城市地下綜合管廊淺埋蓋挖快速裝配支護施工技術

劉持路

（中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東泰安271000）

1 引言

目前，中國在全國各地展開了大面積的管廊工程施工作業，但是均采用常規的基坑支護、降水、開挖、混凝土澆筑等傳統明挖施工方式，需要封路，并且普遍存在機械化程度低、施工效率不高、對環境影響較大、不安全因素較多等問題，不利于城市繁華地區管廊工程的施工作業。因此，研究開發新型快速裝配支護一體機裝備、創造新型淺埋明挖施工工法對提高城市地下空間建設具有重要的意義。

2 工程概況

自2020年5月起，山西綜改示范區姚村地下綜合管廊采用新型施工技術——淺埋蓋挖快速裝配支護施工技術對管廊示范段（K4+110～K4+610）進行施工，施工長度500 m，管廊斷面尺寸3.6 m×2.6 m，開挖最大深度6.2 m，頂板覆土深度2～3 m，基礎底換填500 mm厚砂石墊層（摻30%砂），每邊超出基礎邊線700 mm，壓實系數0.97，地基承載力標準值要求不小于100 kPa。

該工程地處平坦沖積平原，地質資料顯示勘探深度范圍內場地土質為粉土、粉質黏土和砂類土，地下靜止水位埋深介于0.55～1.7 m。

3 工藝原理

裝配支護一體機集成開挖、支護、推進和路面回填等多種功能，能夠實現城市復雜環境下明挖基坑高效、綠色、機械化施工。設備主要包括插刀系統、開挖裝置、出渣系統、剛性護盾、推進系統及其他輔助系統。作業時，插刀系統超前插入土體，與剛性護盾一起建立側向支護，地面和機載挖掘裝置開挖土體并由出渣系統同步輸出渣土，完成一環管節長度開挖后，設備前進一環，隨即安裝一環管節，設備后部已拼裝管節利用渣土同步回填，快速恢復路面。實現移動支護、管節拼裝和路面回填同步[1]。施工工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

4 施工要點

4.1 工作井施工

工作井施工主要有以下施工要點：

1）施作設備始發工作井，工作井滿足設備的安裝、拆卸及人員操作空間；

2）始發工作井后背墻采用加固措施，防止始發過程中設備頂力過大，導致工作井損壞造成安全事故；

3）始發工作井地基進行加固處理，滿足設備對地基的承載力要求。

4.2 設備拼裝、調試

裝配支護一體機外形尺寸：17.78 m×4.42 m，重約2 100 kN（210 t），最大零部件重242 kN（24.2 t）。

根據裝配支護一體機的主要設備尺寸和重量大的特點，結合現場實際情況，通過分析和驗算，選擇合適的吊裝設備和吊裝方式。始發井裝配支護一體機吊裝采用100 t汽車吊。

4.3 超前插刀支護

超前插刀支護布置在設備前部側壁上，由插板、頂進油缸、導向結構組成。工作時，插板在頂進油缸的推動下向前伸出插入土體，起到超前支護或清理兩側殘留覆土的作用。由于每節管節長度為2 m，選用插刀的最大作業行程為1 m，一環開挖量可分2步或多步進行，以保證掌子面穩定。插刀外側表面超出設備外殼表面5 mm，避免后部殼體與側面土層過渡擠壓造成過大的摩擦阻力。插刀系統既可單獨控制也可成組控制，根據地層自穩性可采用不同的工作模式。說明如下：

1）清渣擋土模式，適用于含水率小、自穩性較好的地層。這種地層在一定深度范圍和開挖周期內開挖，邊坡自穩性較好，無須超前支護。

2）超前支護模式，適用于含水率大、自穩性較差的地層，這種地層插刀插入阻力較小。先由插刀插入前方土體一定深度（≤1 m），建立超前側向支護，然后再用鏟斗開挖，鏟斗開挖深度不超過插刀插入深度。

4.4 開挖掘進

4.4.1 土方開挖

開挖系統分為機內固定部分和地面移動部分，地面部分采用通用型挖掘機開挖淺層土。設備的開挖系統主要由挖掘機、升降平臺、活動擋土板3部分組成。作業時，在作業車前部預留挖掘機作業空間，挖斗內渣土直接倒入皮帶機接料斗內，同時可實現開挖寬度可調，具備開挖邊坡的功能。通過調整升降平臺高度，可確保挖掘機以最佳的作業高度開挖不同深度的掌子面土層。地面的移動挖機可與設備同步施工，在主機前方開挖1～3 m深度的基坑覆土，開挖深度根據底層穩定性及兩側建筑安全控制需求確定[2]。

4.4.2 出渣

出渣系統是將挖掘裝置開挖下來的渣土運輸到地面，主要由水平轉運部分和垂直提升部分組成。水平轉運部分采用連續皮帶機以15°～20°的大角度出渣，在皮帶機尾端設置2個橫向并排布置的接渣斗，可交替裝渣，實現連續垂直提升。渣斗提升區域的盾體內設置6根豎向導軌，保障渣斗提升過程中的安全性。

渣斗提升采用吊運箱涵的汽車吊。渣斗提升到地面后，根據渣土可利用程度分為路面回填土和綠化土，前者直接回填到后部的管節上方，再壓實迅速恢復路面。

4.5 地基處理和墊層施工

根據現場地層承載力確定是否需要進行地基處理和墊層施工，每推進一個管節長度后，在設備尾部完成墊層施工。

4.6 管節吊裝與管節拉緊

管節采用整體預制。管節拉緊在管節吊裝完畢后立刻進行，采用預應力鋼絞線和張拉設備作業，拉緊幅數不得超過3幅[3]。

4.7 推進系統頂進

推進系統推動整機在已開挖的基坑內前移，在完成2 m長度的管節開挖距離后，下放新的管節，推進油缸伸出、頂推管節與后續已安裝管節對接，并以新安裝的管節作為反力支座，推動設備整體前移。主要由布置在安裝支架的上、下、左、右4個液壓油缸及其控制系統組成，油缸既可獨立控制也可成組控制。推進油缸最大行程2.6 m，最大推力6 150 kN（615 t），能夠滿足2 m長箱涵拼裝和整機推進力需求。

4.8 回填及路面恢復

利用開挖渣土回填，倒運至已施工完成的管節上部，按要求分層對稱回填并夯實后，根據設計恢復路面。

4.9 實時監測與信息反饋

每完成1個循環，即針對一體機姿態、管節位置、周邊地層變形、影響范圍內風險源變形等進行監測分析，并及時反饋、指導施工。

4.10 一體機到達接收

裝配支護一體機到達接收后，將設備解體吊出。

5 質量控制

質量控制過程中，采取以下措施：

1）嚴格按照現行GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術規范》、GB 50208—2011《地下防水工程質量驗收規范》等規范施工。

2）現場降水作業按常規施工工藝進行，保證在無水環境下進行施工作業。

3）工廠預制管節需專門運輸設備拉運至現場，并建設專門存放場地，妥善保管，減少運輸過程中的磕碰損傷。

4）采用預應力鋼絞線拉緊預制裝配管節，1次拉緊應不超過3幅管節。

5）務必保證在插刀超前支護前提下開挖掌子面，1環管節幅寬2 m，插刀最大作業行程1 m，1環開挖量可分2步或多步進行，以保證掌子面穩定和對城市周邊環境的影響。

6）實時監測與信息反饋，每環管節裝配完成后均測量一體機姿態、管節位置、周邊地層變形以及施工影響范圍內的風險源變形，并及時反饋調整。

7）其他未盡部分執行現行國家頒布的與質量相關的技術規程、規范、質量標準和驗收規范等。

6 安全控制

安全控制過程中采取以下措施：

1）認真貫徹“安全第一，預防為主”的方針，建立健全安全管理體系，安全責任落實到人，做到人人懂安全，人人抓安全。

2）機械設備加強維護保養工作，嚴格執行操作規程，非專職操作人員不得操作機械設備。

3）加強液壓管線、壓漿管路和設備的檢查工作，工作期間高壓管線附近嚴禁站人。

4）加強用電的管理工作，線路嚴格按照相關規范布設，不得私拉亂接電線。

5）預應力鋼絞線張緊作業時，張拉設備背后嚴禁站人。

6）進行吊裝作業時，作業前應檢查被吊物、場地、作業空間等，確認安全后方可作業。

7）吊裝作業時必須緩起、緩轉、緩移，并用控制繩保持吊物平衡。

8）吊裝作業時，作業人員必須聽從統一指揮，協調一致。

9）施工人員必須把安全防護用品佩帶齊全。

10）裝配支護一體機必須試運轉，確認機械性能、各種閥門管路、電路和壓力表完好后方可施工。

7 結語

通過本工程施工的經驗，總結出了一種適合地下城市空間淺埋蓋挖快速裝配支護的施工技術。該技術可實現不中斷地面交通條件下明挖管廊機械化開挖、結構快速裝配支護功能，避免了傳統明挖施工占空大、成本高、周期長等問題，還可通過定制化設計適應不同地質條件下的明挖管廊施工，大幅提升裝備適應性。建議優化細部結構，進一步提升設備操作的便利性從而更加方便現場施工。該技術可進一步提高城市地下空間淺埋蓋挖法施工快速裝配支護技術水平，同時保證工程本身安全、質量及工期目標，降低工程造價。軟土地區采用標準化、模數化的可回收重復利用臨時路面系統，首道支撐采用鋼筋混凝土兼作臨時路面支承結構的新型蓋挖法，在姚村管廊項目建設中獲得成功。還系統地研究了臨時路面系統、豎向支撐體系、橫向支撐體系等關鍵技術[4]。這種新型蓋挖法能夠最大限度地降低對地面交通的影響，有極大的推廣價值。本項目的研究成果可在今后城市地下空間施工快速裝配支護技術施工中推廣應用。