縱向拉應力，使橡膠條處于受壓狀態，達到防水效果，如圖5所示。

圖5 管節結構圖

針對通風井、消防井、維修井等非標準節點廊體的建造，通常首先使用標準管節正常施工，后期拆除標準管節，進行特殊節點處理；或者制作臨時性特殊鋼管節，待盾構穿越特殊節點后，再拆除特殊管節。

2.2 矩形頂管機——暗挖機械化施工

矩形頂管機修建綜合管廊具有不開挖路面、不封閉交通、不搬遷管線等優勢，多適用于綜合管廊下穿主干道路、河流等不宜采用明挖的標段。綜合管廊頂管施工國內已有多個案例，如杭州綜合管廊、蘇州城北路綜合管廊元和塘頂管工程、南昌市梅湖水系截污工程下穿南蓮路等，其施工能力覆蓋了4～10m尺寸段，可實現單倉、雙倉、三倉等多種管廊形式的掘進。本節以杭州德勝路綜合管廊為例，來闡述矩形頂管機修建綜合管廊關鍵技術。

2.2.1 項目概況

杭州德勝路綜合管廊項目全長約5.35km，沿線上跨地鐵4號線，其中杭甬高速及三污干管段采用矩形頂管施工。矩形頂管機開挖尺寸7.52m×5.42m，最大埋深8.275m，隧道特征為雙倉雙線、隧道間距約9m。工程地質為粉砂夾砂質粉土、粉細砂，地下水豐富滲透性強。

該工程包含多種關節形式，根據矩形管節中隔墻位置及內部管線布置的不同，管節分為A、B兩種型號（管片長度1.5m，管片厚度550mm，中隔墻厚度300mm），兩種管節的斷面圖如圖6所示。

圖6 矩形綜合管廊斷面圖

2.2.2 施工裝備組成及設備特點

矩形頂管切屑系統采用輻條式的軟土刀盤，三前三后的品字形布置方案，最大推進速度40mm/min；采用雙螺旋輸送機出渣，出渣能力79m3/h；主驅動采用中心軸式驅動；盾體采用前后鉸接連接；考慮設備的長距離掘進，設備配置有中繼間。矩形頂管機設備組成如圖7所示。

圖7 矩形頂管機設備組成圖

設備利用電機驅動刀盤系統旋轉挖掘土體，切削后的土體在刀盤攪拌棒的作用下與膨潤土、泡沫等土體改良劑充分混合，并在螺旋輸送機螺旋葉片的旋轉作用下排出土壓倉。刀盤開挖的同時，頂推系統在始發井處推動管節與主機一起向前移動，從而實現掘進、排渣、管節支護機械化一次施工成型。

由于綜合管廊中隔墻與倉體同步預制，渣車需從管節一側運出，為適應中隔墻出渣的需求，螺機出口采用同向布置，并通過橫向皮帶機將渣土從螺機一側輸送至渣車運出洞外，如圖8所示。

圖8 設備出渣原理圖

2.2.3 施工工序及施工要點

1）施工工序 矩形頂管機的施工工序主要包括前期準備、設備安裝、始發施工、正常推進、接收施工、收尾工作等幾部分內容[4、5]。目前該設備已完成下穿杭甬高速首條隧道154.6m的掘進（圖9），實現平均日掘進2環管節（3m）。

2）施工要點 ①始發、接收時洞門密封：頂管始發時，預埋鋼板環，采用2道洞門簾布橡膠板+2道折頁板作為洞門密封，如圖10所示，以防管節長時間摩擦洞門密封，導致密封破壞，并確保洞門密封處不出現突泥、涌砂，保證始發安全。頂管到達時，由于頂管掌子面反力破壞、減小、喪失，觸變泥漿流失，在洞門鋼環內可焊接2道鋼絲刷，外側安裝簾布橡膠板和折頁壓板，到達加固體后、掌子面前，低推力，低轉速，盡可能的多出土，晚破壞掌子面；掌子面破壞后要快速的推出，以防治漏泥漏水。②壓力接收技術：頂管機接收是頂管機施工中最易出現問題的環節，由于頂管機到達時掌子面土體破壞、易松動，易導致出現突泥、涌水，造成地層沉降超限問題，嚴重時影響施工安全。因此，矩形頂管機在多水等不穩定地層出洞時可采用壓力接收，接收示意圖如圖11所示，在接收井內回填砂漿，以確保洞內外壓力平衡，避免沉降。③后配套及出渣設計：由于綜合管廊中隔墻的存在，渣土輸送通道無法布置在中間，可根據管廊倉體分倉形式和大小情況選擇單渣車或雙渣車出渣形式。其中采用單側渣車出渣時，靠近尾盾的前幾環管節中隔墻需后作，以保證螺旋輸送機將渣土經由橫向傳送帶從螺機一側運送到渣車上；此外，為了使管廊內左右兩側重量相近，防止隧道施工中發生傾斜，在后配套另外一側一般需布置配重，如圖12所示。

圖9 矩形頂管機始發及施工成型管廊圖

圖10 洞門密封裝置結構圖

圖11 矩形頂管機出洞壓力接收示意圖

圖12 單渣車出渣形式（俯視圖）

另一種形式出渣采用雙倉雙軌道2個小渣車設計，該方式所有管節中隔墻均可與管節同步預制，后配套布置仍采用單側布置，在管廊另外一側布置配重。

2.3 綜合管廊其它機械施工工法

2.3.1 圓形盾構

圓形盾構及管廊成型斷面如圖13所示，圓形盾構法具有施工進度快、作業安全、管片精度高、襯砌質量可靠、地表沉降小等優點。但圓形盾構受施工工藝限制，隧道覆土需在1倍洞徑以上，導致線路埋深較深，且管廊中隔墻需盾構施工后二次施做；此外，圓形盾構具有矩形頂管機所不具備的長距離開挖的能力，但是盾構法開挖設備后配套設施較多，設備造價昂貴，設備占用場地大[6]。

圖13 圓形盾構及圓形管廊斷面圖

2.3.2 疊合板裝配法

疊合板裝配法是指將大體積的管片混凝土構件拆分成小構件，在工廠預制成型后，運輸到現場裝配并進行部分現場澆筑來建造綜合管廊的施工方法[7]。其施工過程分為墻板安裝、頂板安裝、鋼筋困扎、混凝土澆筑；其工藝特點是將管廊的底板、頂板和側壁進行拆分，實現構件工廠化生產，現場拼裝，部分現澆，減少現場模板支架和鋼筋綁扎。管廊一體化結構，具有較好的密封性。

2.3.3 管廊滑移臺車法

滑移臺車法是將混凝土澆筑模板集成安裝至可移動臺架上，通過機械結構完成模板的快速伸出與收回，可實現工位與工位之間的快速轉換及支護。滑移臺車法施工工藝主要特點是臺車整體性強，扣件少，結構簡潔輕便，安裝拆除方便，施工效率高，安全性好，采用整體性澆筑減少了澆筑接縫，抗滲性能好，后期維護費用低。

3 討論與展望

U型盾構法、矩形頂管法等機械化施工地下綜合管廊工法以其自動化程度高、施工速度快、施工勞動強度低等優點，越來越多的應用到綜合管廊施工當中。對比各機械化工法，因其工作特點的不同、施工成本的差異，各有優缺點：①新建城區綜合管廊具備明挖條件工況，施工場地宜采用U型盾構法、疊合板拼裝法、管廊簡易臺車法施工；②老城區綜合管廊建設不具備明挖條件，宜采用頂管法或盾構法施工，此外還需考慮綜合管廊施工長度因素，短距離工況宜采用頂管法，長距離工況宜采用盾構法；③老城區內可明挖，但施工場地有限、不易放坡施工的工況，亦可采用U型盾構法施工。

圖14 T型、L型頂管機刀盤原理圖

針對現有綜合管廊機械化施工設備及其施工工法的局限性，探索掘進機新型施工工法，發展適應集約型管廊、極深埋管廊的異形掘進機將是未來研究設計的重點方向。

1）長距離綜合管廊 首先采用矩形或圓形盾構長距離施工，管廊通風、消防、維修井采用豎井鉆機，即盾構+反井鉆機（或向上盾構）聯合施工，以達到地上空間占用小、滿足長距離施工的工程優勢。

2）集約型綜合管廊 采用T型頂管機、L型頂管機等異形掘進機，實現多倉異形管廊同步施工，如圖14所示。

3）深埋馬蹄形綜合管 針對深埋綜合管廊，管廊受力承壓大，馬蹄形盾體相比矩形具有更好的受力結構，相比圓形具有更高的空間利用率[8]，馬蹄形盾構在深埋綜合管廊中的應用也將是未來發展方向之一，如圖15所示。

圖15 馬蹄形盾構

[1]楊永強.地下綜合管廊的技術施工方法探討[J].建筑知識，2016,(3)：88-91.

[2]劉海歌.明挖現澆法與預制拼裝法在綜合管廊施工中的方案比選[J].工業建筑，2017，47(增)：726-727.

[3]郝明強，邱永虎.地鐵旁通道的礦山法施工技術[A].中國煤炭學會.礦山建設工程技術新進展--2009全國礦山建設學術會議文集[C].合肥：合肥工業大學出版社，2009，524-529.

[4]王小濤，賈連輝，賀開偉.矩形頂管機刀盤的設計探討[J].城市建設理論研究，2013，3(13)：183-185.

[5]賈連輝.超大斷面矩形盾構頂管設計關鍵技術[J].隧道建設，2014，34(11)：1098-1106.

[6]孫統立.異形盾構工法研究現狀及其應用[J].鐵道科學與工程學報,2017,14(9)：1959-1966.

[7]陳凌峰，陳錫寶.預制裝配式混凝土疊合板的施工技術[J].上海城市管理，2017，(2)：94-95.

[8]薛廣記，董艷萍，范 磊,等.超大斷面馬蹄形盾構盾體系統研究設計及應用[J].隧道建設，2017，37(9)：1179-1186.