地下管廊U型敞口盾構(gòu)法施工技術(shù)

余松，宋寶吉

（中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 前言

近年，隨著國(guó)內(nèi)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展提質(zhì)增速，城市地下綜合管廊以其綜合統(tǒng)籌布置地下各類(lèi)管線、節(jié)約空間資源、降低城市建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本、提高城市管理水平等優(yōu)勢(shì)，得到國(guó)家大力推動(dòng)，發(fā)展如火如荼。地下管廊傳統(tǒng)施工方法采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合明挖現(xiàn)澆進(jìn)行施工，需對(duì)城市道路“開(kāi)膛破肚”，給城市交通及市容造成極大影響。為解決該問(wèn)題，將地鐵盾構(gòu)施工理念引入城市地下管廊建設(shè)領(lǐng)域，在海口市椰海大道地下管廊施工中，采用全國(guó)首臺(tái)U型敞口盾構(gòu)機(jī)配合預(yù)制管節(jié)拼裝施工，取得良好效果。下面針對(duì)地下管廊U型敞口盾構(gòu)法施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1 工程概況

海口市椰海大道西延段管廊東起海榆中線西至長(zhǎng)天路，位于中央8m綠化帶下，里程樁號(hào)K7+447.5～K10+191.6，長(zhǎng)度2744.1m，該工程的標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸8.55m×4.95m，單層雙倉(cāng)矩形結(jié)構(gòu)。其中K9+398～K9+898（共計(jì) 500m）段含標(biāo)準(zhǔn)段（315m）及三處非標(biāo)準(zhǔn)段（185m），上述標(biāo)準(zhǔn)段不設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用U型敞口盾構(gòu)機(jī)作為移動(dòng)支擋，配合裝配式預(yù)制管節(jié)施工，共計(jì)169個(gè)預(yù)制節(jié)段。U型敞口盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)工作井向大里程推進(jìn)，在標(biāo)準(zhǔn)段尾部接收井拆除盾構(gòu)機(jī)。非標(biāo)段提前施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑適時(shí)開(kāi)挖支護(hù)，盾構(gòu)機(jī)利用拼裝式鋼管節(jié)傳力體系空推通過(guò)非標(biāo)段，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)段作業(yè)，待拼裝管節(jié)提供反力滿足盾構(gòu)頂推要求后，拆除非標(biāo)段鋼管節(jié)傳力體系，采用支架現(xiàn)澆法施工非標(biāo)段管廊主體。

2 關(guān)鍵設(shè)備受力檢算

2.1 U型敞口盾構(gòu)機(jī)

U型敞口盾構(gòu)機(jī)為新型無(wú)刀盤(pán)盾構(gòu)機(jī)，其主體結(jié)構(gòu)截面呈U形，前盾側(cè)部和底部為可伸縮式插板，中盾后部設(shè)置頂推油缸和鉸接油缸，尾盾上部開(kāi)口用于預(yù)制管節(jié)吊裝。盾體內(nèi)部設(shè)置橫向支撐，泵站和主控室安裝在上部橫撐上，為設(shè)備提供動(dòng)力源并進(jìn)行操控。設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

設(shè)備的主參數(shù)表 表1

2.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)檢算

U型敞口盾構(gòu)機(jī)最大埋深為8.5 m，取側(cè)部平均土壓1.5bar，施加在盾體主結(jié)構(gòu)兩側(cè)，采用ANSYS軟件模擬分析：前盾、中盾結(jié)構(gòu)件最大變形為1.3mm，最大應(yīng)力為128MPa，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖1 U型敞口盾構(gòu)機(jī)受力模型圖

2.1.2 設(shè)備頂推力計(jì)算

按照頂管經(jīng)驗(yàn)公式推算，管道外壁與土的平均摩擦阻力kN/m2參考如下表，地層為粗砂，取平均摩擦阻力為14kN/m2。

地層摩阻系數(shù)表 表2

設(shè)備與土體的接觸面積為：14×9×2+9.2×8=326m2；

則盾體頂推摩擦阻力為：326×14=4564kN=456t；

設(shè)計(jì)最大頂推力為1600t＞456t，滿足使用需求。

2.2 U型敞口盾構(gòu)機(jī)空推計(jì)算

2.2.1 管節(jié)摩擦力計(jì)算

預(yù)制管節(jié)每節(jié)寬8.55m、高4.95m、長(zhǎng)1.8m，上下平分成兩部分，單層雙倉(cāng)結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土容重取2.5t/m3，每節(jié)重58t，管節(jié)與干硬性混凝土墊層摩擦系數(shù)取平均值 2.85，每節(jié)管節(jié)摩阻力 58×9.8×2.85=1619.9kN=162t，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)非標(biāo)段后由管節(jié)摩擦力提供頂推反力≥4564kN，即預(yù)制拼裝管節(jié)數(shù)n＞4564/1619.9=2.82節(jié)，可拆除鋼管節(jié)反力架，實(shí)際拼裝3節(jié)以上。

2.2.2 鋼管節(jié)傳力體系計(jì)算

利用鋼管節(jié)反力架代替混凝土管節(jié)，為盾構(gòu)機(jī)提供頂推反力。鋼管節(jié)采用6根Φ609鋼支撐進(jìn)行焊接，中間采用20b槽鋼進(jìn)行連接，結(jié)構(gòu)形式詳見(jiàn)圖3～4，轉(zhuǎn)彎處兩端設(shè)置400×300的工字鋼頂在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，鋼管節(jié)分左、右兩部分進(jìn)行加工，方便吊裝、運(yùn)輸。

圖2 鋼管節(jié)設(shè)計(jì)示意圖

圖3 鋼管節(jié)布置示意圖（50m）

用ANSYS軟件進(jìn)行鋼管節(jié)傳力體系實(shí)體建模分析，圖中A、B、C、D四處限制X方向自由度，E面處限制Z、Y方向自由度。紅色端面加載6000kN壓力，即600t荷載，驗(yàn)證鋼管節(jié)傳力體系結(jié)構(gòu)安全性，如圖5所示。

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)彎處增加工字鋼，使鋼管節(jié)頂在端部工法樁上后，鋼管節(jié)反力架的主體應(yīng)力在190MPa以下，小于鋼支撐軸向抗壓強(qiáng)度215MPa，滿足安全要求。

圖4 應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

3 施工工藝

3.1 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→盾構(gòu)機(jī)始發(fā)→管廊標(biāo)準(zhǔn)段盾構(gòu)施工→管廊非標(biāo)準(zhǔn)段施工→盾構(gòu)機(jī)接收→施工監(jiān)測(cè)。

3.2 施工工藝操作要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

按設(shè)計(jì)加工U型敞口盾構(gòu)機(jī)、始發(fā)背靠架及鋼管節(jié)傳力架，施做盾構(gòu)始發(fā)井、接收井及非標(biāo)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并且集中預(yù)制裝配式管節(jié)。

3.2.2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)

將盾構(gòu)機(jī)吊裝至盾構(gòu)始發(fā)井中組拼，在盾構(gòu)井端墻上安裝始發(fā)背靠架，調(diào)試盾構(gòu)機(jī)及背靠架使之對(duì)位密貼，盾構(gòu)機(jī)驅(qū)動(dòng)油缸頂推使其反向推進(jìn)2m，然后收縮油缸澆筑20cm厚C20干硬性混凝土墊層，達(dá)到強(qiáng)度后從盾尾工作口吊裝管節(jié)，待管節(jié)連接后，盾構(gòu)機(jī)油缸頂在管節(jié)端面上再次進(jìn)行推進(jìn)，如此頂進(jìn)拼裝3節(jié)后，管節(jié)縱連成整體依靠摩擦力提供盾構(gòu)頂推反力，此時(shí)拆除背靠架，采用支架現(xiàn)澆法施工管廊主體結(jié)構(gòu)，至此完成盾構(gòu)始發(fā)。

3.2.3 管廊標(biāo)準(zhǔn)段盾構(gòu)施工

①盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)施工

在管廊標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)，操控盾構(gòu)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)低速低壓伸出頂推油缸與預(yù)制管廊端頭接觸，推動(dòng)設(shè)備前移至開(kāi)挖坡面，盾構(gòu)機(jī)前盾底部推板處于縮回狀態(tài)。采用挖掘機(jī)開(kāi)挖、自卸車(chē)運(yùn)輸，縱向分2層接力式開(kāi)挖，第一層厚4m按1∶1放坡開(kāi)挖，第二層在前盾處由上至下、從中間向兩側(cè)逐層開(kāi)挖至管廊基底頂約20cm，開(kāi)挖坡度按1∶0.5控制，開(kāi)挖面形成圓弧狀。

前盾前方土方開(kāi)挖同時(shí)操控盾構(gòu)機(jī)前盾插板由上至下依次伸出，對(duì)前部開(kāi)挖區(qū)域側(cè)面形成臨時(shí)支撐，再伸展前盾底部推板推平基底頂20cm預(yù)留土，然后低速低壓伸出頂推油缸推動(dòng)設(shè)備前移，每次推進(jìn)不超過(guò)1.2m，根據(jù)開(kāi)挖土體的穩(wěn)定性可調(diào)整尺寸，每推進(jìn)2次拼裝一節(jié)管節(jié)。

②管廊墊層澆筑

盾構(gòu)機(jī)完成2次頂推后，縮回所有頂推油缸，在尾盾漏出約2m的管節(jié)安裝空間，澆筑混凝土墊層。

③預(yù)制管節(jié)拼裝

首先將運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)制管節(jié)安裝彈性橡膠密封墊、內(nèi)嵌遇水膨脹橡膠密封條，采用135t履帶吊吊裝下部管節(jié)入尾盾內(nèi)墊層上，利用盾構(gòu)機(jī)頂推油缸推動(dòng)管節(jié)與上一節(jié)管節(jié)精準(zhǔn)拼接，再吊裝本節(jié)上部管節(jié)。然后按“本節(jié)下部與上節(jié)整體水平張拉→本節(jié)上部與上節(jié)整體水平張拉→本節(jié)上下部豎向張拉”的順序進(jìn)行單端張拉。張拉完成后48h內(nèi)按要求完成孔道壓漿，及預(yù)應(yīng)力筋切割封端。管廊拼裝完成后，在預(yù)制管廊內(nèi)側(cè)拼縫處預(yù)留的深25mm、內(nèi)寬16mm、外寬12mm的凹槽內(nèi)，注入抗微生物雙組份聚硫密封膠嵌縫，用帶弧度的專(zhuān)用整形工具進(jìn)行刮壓整形呈月牙形。

④基坑回填

預(yù)制管廊拼裝完成后，盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過(guò)程中，采用C15混凝土澆注管廊外壁與土體間空隙至管廊頂部位置，采用振動(dòng)棒振搗密實(shí)。管廊頂板以上0.5m厚度內(nèi)回填土采用小型打夯機(jī)分層夯實(shí)，0.5m以上回填土采用壓路機(jī)分層碾壓，分層厚度≤0.3m，壓實(shí)度達(dá)到95%以上。

3.2.4 管廊非標(biāo)準(zhǔn)段施工

①盾構(gòu)機(jī)空推通過(guò)管廊非標(biāo)段

盾構(gòu)機(jī)剛進(jìn)入管廊非標(biāo)段時(shí)，收縮頂推油缸在尾部盾體處形成2m空間，使用25t汽車(chē)吊將1.8m左右兩部分鋼管節(jié)吊裝至盾構(gòu)機(jī)尾部，調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，通過(guò)M12螺栓連接成整體后調(diào)平。盾構(gòu)機(jī)伸展頂推油缸作用在鋼管節(jié)上，進(jìn)行頂推，然后安裝下一節(jié)1.8m鋼管節(jié)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)3環(huán)即5.4m后，采用5m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)替換已拼裝的2節(jié)調(diào)整節(jié)，同時(shí)對(duì)影響盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的基坑鋼支撐進(jìn)行拆換處理，即拆除前方影響其推進(jìn)的鋼支撐，并安裝在盾構(gòu)機(jī)后方，鋼管節(jié)及鋼支撐按上述循環(huán)操作直至盾構(gòu)機(jī)空推通過(guò)管廊非標(biāo)段。鋼管節(jié)之間采用M18的螺栓進(jìn)行連接，部分轉(zhuǎn)彎的區(qū)域，在其轉(zhuǎn)彎外側(cè)連接處加塞鋼板調(diào)整角度，使盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎通過(guò)。

②管廊非標(biāo)段支架現(xiàn)澆施工

盾構(gòu)機(jī)剛通過(guò)管廊非標(biāo)段時(shí)，按照管廊標(biāo)準(zhǔn)段施工方法，拼裝3節(jié)管節(jié)連接成整體，管節(jié)摩擦力為盾構(gòu)機(jī)提供足夠反力進(jìn)行頂推，拆除管廊非標(biāo)段鋼管節(jié)傳力體系，澆筑混凝土墊層，采用支架現(xiàn)澆法施工管廊主體結(jié)構(gòu)。

3.2.5 盾構(gòu)機(jī)接收

盾構(gòu)機(jī)施工完成后，進(jìn)入接收井，盾構(gòu)機(jī)分部件拆除吊出基坑存放指定位置。盾構(gòu)機(jī)拆除完畢后，采用支架現(xiàn)澆法施工盾構(gòu)井部分管廊主體結(jié)構(gòu)。

3.2.6 施工監(jiān)測(cè)

3.2.6.1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的監(jiān)測(cè)

采用直線激光靶系統(tǒng)和人工測(cè)量輔助進(jìn)行U型盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)。在始發(fā)處設(shè)置導(dǎo)向系統(tǒng)激光發(fā)射器，在U型敞口盾構(gòu)機(jī)內(nèi)設(shè)激光靶、攝像頭和傾角傳感器，盾構(gòu)機(jī)操作員通過(guò)激光靶上光束的投射位置及傾角傳感器分別判斷U型敞口盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前的掘進(jìn)姿態(tài)、滾動(dòng)狀態(tài)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程通過(guò)人工測(cè)量來(lái)進(jìn)行精確定位，以校核導(dǎo)向系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)并復(fù)核盾構(gòu)機(jī)的位置、姿態(tài)，確保掘進(jìn)方向的正確。

3.2.6.2 頂推設(shè)備受力及變形監(jiān)測(cè)

①在管節(jié)與盾構(gòu)機(jī)相互提供頂推反力條件下，監(jiān)測(cè)記錄單節(jié)管節(jié)和盾構(gòu)機(jī)克服自身摩擦阻力開(kāi)始移動(dòng)時(shí)頂推力，根據(jù)力學(xué)原理，驗(yàn)證管節(jié)及盾構(gòu)機(jī)自身摩阻力。

②在盾體兩側(cè)和鋼管節(jié)傳力體系兩端安裝壓力傳感器及應(yīng)變傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入不同土體而產(chǎn)生的側(cè)壓力和盾構(gòu)機(jī)兩側(cè)護(hù)壁內(nèi)斂位移，以及鋼管節(jié)傳力體系應(yīng)力應(yīng)變情況，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)理論計(jì)算，確保盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程的施工安全。

3.2.6.3 深基坑監(jiān)測(cè)

針對(duì)盾構(gòu)始發(fā)、接收井及管廊非標(biāo)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)，確保深基坑安全穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)U型敞口盾構(gòu)機(jī)和拼裝式鋼管節(jié)傳力體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)U型敞口盾構(gòu)機(jī)施工標(biāo)準(zhǔn)段及非標(biāo)段管廊的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述，解決了全國(guó)首臺(tái)U型敞口盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用于地下管廊施工的關(guān)鍵技術(shù)難題，為以后類(lèi)似工程提供寶貴借鑒。