城市淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)施工技術(shù)研究

劉成龍

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250014)

1 前言

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地下空間開發(fā)利用快速增長，在國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略引領(lǐng)下，城市地下空間建設(shè)由“功能為主”向“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的全新建設(shè)理念轉(zhuǎn)變，建設(shè)多維、網(wǎng)絡(luò)化、一體化的城市地下空間已成為必然的發(fā)展趨勢，城市地下空間建設(shè)已進(jìn)入全新發(fā)展時(shí)代，我們的基建水平已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)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(shè)的發(fā)展方向[3]，通常采用明挖法施工，明挖法具有環(huán)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(shí)間短、工程質(zhì)量優(yōu)、環(huán)境擾動(dòng)程度弱、施工作業(yè)空間小、公共安全風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)勢，給地下工程建設(shè)帶來新的研究動(dòng)力[6]。

閔傳杰等[7]總結(jié)了節(jié)段式整體預(yù)制管節(jié)的設(shè)計(jì)研究和預(yù)制拼裝施工技術(shù)；焦勇強(qiáng)等[8]等通過對整體預(yù)制拼裝式綜合管廊接頭型式和防水構(gòu)造的研究，總結(jié)了常見的管廊接頭及防水技術(shù)；余常俊[9]對綜合管廊的結(jié)構(gòu)型式、分類、組成系統(tǒng)、防水機(jī)理、防火措施、施工方法、安保及監(jiān)控措施等方面進(jìn)行了總結(jié)；安建良[10]從綜合管廊管節(jié)設(shè)計(jì)、預(yù)制、現(xiàn)場拼裝以及綜合管廊附屬設(shè)施等方面，闡述了整體預(yù)制裝配式混凝土綜合管廊的拼裝技術(shù)。

本文依托太原市姚村綜合管廊工程，詳細(xì)介紹在不中斷路面交通條件下地下大空間機(jī)械化開挖施工、結(jié)構(gòu)快速裝配支護(hù)、覆土即時(shí)密實(shí)回填快速恢復(fù)道路。該施工技術(shù)通過縱向和橫向模塊化組合，實(shí)現(xiàn)開挖跨度可變；通過設(shè)備主機(jī)結(jié)構(gòu)殼體實(shí)時(shí)平衡側(cè)向土壓，實(shí)現(xiàn)無預(yù)設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)的快速綠色施工。

2 工程概況

山西綜改示范區(qū)起步區(qū)姚村綜合管廊建設(shè)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(cè)布置，管廊布置于姚村規(guī)劃路北側(cè)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(diǎn)為人民路，終點(diǎn)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(qū)中部的主要干道。建設(shè)內(nèi)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?yán)燃肮沧孕熊圏c(diǎn))等。

雨水方涵全長3 436.4 m。本次淺埋蓋挖快速裝配支護(hù)施工里程選定為K4＋110～K4＋610，長度500 m，結(jié)構(gòu)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(hù)技術(shù)

3.1 工作井設(shè)計(jì)與施工

本工程工作井分為始發(fā)井和接收井，始發(fā)井內(nèi)徑尺寸25 m×6.4 m，接收井內(nèi)徑尺寸18 m×6.4 m，工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)行基礎(chǔ)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(jìn)行加固。

3.2 設(shè)備拼裝、調(diào)試

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

圖1 蓋挖快速裝配一體機(jī)

根據(jù)蓋挖快速裝配支護(hù)一體機(jī)的主要設(shè)備尺寸大和重量大的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，通過分析和驗(yàn)算，始發(fā)井蓋挖快速裝配支護(hù)一體機(jī)選擇采用100 t汽車吊進(jìn)行安裝、調(diào)試。

3.3 插刀＋護(hù)盾鋼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)預(yù)支護(hù)施工

傳統(tǒng)施工工法需在基坑開挖前進(jìn)行兩側(cè)鋼板樁支護(hù)施工，占用額外工期且成本高昂。新型一體機(jī)采用成組插刀超前支護(hù)(如圖2所示)，插刀組件布置在設(shè)備前盾側(cè)壁上，由機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)等功能系統(tǒng)組成，通過護(hù)盾對開挖的基坑兩側(cè)進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，有效穩(wěn)定和控制了基坑土體變形。工作時(shí)，插刀插入前方兩側(cè)土體，起到超前支護(hù)功能。開挖時(shí)身上的挖機(jī)始終在兩側(cè)插刀建立的預(yù)支護(hù)保護(hù)下開挖，這樣形成了短進(jìn)尺、快換步開挖作業(yè)方式，可始終保持開挖期間、開挖后土體實(shí)時(shí)支護(hù)。

圖2 插刀和護(hù)盾密貼支護(hù)兩側(cè)土體示意

插刀外側(cè)表面超出盾體外殼表面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)性可有兩種工作模式，具體說明如下:

在含水率較小的環(huán)境采用清渣擋土模式，由于挖掘機(jī)在開挖掌子面插刀之間區(qū)域土層時(shí)難以精確控制開挖邊界，為避免兩側(cè)超挖，可預(yù)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(tǒng)可成組控制、同步伸出，從而快速清除兩側(cè)殘余覆土層，提高開挖速度。

在含水率較大的環(huán)境采用超前支護(hù)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(hù)體系，然后再用挖機(jī)開挖。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是提供超前支護(hù)，有利于開挖面穩(wěn)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(gè)插刀寬度不宜過大且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求高。

3.4 開挖掘進(jìn)

為了減少施工對城市交通造成的影響，充分利用地面設(shè)備開挖功能，在保障安全的前提下，采用地面＋設(shè)備聯(lián)合開挖作業(yè)模式(如圖3所示)。在地面＋設(shè)備聯(lián)合開挖作業(yè)模式下，一體機(jī)前部地面預(yù)留大型挖機(jī)作業(yè)空間，前盾內(nèi)的升降平臺(tái)上配置小型挖機(jī)。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(jī)開挖；下層土方由設(shè)備上的挖掘裝置開挖，開挖時(shí)可通過升降平臺(tái)調(diào)節(jié)作業(yè)高度。這種聯(lián)合開挖模式具有很高的綜合施工效率，理論上可實(shí)現(xiàn)30 m/d以上施工速度(傳統(tǒng)方式≤10 m/d)。

圖3 地面－設(shè)備聯(lián)合開挖模式

一體機(jī)出渣系統(tǒng)(如圖4所示)是采用螺旋機(jī)＋雙吊桶連續(xù)出渣，主要由螺旋機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)部分和垂直提升部分組成。螺旋機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)部分采用螺旋機(jī)將渣土運(yùn)輸至渣斗，在螺旋機(jī)尾端設(shè)置兩個(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。

圖4 出渣系統(tǒng)

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(xiàng)目已有設(shè)備。在汽車吊作業(yè)時(shí)可在下面鋪墊厚鋼板防傾覆，鋼板實(shí)現(xiàn)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(nèi)。

3.5 地基處理

設(shè)備前進(jìn)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(guī)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(dòng)夯壓實(shí)，回填至管節(jié)設(shè)計(jì)底高程。完全下放箱涵并落到換填層上，測量高程，出現(xiàn)下陷超標(biāo)時(shí)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(jié)吊裝與管節(jié)拉緊

管節(jié)(如圖5所示)由預(yù)制廠集中整體預(yù)制[11－12]。地基處理完畢后，下放預(yù)制管節(jié)，在管節(jié)接觸到基底墊層后，用推進(jìn)油缸將其頂推與已裝配管節(jié)承插口對接；管節(jié)吊裝完畢后，監(jiān)測高程，每3環(huán)管節(jié)裝配后采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉鎖緊。

圖5 管節(jié)拼裝

3.7 推進(jìn)系統(tǒng)頂進(jìn)

推進(jìn)系統(tǒng)(如圖6所示)由多組液壓油缸和控制系統(tǒng)組成，以新安裝的管節(jié)作為反力支座，推動(dòng)整機(jī)在已開挖的基坑內(nèi)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(gè)側(cè)支架上，共有4根，最大行程2.6 m，油缸既可獨(dú)立控制也可成組控制。頂進(jìn)油缸在與管節(jié)結(jié)構(gòu)的接觸端處均設(shè)置有頂鐵結(jié)構(gòu)，避免推進(jìn)反力使管節(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中從而危害結(jié)構(gòu)安全。

圖6 推進(jìn)系統(tǒng)作業(yè)狀態(tài)

3.8 回填及路面恢復(fù)

利用開挖渣土，應(yīng)用土體固化技術(shù)，采用預(yù)拌流態(tài)固化土材料進(jìn)行管節(jié)上部及兩側(cè)的回填施工，回填效率高、質(zhì)量好，能夠滿足及時(shí)回填密實(shí)的要求，實(shí)現(xiàn)路面交通快速恢復(fù)。

3.9 不中斷道路交通的活動(dòng)蓋板應(yīng)用方法

在通過與地面平齊或高于地面一定高度的道路時(shí)，為不中斷路面交通，設(shè)備采用蓋挖模式施工。通過一種活動(dòng)蓋板裝置(如圖7所示)，可與一體機(jī)主機(jī)配合，在不影響設(shè)備掘進(jìn)條件下實(shí)現(xiàn)路面交通部分或全部恢復(fù)。在此模式下，設(shè)備上部加裝一活動(dòng)蓋板，蓋板部分安裝在主機(jī)頂部，為一個(gè)可拆卸的鋼結(jié)構(gòu)件，蓋板兩端分別搭接在中斷的道路兩側(cè)，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(hù)一體機(jī)上層側(cè)壁可采用鉸接連接進(jìn)行支撐，能夠跟隨作業(yè)車移動(dòng)。施工時(shí)，活動(dòng)蓋板跟隨設(shè)備一同移動(dòng)，同時(shí)在地面蓋板入口兩側(cè)設(shè)置交通導(dǎo)引標(biāo)識(shí)和相應(yīng)的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如欄桿)，有序引導(dǎo)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(yán)格按照設(shè)計(jì)承載能力通過，不允許超載。采用中間支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)確保蓋板兩側(cè)底板與地面搭接狀態(tài)良好避免蓋板移動(dòng)錯(cuò)位。

4 淺埋蓋挖快速裝配施工優(yōu)勢及功效

淺埋蓋挖快速裝配施工技術(shù)旨在大大提高城市管廊施工開挖、出渣、支護(hù)作業(yè)的效率、能適應(yīng)不同管廊斷面、降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低施工成本。其主要技術(shù)優(yōu)勢為:

(1)通過道路時(shí)實(shí)現(xiàn)不中斷交通施工，采用設(shè)置蓋板實(shí)現(xiàn)淺覆土條件下不中斷路面交通的管廊橫穿道路施工。

(2)實(shí)現(xiàn)不同坡度的放坡量。相對傳統(tǒng)要進(jìn)行大面積放坡的淺埋蓋挖法，該施工采用插板提前支護(hù)＋盾體初期支護(hù)，可實(shí)現(xiàn)側(cè)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，提高開挖效率，更進(jìn)一步解放人力。

(4)具備更高的出渣效率。配備皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化出渣，極大提高出渣效率。

(5)實(shí)現(xiàn)快速高質(zhì)量裝配支護(hù)。采用預(yù)制管節(jié)支護(hù)，裝配支護(hù)快速，裝配質(zhì)量高。

(6)斷面適應(yīng)能力強(qiáng)。采用模塊化設(shè)計(jì)，通過改變盾體部分結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)寬度和深度在一定范圍內(nèi)變化的基坑斷面施工，通過模塊化組合能夠?qū)嵤┐髷嗝鎱f(xié)同作業(yè)，具有高度靈活性。

支護(hù)一體機(jī)作業(yè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)開挖、支護(hù)、出渣和路面回填施工同步作業(yè)，較傳統(tǒng)鋼板樁支護(hù)＋現(xiàn)澆管節(jié)的管廊施工工藝更為高效?，F(xiàn)根據(jù)設(shè)備主要工序的完成時(shí)間，管節(jié)為2 m一節(jié)，將每循環(huán)工序的施工用時(shí)統(tǒng)計(jì)如表1所示。每天按照12 h現(xiàn)場作業(yè)總時(shí)間計(jì)算，設(shè)備工作10 h，預(yù)留2 h物料和管節(jié)供應(yīng)、停機(jī)清理等施工管理耗時(shí)，每天可完成10 m進(jìn)尺。在現(xiàn)場操作人員熟悉設(shè)備使用方法、現(xiàn)場物料準(zhǔn)備充分、配送管理高效和地層降水效果良好條件下，可實(shí)現(xiàn)成倍的進(jìn)尺提升。

表1 蓋挖快速裝配支護(hù)一體機(jī)施工效率分析

5 結(jié)束語

本工程探索和驗(yàn)證了基于快速裝配支護(hù)一體機(jī)的新型基坑機(jī)械化施工技術(shù)，示范了基于新型裝備的快速裝配支護(hù)技術(shù)和工法，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)并具有良好示范效果:新裝備提供了一種替代城市環(huán)境下傳統(tǒng)明挖基坑施工方法的新技術(shù)；實(shí)現(xiàn)無需鋼板樁預(yù)支護(hù)條件下安全、高效的綜合管廊施工；最大日施工速度達(dá)到24 m，大幅領(lǐng)先傳統(tǒng)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。