城市地下綜合管廊淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)施工技術(shù)

劉持路

（中鐵十四局集團(tuán)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(yè)，但是均采用常規(guī)的基坑支護(hù)、降水、開挖、混凝土澆筑等傳統(tǒng)明挖施工方式，需要封路，并且普遍存在機(jī)械化程度低、施工效率不高、對環(huán)境影響較大、不安全因素較多等問題，不利于城市繁華地區(qū)管廊工程的施工作業(yè)。因此，研究開發(fā)新型快速裝配支護(hù)一體機(jī)裝備、創(chuàng)造新型淺埋明挖施工工法對提高城市地下空間建設(shè)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(qū)姚村地下綜合管廊采用新型施工技術(shù)——淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)施工技術(shù)對管廊示范段（K4+110～K4+610）進(jìn)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(chǔ)底換填500 mm厚砂石墊層（摻30%砂），每邊超出基礎(chǔ)邊線700 mm，壓實(shí)系數(shù)0.97，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值要求不小于100 kPa。

該工程地處平坦沖積平原，地質(zhì)資料顯示勘探深度范圍內(nèi)場地土質(zhì)為粉土、粉質(zhì)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(hù)一體機(jī)集成開挖、支護(hù)、推進(jìn)和路面回填等多種功能，能夠?qū)崿F(xiàn)城市復(fù)雜環(huán)境下明挖基坑高效、綠色、機(jī)械化施工。設(shè)備主要包括插刀系統(tǒng)、開挖裝置、出渣系統(tǒng)、剛性護(hù)盾、推進(jìn)系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)。作業(yè)時(shí)，插刀系統(tǒng)超前插入土體，與剛性護(hù)盾一起建立側(cè)向支護(hù)，地面和機(jī)載挖掘裝置開挖土體并由出渣系統(tǒng)同步輸出渣土，完成一環(huán)管節(jié)長度開挖后，設(shè)備前進(jìn)一環(huán)，隨即安裝一環(huán)管節(jié)，設(shè)備后部已拼裝管節(jié)利用渣土同步回填，快速恢復(fù)路面。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支護(hù)、管節(jié)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(diǎn)

4.1 工作井施工

工作井施工主要有以下施工要點(diǎn)：

1）施作設(shè)備始發(fā)工作井，工作井滿足設(shè)備的安裝、拆卸及人員操作空間；

2）始發(fā)工作井后背墻采用加固措施，防止始發(fā)過程中設(shè)備頂力過大，導(dǎo)致工作井損壞造成安全事故；

3）始發(fā)工作井地基進(jìn)行加固處理，滿足設(shè)備對地基的承載力要求。

4.2 設(shè)備拼裝、調(diào)試

裝配支護(hù)一體機(jī)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(jù)裝配支護(hù)一體機(jī)的主要設(shè)備尺寸和重量大的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，通過分析和驗(yàn)算，選擇合適的吊裝設(shè)備和吊裝方式。始發(fā)井裝配支護(hù)一體機(jī)吊裝采用100 t汽車吊。

4.3 超前插刀支護(hù)

超前插刀支護(hù)布置在設(shè)備前部側(cè)壁上，由插板、頂進(jìn)油缸、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成。工作時(shí)，插板在頂進(jìn)油缸的推動(dòng)下向前伸出插入土體，起到超前支護(hù)或清理兩側(cè)殘留覆土的作用。由于每節(jié)管節(jié)長度為2 m，選用插刀的最大作業(yè)行程為1 m，一環(huán)開挖量可分2步或多步進(jìn)行，以保證掌子面穩(wěn)定。插刀外側(cè)表面超出設(shè)備外殼表面5 mm，避免后部殼體與側(cè)面土層過渡擠壓造成過大的摩擦阻力。插刀系統(tǒng)既可單獨(dú)控制也可成組控制，根據(jù)地層自穩(wěn)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(wěn)性較好的地層。這種地層在一定深度范圍和開挖周期內(nèi)開挖，邊坡自穩(wěn)性較好，無須超前支護(hù)。

2）超前支護(hù)模式，適用于含水率大、自穩(wěn)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(cè)向支護(hù)，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(jìn)

4.4.1 土方開挖

開挖系統(tǒng)分為機(jī)內(nèi)固定部分和地面移動(dòng)部分，地面部分采用通用型挖掘機(jī)開挖淺層土。設(shè)備的開挖系統(tǒng)主要由挖掘機(jī)、升降平臺(tái)、活動(dòng)擋土板3部分組成。作業(yè)時(shí)，在作業(yè)車前部預(yù)留挖掘機(jī)作業(yè)空間，挖斗內(nèi)渣土直接倒入皮帶機(jī)接料斗內(nèi)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)開挖寬度可調(diào)，具備開挖邊坡的功能。通過調(diào)整升降平臺(tái)高度，可確保挖掘機(jī)以最佳的作業(yè)高度開挖不同深度的掌子面土層。地面的移動(dòng)挖機(jī)可與設(shè)備同步施工，在主機(jī)前方開挖1～3 m深度的基坑覆土，開挖深度根據(jù)底層穩(wěn)定性及兩側(cè)建筑安全控制需求確定[2]。

4.4.2 出渣

出渣系統(tǒng)是將挖掘裝置開挖下來的渣土運(yùn)輸?shù)降孛妫饕伤睫D(zhuǎn)運(yùn)部分和垂直提升部分組成。水平轉(zhuǎn)運(yùn)部分采用連續(xù)皮帶機(jī)以15°～20°的大角度出渣，在皮帶機(jī)尾端設(shè)置2個(gè)橫向并排布置的接渣斗，可交替裝渣，實(shí)現(xiàn)連續(xù)垂直提升。渣斗提升區(qū)域的盾體內(nèi)設(shè)置6根豎向?qū)к墸Ｕ显诽嵘^程中的安全性。

渣斗提升采用吊運(yùn)箱涵的汽車吊。渣斗提升到地面后，根據(jù)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(jié)上方，再壓實(shí)迅速恢復(fù)路面。

4.5 地基處理和墊層施工

根據(jù)現(xiàn)場地層承載力確定是否需要進(jìn)行地基處理和墊層施工，每推進(jìn)一個(gè)管節(jié)長度后，在設(shè)備尾部完成墊層施工。

4.6 管節(jié)吊裝與管節(jié)拉緊

管節(jié)采用整體預(yù)制。管節(jié)拉緊在管節(jié)吊裝完畢后立刻進(jìn)行，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線和張拉設(shè)備作業(yè)，拉緊幅數(shù)不得超過3幅[3]。

4.7 推進(jìn)系統(tǒng)頂進(jìn)

推進(jìn)系統(tǒng)推動(dòng)整機(jī)在已開挖的基坑內(nèi)前移，在完成2 m長度的管節(jié)開挖距離后，下放新的管節(jié)，推進(jìn)油缸伸出、頂推管節(jié)與后續(xù)已安裝管節(jié)對接，并以新安裝的管節(jié)作為反力支座，推動(dòng)設(shè)備整體前移。主要由布置在安裝支架的上、下、左、右4個(gè)液壓油缸及其控制系統(tǒng)組成，油缸既可獨(dú)立控制也可成組控制。推進(jìn)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(jī)推進(jìn)力需求。

4.8 回填及路面恢復(fù)

利用開挖渣土回填，倒運(yùn)至已施工完成的管節(jié)上部，按要求分層對稱回填并夯實(shí)后，根據(jù)設(shè)計(jì)恢復(fù)路面。

4.9 實(shí)時(shí)監(jiān)測與信息反饋

每完成1個(gè)循環(huán)，即針對一體機(jī)姿態(tài)、管節(jié)位置、周邊地層變形、影響范圍內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)源變形等進(jìn)行監(jiān)測分析，并及時(shí)反饋、指導(dǎo)施工。

4.10 一體機(jī)到達(dá)接收

裝配支護(hù)一體機(jī)到達(dá)接收后，將設(shè)備解體吊出。

5 質(zhì)量控制

質(zhì)量控制過程中，采取以下措施：

1）嚴(yán)格按照現(xiàn)行GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》、GB 50208—2011《地下防水工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》等規(guī)范施工。

2）現(xiàn)場降水作業(yè)按常規(guī)施工工藝進(jìn)行，保證在無水環(huán)境下進(jìn)行施工作業(yè)。

3）工廠預(yù)制管節(jié)需專門運(yùn)輸設(shè)備拉運(yùn)至現(xiàn)場，并建設(shè)專門存放場地，妥善保管，減少運(yùn)輸過程中的磕碰損傷。

4）采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉緊預(yù)制裝配管節(jié)，1次拉緊應(yīng)不超過3幅管節(jié)。

5）務(wù)必保證在插刀超前支護(hù)前提下開挖掌子面，1環(huán)管節(jié)幅寬2 m，插刀最大作業(yè)行程1 m，1環(huán)開挖量可分2步或多步進(jìn)行，以保證掌子面穩(wěn)定和對城市周邊環(huán)境的影響。

6）實(shí)時(shí)監(jiān)測與信息反饋，每環(huán)管節(jié)裝配完成后均測量一體機(jī)姿態(tài)、管節(jié)位置、周邊地層變形以及施工影響范圍內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)源變形，并及時(shí)反饋調(diào)整。

7）其他未盡部分執(zhí)行現(xiàn)行國家頒布的與質(zhì)量相關(guān)的技術(shù)規(guī)程、規(guī)范、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收規(guī)范等。

6 安全控制

安全控制過程中采取以下措施：

1）認(rèn)真貫徹“安全第一，預(yù)防為主”的方針，建立健全安全管理體系，安全責(zé)任落實(shí)到人，做到人人懂安全，人人抓安全。

2）機(jī)械設(shè)備加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)工作，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，非專職操作人員不得操作機(jī)械設(shè)備。

3）加強(qiáng)液壓管線、壓漿管路和設(shè)備的檢查工作，工作期間高壓管線附近嚴(yán)禁站人。

4）加強(qiáng)用電的管理工作，線路嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范布設(shè)，不得私拉亂接電線。

5）預(yù)應(yīng)力鋼絞線張緊作業(yè)時(shí)，張拉設(shè)備背后嚴(yán)禁站人。

6）進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)，作業(yè)前應(yīng)檢查被吊物、場地、作業(yè)空間等，確認(rèn)安全后方可作業(yè)。

7）吊裝作業(yè)時(shí)必須緩起、緩轉(zhuǎn)、緩移，并用控制繩保持吊物平衡。

8）吊裝作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員必須聽從統(tǒng)一指揮，協(xié)調(diào)一致。

9）施工人員必須把安全防護(hù)用品佩帶齊全。

10）裝配支護(hù)一體機(jī)必須試運(yùn)轉(zhuǎn)，確認(rèn)機(jī)械性能、各種閥門管路、電路和壓力表完好后方可施工。

7 結(jié)語

通過本工程施工的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了一種適合地下城市空間淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)的施工技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)不中斷地面交通條件下明挖管廊機(jī)械化開挖、結(jié)構(gòu)快速裝配支護(hù)功能，避免了傳統(tǒng)明挖施工占空大、成本高、周期長等問題，還可通過定制化設(shè)計(jì)適應(yīng)不同地質(zhì)條件下的明挖管廊施工，大幅提升裝備適應(yīng)性。建議優(yōu)化細(xì)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升設(shè)備操作的便利性從而更加方便現(xiàn)場施工。該技術(shù)可進(jìn)一步提高城市地下空間淺埋蓋挖法施工快速裝配支護(hù)技術(shù)水平，同時(shí)保證工程本身安全、質(zhì)量及工期目標(biāo)，降低工程造價(jià)。軟土地區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)化的可回收重復(fù)利用臨時(shí)路面系統(tǒng)，首道支撐采用鋼筋混凝土兼作臨時(shí)路面支承結(jié)構(gòu)的新型蓋挖法，在姚村管廊項(xiàng)目建設(shè)中獲得成功。還系統(tǒng)地研究了臨時(shí)路面系統(tǒng)、豎向支撐體系、橫向支撐體系等關(guān)鍵技術(shù)[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(jià)值。本項(xiàng)目的研究成果可在今后城市地下空間施工快速裝配支護(hù)技術(shù)施工中推廣應(yīng)用。