城市淺埋蓋挖快速裝配支護施工技術研究

劉成龍

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250014)

1 前言

隨著我國城市化進程的推進，城市地下空間開發利用快速增長，在國家創新驅動發展戰略引領下，城市地下空間建設由“功能為主”向“創新、協調、綠色、開放、共享”的全新建設理念轉變，建設多維、網絡化、一體化的城市地下空間已成為必然的發展趨勢，城市地下空間建設已進入全新發展時代，我們的基建水平已經達到世界領先水平[1－2]。城市市政管線綜合管廊化是目前國家政策要求和提高市政管線敷設的發展方向[3]，通常采用明挖法施工，明挖法具有環境影響大和造成城市交通擁堵等缺陷[4－5]，采用裝配式施工工藝具有施工速度快、占用時間短、工程質量優、環境擾動程度弱、施工作業空間小、公共安全風險低等優勢，給地下工程建設帶來新的研究動力[6]。

閔傳杰等[7]總結了節段式整體預制管節的設計研究和預制拼裝施工技術；焦勇強等[8]等通過對整體預制拼裝式綜合管廊接頭型式和防水構造的研究，總結了常見的管廊接頭及防水技術；余常俊[9]對綜合管廊的結構型式、分類、組成系統、防水機理、防火措施、施工方法、安保及監控措施等方面進行了總結；安建良[10]從綜合管廊管節設計、預制、現場拼裝以及綜合管廊附屬設施等方面，闡述了整體預制裝配式混凝土綜合管廊的拼裝技術。

本文依托太原市姚村綜合管廊工程，詳細介紹在不中斷路面交通條件下地下大空間機械化開挖施工、結構快速裝配支護、覆土即時密實回填快速恢復道路。該施工技術通過縱向和橫向模塊化組合，實現開挖跨度可變；通過設備主機結構殼體實時平衡側向土壓，實現無預設圍護結構支護的快速綠色施工。

2 工程概況

山西綜改示范區起步區姚村綜合管廊建設工程包括管廊主體工程和管廊附屬工程等。管廊長度為4.90 km，為支線管廊，單側布置，管廊布置于姚村規劃路北側綠化帶下。人民路至真武路，采用三艙矩形斷面；真武路至太太路，采用四艙矩形斷面。入廊管線有污水、給水、再生水、熱力、天然氣、電力和通信等七種管線。

道路工程起點為人民路，終點為太太路，全長5.89 km，紅線寬度60 m，為主干路，是太原起步區中部的主要干道。建設內容包括道路工程、橋涵工程(不包含瀟河大橋)、排水工程、照明工程、綠化工程、交通工程及其他工程(包含再生水工程、公交侯車廊及公共自行車點)等。

雨水方涵全長3 436.4 m。本次淺埋蓋挖快速裝配支護施工里程選定為K4＋110～K4＋610，長度500 m，結構截面尺寸為3.5 m×2.5 m，最大開挖深度6.1 m，頂板覆土深度為2.7～4 m。

3 城市淺埋蓋挖快速裝配支護技術

3.1 工作井設計與施工

本工程工作井分為始發井和接收井，始發井內徑尺寸25 m×6.4 m，接收井內徑尺寸18 m×6.4 m，工作井圍護結構采用 40C熱軋普通工字鋼，一丁一順連接，基底采用800 mm厚砂石墊層＋300 mm厚C20素砼進行基礎加固，后背墻采用1排高壓旋噴樁插入 40C熱軋普通工字鋼＋3排高壓旋噴樁對背墻土體進行加固。

3.2 設備拼裝、調試

城市淺埋蓋挖快速裝配支護施工技術主要施工設備為蓋挖快速裝配支護一體機(見圖1)，外形尺寸(長×寬×高)為18 m×4.32 m×6.5 m，設備總重200 t，最大零部件24.2 t。

圖1 蓋挖快速裝配一體機

根據蓋挖快速裝配支護一體機的主要設備尺寸大和重量大的特點，結合現場實際情況，通過分析和驗算，始發井蓋挖快速裝配支護一體機選擇采用100 t汽車吊進行安裝、調試。

3.3 插刀＋護盾鋼結構，實現預支護施工

傳統施工工法需在基坑開挖前進行兩側鋼板樁支護施工，占用額外工期且成本高昂。新型一體機采用成組插刀超前支護(如圖2所示)，插刀組件布置在設備前盾側壁上，由機械結構、液壓驅動等功能系統組成，通過護盾對開挖的基坑兩側進行強支護，有效穩定和控制了基坑土體變形。工作時，插刀插入前方兩側土體，起到超前支護功能。開挖時身上的挖機始終在兩側插刀建立的預支護保護下開挖，這樣形成了短進尺、快換步開挖作業方式，可始終保持開挖期間、開挖后土體實時支護。

圖2 插刀和護盾密貼支護兩側土體示意

插刀外側表面超出盾體外殼表面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，根據地層自穩性可有兩種工作模式，具體說明如下:

在含水率較小的環境采用清渣擋土模式，由于挖掘機在開挖掌子面插刀之間區域土層時難以精確控制開挖邊界，為避免兩側超挖，可預留出一定厚度的土層，由插刀在插入殘余土層過程中將其剝離。這種工作模式下，插刀插入阻力小，插刀系統可成組控制、同步伸出，從而快速清除兩側殘余覆土層，提高開挖速度。

在含水率較大的環境采用超前支護模式，由插刀插入盾體前方土體0.5～1 m深度，形成超前支護體系，然后再用挖機開挖。這種方式的優點是提供超前支護，有利于開挖面穩定，但由于需要插刀插入土體，對插刀插入的推力要求高，單個插刀寬度不宜過大且結構強度和剛度要求高。

3.4 開挖掘進

為了減少施工對城市交通造成的影響，充分利用地面設備開挖功能，在保障安全的前提下，采用地面＋設備聯合開挖作業模式(如圖3所示)。在地面＋設備聯合開挖作業模式下，一體機前部地面預留大型挖機作業空間，前盾內的升降平臺上配置小型挖機。上層土方縱向距離長度2～5 m，開挖深度2～3 m，由地面大型挖機開挖；下層土方由設備上的挖掘裝置開挖，開挖時可通過升降平臺調節作業高度。這種聯合開挖模式具有很高的綜合施工效率，理論上可實現30 m/d以上施工速度(傳統方式≤10 m/d)。

圖3 地面－設備聯合開挖模式

一體機出渣系統(如圖4所示)是采用螺旋機＋雙吊桶連續出渣，主要由螺旋機轉運部分和垂直提升部分組成。螺旋機轉運部分采用螺旋機將渣土運輸至渣斗，在螺旋機尾端設置兩個橫向并排布置的接渣斗，可交替裝渣實現連續垂直提升。

圖4 出渣系統

垂直提升部分采用吊裝箱涵的汽車吊提升渣斗，不增加配置且可充分利用項目已有設備。在汽車吊作業時可在下面鋪墊厚鋼板防傾覆，鋼板實現交替使用，在無需加固路面條件下解決地面承載力問題。渣斗提升到地面后通過卸渣裝置架卸入渣土車內。

3.5 地基處理

設備前進距離≥2 m，確保盾尾底部軸向間距滿足箱涵吊裝空間需求，采用與常規明挖施工相同的基底材料鋪填，每200～300 mm厚度用手持式振動夯壓實，回填至管節設計底高程。完全下放箱涵并落到換填層上，測量高程，出現下陷超標時通過管片壁后注漿鋪填一層混凝土漿液以固化換填層表面。

3.6 管節吊裝與管節拉緊

管節(如圖5所示)由預制廠集中整體預制[11－12]。地基處理完畢后，下放預制管節，在管節接觸到基底墊層后，用推進油缸將其頂推與已裝配管節承插口對接；管節吊裝完畢后，監測高程，每3環管節裝配后采用預應力鋼絞線張拉鎖緊。

圖5 管節拼裝

3.7 推進系統頂進

推進系統(如圖6所示)由多組液壓油缸和控制系統組成，以新安裝的管節作為反力支座，推動整機在已開挖的基坑內整體前移。液壓油缸分別布置在下層安裝支架的上、下、左、右四個側支架上，共有4根，最大行程2.6 m，油缸既可獨立控制也可成組控制。頂進油缸在與管節結構的接觸端處均設置有頂鐵結構，避免推進反力使管節結構產生應力集中從而危害結構安全。

圖6 推進系統作業狀態

3.8 回填及路面恢復

利用開挖渣土，應用土體固化技術，采用預拌流態固化土材料進行管節上部及兩側的回填施工，回填效率高、質量好，能夠滿足及時回填密實的要求，實現路面交通快速恢復。

3.9 不中斷道路交通的活動蓋板應用方法

在通過與地面平齊或高于地面一定高度的道路時，為不中斷路面交通，設備采用蓋挖模式施工。通過一種活動蓋板裝置(如圖7所示)，可與一體機主機配合，在不影響設備掘進條件下實現路面交通部分或全部恢復。在此模式下，設備上部加裝一活動蓋板，蓋板部分安裝在主機頂部，為一個可拆卸的鋼結構件，蓋板兩端分別搭接在中斷的道路兩側，能夠允許一定載重的車輛從蓋板上通過。蓋板與蓋挖快速裝配支護一體機上層側壁可采用鉸接連接進行支撐，能夠跟隨作業車移動。施工時，活動蓋板跟隨設備一同移動，同時在地面蓋板入口兩側設置交通導引標識和相應的引導結構(如欄桿)，有序引導允許的車輛類型通過施工地段。

圖7 蓋挖模式下車輛通過道路示意

蓋板裝置嚴格按照設計承載能力通過，不允許超載。采用中間支撐結構時，應確保蓋板兩側底板與地面搭接狀態良好避免蓋板移動錯位。

4 淺埋蓋挖快速裝配施工優勢及功效

淺埋蓋挖快速裝配施工技術旨在大大提高城市管廊施工開挖、出渣、支護作業的效率、能適應不同管廊斷面、降低作業人員的勞動強度、降低施工成本。其主要技術優勢為:

(1)通過道路時實現不中斷交通施工，采用設置蓋板實現淺覆土條件下不中斷路面交通的管廊橫穿道路施工。

(2)實現不同坡度的放坡量。相對傳統要進行大面積放坡的淺埋蓋挖法，該施工采用插板提前支護＋盾體初期支護，可實現側面不放坡、正面極少量的放坡。

(3)具備更高的開挖效率。掌子面開挖可實現機械化施工，提高開挖效率，更進一步解放人力。

(4)具備更高的出渣效率。配備皮帶機出渣系統，實現自動化出渣，極大提高出渣效率。

(5)實現快速高質量裝配支護。采用預制管節支護，裝配支護快速，裝配質量高。

(6)斷面適應能力強。采用模塊化設計，通過改變盾體部分結構，可以適應寬度和深度在一定范圍內變化的基坑斷面施工，通過模塊化組合能夠實施大斷面協同作業，具有高度靈活性。

支護一體機作業時能夠實現開挖、支護、出渣和路面回填施工同步作業，較傳統鋼板樁支護＋現澆管節的管廊施工工藝更為高效。現根據設備主要工序的完成時間，管節為2 m一節，將每循環工序的施工用時統計如表1所示。每天按照12 h現場作業總時間計算，設備工作10 h，預留2 h物料和管節供應、停機清理等施工管理耗時，每天可完成10 m進尺。在現場操作人員熟悉設備使用方法、現場物料準備充分、配送管理高效和地層降水效果良好條件下，可實現成倍的進尺提升。

表1 蓋挖快速裝配支護一體機施工效率分析

5 結束語

本工程探索和驗證了基于快速裝配支護一體機的新型基坑機械化施工技術，示范了基于新型裝備的快速裝配支護技術和工法，達到了預期目標并具有良好示范效果:新裝備提供了一種替代城市環境下傳統明挖基坑施工方法的新技術；實現無需鋼板樁預支護條件下安全、高效的綜合管廊施工；最大日施工速度達到24 m，大幅領先傳統明挖工法不超過10 m/d的施工速度；具備在施工條件下不中斷路面交通功能。