預制式設備安裝系統在輸水盾構隧洞的研究應用

李 陽

(廣東省水利電力規劃勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510220)

1 概 述

珠江三角洲水資源配置工程從廣東省內西江水系取水，向珠江三角洲東部地區尤其是粵港澳大灣區供水，主要供水目標是深圳市、東莞市和廣州市南沙區的缺水地區。

工程的主要的起始點取水口和提水泵站位于佛山市順德區西江的鯉魚洲島，采用過江交通隧洞的方式與主體工程連建，鯉魚洲交通隧洞盾構段全長2.134 km，隧洞內徑6 m，采用泥水平衡盾構工法單線盾構，該盾構段下穿西江主水道，水深2.5～14.2 m，地質條件較為復雜，外水壓力大。隧洞底部為3.8 m寬度車道，車道兩側為0.59 m高度的檢修及人行通道，隧道兩側按照不同高程依次布置生活供水管道，消防供水管道，排水管道，強電供電電纜，監控及安防等弱電電纜，照明及指示牌，頂部設有通風排煙等設備及其支架。

盾構隧道或交通隧洞設備安裝工程[1]常規施工方法是在隧道土建施工完成后，各專業設備的安裝工人進場打孔安裝化學錨栓或膨脹螺栓，安裝設備支架，從而完成各專業設備管線的安裝。該方法大量依賴人力，效率低精度差,特別是對于該項目中的過江隧洞地質復雜，外水壓大，機電設備數量繁多，打孔量大，密集的打孔容易造成管片結構的破壞，帶來后期管片滲漏，破損等后果。

為實現高效快速的設備安裝，又不破壞盾構管片，預制式安裝技術能有效解決現有技術中的上述問題。該技術將合金低碳鋼滑槽與盾構管片[2]在預制階段就安裝在一起，盾構隧道完成后，可利用滑槽作為掛點靈活的安裝設備支架，該方案較好的解決了后期打孔安裝的問題，實現了預制式安裝，但實際應用中發現滑槽本身的耐腐蝕性能難以滿足盾構隧道100 a的使用壽命要求，由于無法精確定位后期設備安裝點位，因此需要全環預埋槽道，材料浪費較大，建設成本較高，對于管片的受力結構也有一定的影響。因此，新型預制式設備研究對提高盾構隧洞設備安裝質量和施工效率，降低施工風險和成本具有重要意義。

2 新型預制式設備研究

鯉魚洲過江交通隧洞作為國內首次采用盾構施工的水利交通工程，預制式設備安裝成為主要的科研創新突破口，在國內首次設立了基于預埋套筒的水利交通盾構隧洞全預制式設備安裝系統研究課題。

2.1 結構特點

研發并采用工業級316L或304不銹鋼材質的專用混凝土管片專業預埋套筒[3]，解決交通隧洞工程所使用的預埋件耐腐蝕、長壽命、高強度的問題。

經過大量研究和實驗數據比對，該項目選取了對沿海氣候及鹽霧耐腐蝕性能最佳，同時力學強度高的316L材質不銹鋼套筒，預埋套筒結構大樣、實物圖見圖1。

圖1 預埋套筒結構大樣、實物圖

研究并采用了基于盾構隧道管片拼裝角度模數的理論作為預埋套筒位置布局的依據。盾構管片的錯縫拼裝是按照一定的拼裝點位規律由盾構機掘進時同步完成的，經過深入研究，如果全環套筒的數量能按照管片錯縫拼裝角度的模數比(1/2，1/3或1/4)來選擇全環適當的套筒數量及等間距進行分布，在管片拼裝成型后，全環等套筒的標高和位置就可以保持一致，實現環向等距、縱向固定等高，利于外掛槽道的安裝，也為后期設備利用套筒進行直接安裝創造了有利條件，可節省外掛槽道使用量，也大大簡化了安裝工序和整體成本。

圖2 錯縫拼裝示意圖

如圖2所示，所述管環內側圓周面上繞所述管環Ⅰ的軸線等間距設有若干預埋套筒Ⅲ，相鄰所述預埋套筒Ⅲ之間的夾角與相鄰管環Ⅰ間錯縫拼裝的角度為整數倍數關系，例如，錯縫拼裝的角度為θ，則相鄰預埋套筒Ⅲ之間的夾角為α=θ/n,其中n為正整數且2≤n≤9，即n為2、 3……8或9。在一個實施例中，錯縫拼裝的角度θ為22.5°，n為3，則相鄰預埋套筒Ⅲ之間的夾角為7.5°，一個管環Ⅰ上的預埋套筒Ⅲ上的數量為48個。這種設置方式下，同一高度下的預埋套筒Ⅲ在隧道縱向S上呈一直線排列，可以保證安裝的設備支架也呈直線。

預埋套筒Ⅲ的環向C線路選擇需避開盾構管片Ⅱ內主鋼筋、吊裝孔、盾構管片Ⅱ連接螺栓位置且距離需大于5 cm以上，避免預埋套筒Ⅲ與主鋼筋籠沖突，或后期安裝支架與吊裝孔、連接螺栓的埋放位置沖突。預埋點距離管邊界也應大于5 cm，避免預埋套筒Ⅲ位于盾構管片Ⅱ強度薄弱的邊緣。

根據以上拼裝模數理論，該項目的盾構隧洞內徑6 m，盾構隧洞環向由六個盾構管片(一個封頂塊，兩個相鄰塊，三個標準塊)拼裝組成，環間采用錯縫拼裝方式，錯縫角度為22.5°，該項目選取了錯縫拼裝角度的1/3(7.5°)作為錯縫拼裝模數比，并以此計算出全環等間距預埋套筒數量為48個，套筒等分弧長間距392.7 mm，套筒埋深90 mm。該套筒間距的選擇有利于套筒的全環分布，也有利于利用套筒安裝外掛槽道，也可以在兩個套筒上直接安裝支架。管片襯砌環構造圖見圖3。

圖3 管片襯砌環構造圖

預埋套筒分布軸線為管片中心軸線偏上15 cm，以避開管片主鋼筋，吊裝孔及管片連接螺栓，距離管片左右邊緣需大于5 mm，且不可與鋼筋直接接觸。

2.2 預制施工工藝

預制施工是本技術最重要的環節，盾構管片是在管片預制工廠自動化生產線高效生產完成，預制工藝流程為：

管片模具準備及放入鋼筋籠-混凝土澆筑及振搗-蒸汽硬化-管片脫模-水池養護14 d-吊裝運輸-隧道盾構拼裝。

預埋套筒全程將經歷高溫、高壓和高堿和振動的沖擊，在不改變管片廠主要工藝流程和增加工作量的基礎上，如何實現套筒的高效率預埋預制，同時確保套筒預埋定位的精確性，傾斜度合格，套筒內部不漏漿，還能經過吊裝運輸盾構機拼裝后不損傷預埋套筒，管片模板可長期重復使用，是該項目的主要科研課題。

在大量科學研究和工廠實驗的基礎上，本項目在預埋預制工藝上也做技術創新，采用在管片鋼模上打出高精度的定位孔，利用獨特設計的復合材料定位端頭起到了定位和固定作用，實現了快速安裝施工和脫模，并且能保證不銹鋼套筒的預埋質量，能達到設計要求的精確度和預制質量，且能適應規模化工廠預制管片的生產，并以此預制工藝技術申請了相關專利。

2.3 安裝方式

外掛槽道與預埋套筒直接安裝相結合的安裝方式，能利用預埋套筒直接安裝設備的區域則直接安裝在預埋套筒上，其余部分則采用外掛槽道進行靈活安裝，采用了錨點預埋與外掛滑槽相結合的技術，解決了點線面的各類型安裝需求，在隧道環向和縱向均可靈活地解決所需的掛點，包括未來新增的掛點均可提供，可根據需求靈活使用有利于節省工程成本。

2.4 結構性能

2.4.1 力學性能

新型基于預埋套筒的預制式安裝系統作為隧道結構性掛件，預埋套筒與盾構管片同步預制施工制作完成，作為盾構管片的組成部分，具有非常良好的力學性能。M12的預埋套筒極限拉拔測試值遠大于80 kN以上，而打孔安裝的M12規格化學錨栓或者膨脹螺栓僅能達到15-30 kN。預埋套筒力學性能見表1。

表1 預埋套筒力學性能表

此外，在防震防松方面做了大量的測試也證明其具有非常良好的性能，基于預埋套筒的預制式安裝系統對于隧道設備的安全提供了非常有利的保障。

2.4.2 耐久性能

預制式套筒選用316L工業級不銹鋼是目前國際上公認的具有非常優秀的防銹耐腐蝕和鹽霧性能的不銹鋼材料，具有與盾構管片相同的使用壽命。測試用盾構管片及其316L不銹鋼預制套筒，露天存放6 a后，除了表面有少量污跡之外，仍然完好如初，證明預埋套筒具有非常優秀的防銹蝕、耐高溫、濕熱、水霧、酸堿鹽霧等性能。

預制式安裝系統解決了傳統打孔安裝的錨栓設備，只具有20 a使用壽命的問題，大大拓展了盾構管片及其安裝設備的使用壽命，節約了建設和維護更換資金。

2.4.3 對盾構管片的保護性能

盾構隧道采用的打孔安裝工藝以及前期建設期和運營期的臨時和固定設備安裝，每環管片的打孔量有60個左右，每公里達到40 000個左右，因打孔造成打斷鋼筋，或者重新鉆孔，管片崩塊裂縫，滲水透水，孔位傾斜等問題較為嚴重。

采用新型基于預埋套筒的預制式安裝系統很好地解決了這個問題，每環48個預埋套筒等間距分布，每公里32 000個預埋套筒，可為隧道內任意位置的設備安裝提供預制式錨點，避免了打孔安裝帶來的各種破壞。

相較于全預埋槽道[4]方案，每環管片48個套筒在管片內占用的體積只有全環預埋槽道的20%，避免了預埋槽對盾構管片的受力結構的影響。

不銹鋼套筒的使用壽命可達到與盾構管片同樣的壽命，避免了其他工藝20 a左右需要重新更換基于普通碳鋼的預埋掛件的銹蝕風險。

綜上所述，基于預埋套筒的預制式安裝系統和工藝對于盾構管片起到了良好的保護作用，在全壽命周期內把對盾構管片的影響降低到了最小。

2.5 工程影響

2.5.1 施工效率

隧道機電施工中阻礙安裝效率提升的主要工序是在盾構管片上打孔并安裝化學錨栓或者膨脹螺栓，每公里工作量工時由4 300 h，采用新技術將其前移到管片預制工廠后，隧道地下施工現場可直接安裝支架設備，可大大簡化和減輕隧道現場工作量。

由于采用了非常簡潔可靠的預制工藝[5]，預埋套筒的預制僅僅在預制廠增加了公里工作量約300 h，隧道現場由4 300 h打孔安裝錨栓的工作量減少到400 h左右，現場工作量只有原來的1/10左右，可整體節約全線進度約1個月左右，大大加快了工程建設的速度。

根據下圖現場測算，一個工人現場安裝速度每天平均可達100環以上，常規打孔安裝錨栓的速度約為10環左右，工效提升明顯。

2.5.2 工程質量

結合BIM從設計端開始設計套筒的布局和機電設備管線的分布位置，精度可達毫米級別，全流程精細化設計和施工，提升了工程質量。管片生產工廠完全按照國家環保標準建設和管理，現代套筒的預埋和管片的預制工廠整潔干凈，工藝先進自動化設施齊全，工作環境寬敞明亮，預制式機電設備安裝實現了工廠化標準化生產，改變了原來現場安裝的各種弊端，為工程質量的提升做出了有力保障。隧洞成型效果圖及預制式設備投入使用見圖4、5。

圖4 隧洞成型效果圖

圖5 預制式設備投入使用圖

2.5.3 節能減排

傳統打孔安裝工藝，由于隧道工作面狹窄，無水無電無空調，通風照明條件差，噪音高且粉塵飛揚，工人勞動強度大，嚴重影響工人健康，同時由于工程普遍存在趕進度的情況，不同專業交叉施工，密集作業容易引發工傷事故，還有大量的支架設備是依靠現場切割和焊接等特殊作業完成，也容易帶來火災隱患和人身傷害。隨著老齡化社會的到來，依靠人力為主的施工現場難以維系，實現自動化和工廠化生產才是最終的解決方案。

新型預制式安裝系統的隧道現場工地整潔干凈，無噪聲粉塵污染，無需交叉施工趕工期，無需動火用電，標準化的外掛槽道安裝后避免了支架焊接切割等特種作業，所有工序按照固定標準執行避免了人為因素干擾，真正實現了文明施工，綠色施工，保護了自然環境和生態環境，減輕了工人勞動強度和職業病風險，減少了工傷事故的發生。對于施工單位而言，可以實現標準化科學管理，提升了工廠和施工現場管理水平，有利于改善工人的勞動條件，身體健康，減少了工傷事故風險，減少了勞保和事故賠償支出。

另外，相比較全預埋槽道工藝每公里70 t左右的鋼材使用量，基于預埋套筒的預制式設備安裝系統僅需要預埋8 t左右的不銹鋼套筒，大大節省了鋼材使用量，整體成本造價也得到了降低，通過精確定位，科學布點實現了節能減碳，降耗增效。

3 結 語

預制式設備安裝技術采用全新技術填補了水利系統盾構隧道預制式設備安裝領域的空白，將后期設備安裝工序前置，無需在隧道現場打孔，通過在管片預制工廠采用基于管片模板設計的預埋預制技術，即可快速地進行管片及其預埋套筒的大批量預制生產，結合外掛槽道和設備支架的安裝使用，從而實現了隧道設備快速安裝，大大加快了地鐵盾構隧道設備安裝的進度和提高了工程質量，保護了盾構管片免受打孔植筋造成的破壞。現今該盾構隧洞已提前完工并通過整體驗收，事實證明此盾構隧道預制式設備安裝系統在應用中取得了非常好的應用效果。