裝配式管廊建造實(shí)例

文/圖

蜀龍五期綜合管廊位于成都市主城區(qū)，中交第二航務(wù)工程局有限公司進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)并成功實(shí)施了全國(guó)首例預(yù)制分片式綜合管廊。

綜合管廊建造技術(shù)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)預(yù)制分片綜合管廊構(gòu)件繁雜、沒(méi)有通用的構(gòu)件使得工業(yè)化建造難以實(shí)現(xiàn)。另外，目前預(yù)制綜合管廊節(jié)點(diǎn)大多為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，而綜合管廊節(jié)點(diǎn)較多、占比重較大，導(dǎo)致綜合管廊整體預(yù)制率不高。

綜上，第一，目前并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)綜合管廊節(jié)點(diǎn)占比較重、埋深淺、線形長(zhǎng)等特點(diǎn)的施工工法。盾構(gòu)及頂管法造價(jià)較高且在節(jié)點(diǎn)處的施工復(fù)雜，難以推廣。第二，主要在城市修建的綜合管廊對(duì)環(huán)保要求高，而常規(guī)的明挖法施工作業(yè)面大、施工時(shí)間長(zhǎng)、塵土較多，對(duì)周邊環(huán)境及交通影響大，以人工為主的工藝較為落后。隨著人工成本的增加及綠色建造的需求，需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)制構(gòu)件工業(yè)化建造、節(jié)點(diǎn)預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)化綜合管廊，以及一種機(jī)械化、綠色化、智能化、信息化的施工工法。第三，目前預(yù)制綜合管廊結(jié)構(gòu)類(lèi)型繁多，單塊預(yù)制構(gòu)件適用性差，各個(gè)工程預(yù)制構(gòu)件難以適應(yīng)工業(yè)化建造，綜合管廊節(jié)點(diǎn)均為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)且在整個(gè)工程中占比較重，拉低了綜合管廊整體的預(yù)制率。

蜀龍五期綜合管廊解決方案

為響應(yīng)國(guó)家綠色建造號(hào)召，結(jié)合綜合管廊建造技術(shù)自身的特點(diǎn)并借鑒盾構(gòu)法、頂管法技術(shù)，以及機(jī)械化施工、工業(yè)化建造的思想，創(chuàng)新了一種地下廊道綠色建造技術(shù)。該技術(shù)包括可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制造的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制管廊、同步流水機(jī)械化施工工法，以及無(wú)需基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自支護(hù)管廊施工專(zhuān)用裝備。

組圖： 試拼成環(huán)

經(jīng)中國(guó)公路學(xué)會(huì)組織評(píng)價(jià)，中交第二航務(wù)工程局有限公司承擔(dān)的成都蜀龍五期成套關(guān)鍵核心技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目成果已授權(quán)專(zhuān)利15項(xiàng)（其中發(fā)明專(zhuān)利9項(xiàng)），發(fā)表學(xué)術(shù)論文4篇。本成果獲2019年度中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，研發(fā)的裝備榮獲中國(guó)節(jié)能協(xié)會(huì)特等獎(jiǎng)。

國(guó)內(nèi)自支護(hù)裝配式一體化地下管廊建造技術(shù)的誕生

早在2016年9月，中交第二航務(wù)工程局有限公司就開(kāi)始了這項(xiàng)創(chuàng)新研究。針對(duì)近年城市綜合管廊建設(shè)這一新領(lǐng)域，中交二航局以施工為切入口，向上游延伸到管廊結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，同步進(jìn)行專(zhuān)用施工裝備的研發(fā)。以局技術(shù)中心為研發(fā)龍頭，調(diào)動(dòng)局內(nèi)結(jié)構(gòu)公司、裝備公司和武港院共同參與研發(fā)，并由結(jié)構(gòu)公司負(fù)責(zé)設(shè)備制造，裝備公司監(jiān)造。

管廊結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

始發(fā)基坑

矩形的、圓形的管廊，或許早已司空見(jiàn)慣，但馬蹄形的僅此一家。這種天圓地方、上拱下平的管片，只能預(yù)制，不能現(xiàn)澆，而且預(yù)制也對(duì)模具有著相當(dāng)高的要求。在研發(fā)過(guò)程中，主創(chuàng)們拋棄了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式，經(jīng)過(guò)反復(fù)核算，最終確定這個(gè)既實(shí)用又美觀的馬蹄形，但也選了一條最不好走的路。在管片拼裝成馬蹄形的過(guò)程中，如何確保管片間的凹凸榫精準(zhǔn)對(duì)位、如何快速完成管片間的螺栓穿插及擰緊、如何快速完成管環(huán)間的對(duì)接等，都是始發(fā)過(guò)程中遇到的問(wèn)題。由于這次的創(chuàng)新是全產(chǎn)業(yè)鏈的，即管片的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及施工都是內(nèi)部可控的。于是，項(xiàng)目成員從各個(gè)環(huán)節(jié)找尋最佳的解決辦法。通過(guò)預(yù)制時(shí)預(yù)埋精準(zhǔn)的吊裝孔，利用其重力引導(dǎo)，便完成了凹凸榫的精準(zhǔn)對(duì)位；通過(guò)優(yōu)化施工細(xì)節(jié)，明確的工序交底，管片間的螺栓穿插及擰緊在第二環(huán)時(shí)效率就提高了一倍；通過(guò)一套簡(jiǎn)潔但高效的牽引結(jié)構(gòu)，管環(huán)之間的連接暢通無(wú)阻。

施工裝備的創(chuàng)新

有了好瓷器，不能沒(méi)有金剛鉆；有了獨(dú)一無(wú)二的管片結(jié)構(gòu)，當(dāng)然要有一個(gè)相映成輝的施工裝備——地下管廊拼裝掘進(jìn)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)由三艙組成，各艙鉸接，能夠擬合轉(zhuǎn)彎半徑300米的地下管廊曲線，并提供了干燥的管片拼裝空間。10月初，掘進(jìn)機(jī)就逐步進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)?！爸鸩健笔且?yàn)檠b備太大，只能分段運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)，再經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)組拼，方能施工。從組裝到始發(fā)，從零散的部件到慢慢聚成龐然大物的過(guò)程中，最棘手的莫過(guò)于地基的不均勻沉降了。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在最重的一個(gè)70噸結(jié)構(gòu)段下放至始發(fā)坑時(shí)，監(jiān)測(cè)人員告知該結(jié)構(gòu)存在傾斜，而原因就是地基的不均勻沉降。倘若設(shè)備整體拼裝成形了，那么不均勻沉降是可以適應(yīng)的。但結(jié)構(gòu)段之間的拼裝，特別是掘進(jìn)機(jī)前后兩艙之間的防水密封處的接合，就需要精確控制了。全體成員集思廣益，想到了一個(gè)古老但實(shí)用的辦法——先讓需要接合的結(jié)構(gòu)段下放到始發(fā)坑，并在結(jié)構(gòu)段底部塞圓鋼，調(diào)整標(biāo)高的同時(shí)，方便滑移。當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)段達(dá)到接合需要的精度時(shí)，便提前完成接合工作，然后再進(jìn)行其他拼裝工作。敢這樣改變安裝步驟，正是因?yàn)橹鲃?chuàng)人員們?nèi)虆⑴c掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)、制造與安裝，深知掘進(jìn)機(jī)的脾性，方能靈活處理。

分片預(yù)制裝配式管廊接頭力學(xué)試驗(yàn)

通用分片結(jié)構(gòu)

構(gòu)件吊裝

構(gòu)件拼裝

頂推成型管廊

土方回填

施工方法的創(chuàng)新

瓷器有了，金剛鉆也有了，剩下的就看技藝了。傳統(tǒng)的施工方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，新工法將幾個(gè)工序組合到一起，同步施工，則省時(shí)省力。但在實(shí)現(xiàn)理想之前，有幾個(gè)坎得邁過(guò)去。第一環(huán)施工過(guò)程中，最重要的關(guān)口莫過(guò)于將拼成環(huán)的管片推出掘進(jìn)機(jī)，在與反力架連接后，又能準(zhǔn)確地將掘進(jìn)推到目標(biāo)位置。這個(gè)過(guò)程是單向的，不可逆的，所以必須謀定而后動(dòng)。在精確測(cè)取掘進(jìn)機(jī)的位姿后，反力架安裝時(shí)做了相應(yīng)調(diào)整，以確保管片上的螺栓孔能精確對(duì)位。管片推出過(guò)程中，監(jiān)測(cè)人員高頻報(bào)告測(cè)量結(jié)果，在毫米級(jí)的控制下，管片順利與反力架連接。然后，掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始它的第一次掘進(jìn)。始發(fā)坑里，沒(méi)有任何東西給掘進(jìn)機(jī)以反向約束，容易造成掘進(jìn)路線偏擺后不易回調(diào)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，項(xiàng)目成員在掘進(jìn)機(jī)前方分層回填了不同砂石，問(wèn)題迎刃而解。待到第二環(huán)施工，解決了環(huán)與環(huán)之間的連接后，始發(fā)就算是圓滿(mǎn)完成了。

回想14個(gè)月前，項(xiàng)目剛籌謀的時(shí)候，諸多的未知和困難需要解決。正因?yàn)槿绱耍及l(fā)才有了讓人心神安定的力量。

蜀龍五期綜合管廊創(chuàng)新成果

自主研發(fā)了自支護(hù)裝配式一體化施工裝備

利用裝備本身的強(qiáng)度和剛度代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，避免了圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的資源浪費(fèi)，降低了工程成本；裝備通過(guò)液壓系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)和監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)管廊平縱曲線的擬合，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)施工，將施工作業(yè)面的長(zhǎng)度控制在百米內(nèi)，改變了傳統(tǒng)施工大開(kāi)挖，占地面積大、時(shí)間長(zhǎng)的不足；使用該裝備實(shí)現(xiàn)了綜合管廊的全機(jī)械化施工，減少了人力。

自支護(hù)裝配式一體化施工裝備集成了盾構(gòu)機(jī)、頂管機(jī)的工作原理，首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下的綜合管廊機(jī)械化施工，該裝備整體是鋼材料的箱型結(jié)構(gòu)，具有抵擋土體的能力，土方開(kāi)挖、構(gòu)件拼裝、土方回填在艙體內(nèi)進(jìn)行，不再需要臨時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從根本上改變了傳統(tǒng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能回收利用造成的資源浪費(fèi)，顯著減少了工程成本。設(shè)備本身長(zhǎng)度為24米，加上其它施工設(shè)備，單個(gè)施工作業(yè)面的長(zhǎng)度在100米以?xún)?nèi)，單個(gè)施工作業(yè)面完成后，利用設(shè)備的自行走系統(tǒng)完成施工作業(yè)面的轉(zhuǎn)移，解決了傳統(tǒng)施工占地時(shí)間長(zhǎng)、面積大的不足。

自支護(hù)裝配式一體化施工裝備由裝備結(jié)構(gòu)、自行走系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)三大部分組成，實(shí)現(xiàn)綜合管廊的機(jī)械化作業(yè)。

裝備結(jié)構(gòu)。裝備結(jié)構(gòu)由開(kāi)挖支護(hù)艙、構(gòu)件拼裝艙、回填支護(hù)艙、懸臂龍門(mén)吊、頂部平臺(tái)，每個(gè)艙室之間相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)裝備平推、抬頭、低頭、轉(zhuǎn)向等工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)的剛度能夠滿(mǎn)足一級(jí)基坑的要求，從根本上改變了傳統(tǒng)明挖法施工打設(shè)SMW、鉆孔樁、地連墻等基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方式，并且鋼結(jié)構(gòu)可回收再利用，避免了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的資源浪費(fèi)。

自支護(hù)裝配式一體化施工裝備的主要組成

艙室與艙室之間鉸接，可實(shí)現(xiàn)裝備在轉(zhuǎn)彎半徑大于300米情況下的轉(zhuǎn)向，適用性強(qiáng)。開(kāi)挖支護(hù)艙前部為三角形刃口結(jié)構(gòu)，在液壓油缸的推動(dòng)下將開(kāi)挖艙插入土體，為挖機(jī)提供作業(yè)空間。頂部平臺(tái)置于開(kāi)挖支護(hù)艙的上方，加強(qiáng)刃口處的剛度，使得刃口能夠插入較硬的黏土、砂土中，增強(qiáng)裝備的適用性。

自行走系統(tǒng)。自行走系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)控制油缸頂推已拼裝成環(huán)的管廊實(shí)現(xiàn)裝備自行走的功能，共16條推進(jìn)油缸分為4個(gè)分區(qū)，通過(guò)控制不同分區(qū)的油壓和行程控制裝備轉(zhuǎn)向、抬頭、低頭的姿態(tài)。監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)可分別監(jiān)測(cè)兩艙的各自姿態(tài)，換算出兩艙之間的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖支護(hù)艙、構(gòu)件拼裝艙的姿態(tài)自動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)監(jiān)控方、調(diào)位方和測(cè)量方的三方實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊；實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件自動(dòng)化、信息化調(diào)位安裝。

輔助系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)由鉸接系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)、注漿注脂系統(tǒng)組成，主要作用是實(shí)現(xiàn)施工工程中的裝備轉(zhuǎn)向、構(gòu)件定位、填充裝備與地層間的間隙，輔助完成機(jī)械化施工。

首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下的移動(dòng)支護(hù)式機(jī)械化施工，裝備操作僅需4人，對(duì)比傳統(tǒng)建造技術(shù)降低了工程造價(jià)10%以上，節(jié)約人力資源60%以上，單次施工用地長(zhǎng)度可控制在100米以?xún)?nèi)，2周即可恢復(fù)單次施工用地交通，極大地降低了施工對(duì)城市交通的影響。

發(fā)明了土方開(kāi)挖-構(gòu)件拼裝-土方回填同步流水施工工法

通過(guò)采用自支護(hù)裝配式一體化施工裝備施工使得土方開(kāi)挖、構(gòu)件拼裝、土方回填之間沒(méi)有干涉，形成流水，消除了各個(gè)工序之間的搭接時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速施工。開(kāi)挖的土方可直接用于回填，減少了土方外運(yùn)放量，有利于環(huán)保。

該工法流程包括：第一，在管廊的起始端位置開(kāi)挖長(zhǎng)條形始發(fā)基坑，在始發(fā)基坑內(nèi)組裝；第二，以拼裝成型的首環(huán)管廊和始發(fā)反力架作為反力支撐，利用構(gòu)件拼裝艙的頂推油缸將設(shè)備整體向前推進(jìn)；第三，支護(hù)艙刃口頂入土體，在支護(hù)艙的臨時(shí)支護(hù)下，地面的反斗挖掘機(jī)開(kāi)挖支護(hù)艙內(nèi)土體；第四，當(dāng)裝備的推進(jìn)距離滿(mǎn)足下一環(huán)管廊拼裝空間時(shí)，停止推進(jìn)，并在構(gòu)件拼裝艙內(nèi)拼裝下一環(huán)管廊；第五，在設(shè)備向前頂進(jìn)的同時(shí)，支護(hù)艙對(duì)已安裝好的管廊兩側(cè)土體進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，在支護(hù)艙內(nèi)同步進(jìn)行回填、夯實(shí)，恢復(fù)路面。

在成都蜀龍五期綜合管廊工程中，平均每天施工長(zhǎng)度可達(dá)10米，施工效率是傳統(tǒng)施工技術(shù)的1.5倍。開(kāi)挖的土方直接用于回填，減少土方外運(yùn)量60%。

發(fā)明了具有標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件的馬蹄形預(yù)制裝配式綜合管廊結(jié)構(gòu)型式

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的頂塊、側(cè)墻塊、中墻塊和底塊組成單艙及多艙綜合管廊，有利于工業(yè)化建造。改變了傳統(tǒng)建造技術(shù)節(jié)點(diǎn)全為現(xiàn)澆的現(xiàn)狀，將綜合管廊工程的整體預(yù)制率從80%提高到95%以上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了綜合管廊工程的預(yù)制裝配化。

從綜合管廊斷面利用率、受力性能和工業(yè)化建造等方面考慮，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的思想設(shè)計(jì)了由頂塊、側(cè)墻塊、底塊和中墻塊組成的單艙及多艙馬蹄形綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面型式。采用標(biāo)準(zhǔn)化通用構(gòu)件，構(gòu)件可通用于不同斷面、不同艙室的綜合管廊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的模具實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，改變一個(gè)綜合管廊斷面一套模具的“定制化”生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)預(yù)制綜合管廊的工業(yè)化制造。

預(yù)制節(jié)點(diǎn)具有標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制側(cè)板、預(yù)制端板、標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制分倉(cāng)板及疊合板，通過(guò)若干側(cè)板、端板、分倉(cāng)板和疊合板拼裝成綜合管廊通風(fēng)口、投料口、逃生口等節(jié)點(diǎn)，從根本上解決常規(guī)綜合管廊節(jié)點(diǎn)由于大小不一、形狀各異導(dǎo)致預(yù)制成本高、預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)困難，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的預(yù)制化。

組圖：預(yù)制節(jié)點(diǎn)施工