軟土地區(qū)15 m級(jí)矩形頂管管節(jié)預(yù)制技術(shù)應(yīng)用研究

王學(xué)鋒　沈理斌

摘要：從軟土地區(qū)15 m級(jí)超大尺寸、大跨度管節(jié)及吊裝孔設(shè)計(jì)研究，對(duì)原材料、承插口鋼套環(huán)、鋼筋加工、模具制作、管節(jié)澆筑養(yǎng)生等施工工藝及質(zhì)量管理等方面入手，探討管節(jié)水平運(yùn)輸、垂直下井、翻身研究、頂管管節(jié)預(yù)制技術(shù)和管節(jié)吊運(yùn)、止退控制等施工應(yīng)用深入研究，并探討提出具有生產(chǎn)周期短、造價(jià)成本低、周轉(zhuǎn)性強(qiáng)、重復(fù)利用價(jià)值高、易處理等特點(diǎn)的負(fù)環(huán)來(lái)替代預(yù)制管節(jié)作為負(fù)環(huán)使用，對(duì)大斷面矩形管節(jié)頂進(jìn)提供管材有效質(zhì)量保證。

關(guān)鍵詞：管節(jié)預(yù)制? 臺(tái)模合模? 止退控制? 負(fù)環(huán)裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.91?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on the Application of Prefabrication Technology for 15m-Level Rectangular Pipe-Jacking Pipe Joints in Soft Soil Areas

WANG Xuefeng ??SHEN Libin

（Jiaxing Communication Investment Group Co.， Ltd.， Jiaxing， Zhejiang Province， 314000 China）

Abstract： Starting from the design and research of 15m-level super-large size and large span pipe joints and lifting holes in soft soil areas， as well as the construction technology and quality management of raw materials， steel rings for sockets， steel reinforcement processing， mold making， and pipe joint pouring and maintenance， this paper discusses the research on the horizontal transportation， vertical well lowering and turnover of pipe joints， prefabrication technology for pipe-jacking pipe joints， and the in-depth research on construction applications such as the lifting and die stop control of pipe joints， and proposes to replace the prefabricated pipe joint as the negative ring with a negative ring with the advantages of the short production cycle， low cost， strong turnover， high reuse value and easy handling， so as to provide the effective quality assurance of pipes for the jacking of large cross-section rectangular pipe joints.

Key Words：Prefabrication of pipe joints; Formwork assembly; Die stop control; Negative loop device

為了充分開(kāi)發(fā)利用地下構(gòu)筑物、地下鐵道、公路城市道路隧道、水下隧道、地下共同溝、地下建筑和過(guò)街地下通道等地下空間資源建設(shè)，國(guó)內(nèi)通常采用圓形盾構(gòu)、矩形斷面開(kāi)挖等技術(shù)。至20世紀(jì)70年代初，在日本針對(duì)地下空間建設(shè)工過(guò)程中出現(xiàn)道路狹窄，空間有限的實(shí)際情況，雙線單圓隧道已無(wú)法布置，而采用了更為先進(jìn)的異形斷面刀盤(pán)技術(shù)。20世紀(jì)90年代矩形隧道掘進(jìn)引入我國(guó)，得益于矩形掘進(jìn)機(jī)的出現(xiàn)和日漸成熟的圓形頂管技術(shù)，矩形頂管技術(shù)發(fā)展迅速，并逐漸得到應(yīng)用和發(fā)展，尤其是1995年成功應(yīng)用于上海地鐵2號(hào)線5號(hào)出入口人行通道工程。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，日本矩形頂管斷面尺寸從2.10 m×2.10 m到8.24 m×11.96 m，國(guó)內(nèi)斷面從2.5 m×2.5 m到7.27 m×11.83 m。因此，超大尺寸、大跨度管節(jié)及吊裝孔設(shè)計(jì)，以及管節(jié)水平運(yùn)輸、垂直下井、翻身將是頂管管節(jié)預(yù)制的重難點(diǎn)。

1 管節(jié)預(yù)制技術(shù)

1.1? 承插口鋼套環(huán)加工技術(shù)

管節(jié)預(yù)制的承插口鋼套環(huán)加工非常重要，對(duì)于垂直度、止水條、焊接處理必須到位。

（1）承插口鋼套環(huán)加工制作按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行分段下料，下料長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)規(guī)定誤差，截?cái)辔恢脩?yīng)順直，保證垂直誤差率控制在1 mm以內(nèi)，鋼筋骨架應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙及技術(shù)要求制作^[1]。

（2）為防止歪斜，需采用靠板控制其鋼帶卷圓，施工過(guò)程中保證焊縫平整、無(wú)缺焊、漏焊和焊渣等現(xiàn)象，焊接完成后應(yīng)磨平齊整。

（3）承口止水條固定圓鋼與承口鋼套環(huán)焊接定位準(zhǔn)確、焊接飽滿，確保止水條的凈空要求。

（4）做好防銹處理工作，根據(jù)要求對(duì)承接口采用防銹處理措施。去除銹跡、浮塵、浮灰、油污等各種雜物。涂刷油漆時(shí)，分為底漆、中層漆、面漆三次進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致涂刷處理，涂層厚度由內(nèi)至外分別控制為75 μm、115 μm和50 μm。

1.2 ?鋼筋籠加工

根據(jù)管節(jié)鋼筋構(gòu)造、場(chǎng)地條件、施工工期情況，現(xiàn)場(chǎng)制作兩套鋼筋臺(tái)模架，對(duì)管節(jié)進(jìn)行放樣，并對(duì)管節(jié)輪廓采用鋼筋打圍，鋼塊對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行標(biāo)記，根據(jù)測(cè)量放樣情況布設(shè)控制桿。布設(shè)完成后對(duì)管節(jié)模具進(jìn)行復(fù)核，控制最大誤差為 3.5 mm。

1.2.1 加工焊接

鋼筋籠制作應(yīng)考慮便于施工、不受場(chǎng)地、環(huán)境限制，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，設(shè)置安裝速度快、精度高，可使模板安裝、鋼筋綁扎、預(yù)埋件安裝互不影響的模具。

（1）鋼筋籠鋼筋斷料后需進(jìn)行打弧和彎曲，按照?qǐng)D紙尺寸采用人工配合鋼筋加工機(jī)械進(jìn)行部件制作，按類(lèi)別編號(hào)分區(qū)堆放。

（2）鋼筋籠加工模具，底座與地面固定牢固，模具定位立柱固定在底座上，模具定位立柱上端采用鋼筋環(huán)向固定，模具定位立柱與底座連成一體，按照橫向鋼筋間距布置立柱插銷(xiāo)。四周采用Ф22 mm間距為20 cm錨固鋼筋固定，錨固鋼筋與底座之間焊接，將鋼筋成片后固定在加工模具上成型。

（3）鋼筋籠完成成型，檢驗(yàn)尺寸、間距、垂直度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)后，采用移動(dòng)吊機(jī)吊裝入模。過(guò)程中，為保證鋼筋籠整體不變形、中間采用支撐架進(jìn)行固定支撐，待入模后拆除支撐。

1.2.2 防水構(gòu)件及預(yù)埋件入模安裝

（1）骨架加工時(shí)對(duì)管節(jié)吊裝孔、注漿孔、螺栓孔進(jìn)行安裝固定，入模后根據(jù)管節(jié)預(yù)埋件位置進(jìn)行微調(diào)和進(jìn)一步固定。

（2）插口鋼套環(huán)加工完畢后入模安裝，將插口鋼套環(huán)與骨架采用錨固鋼筋焊接，確保其牢固地連為一個(gè)整體。

（3）檢查預(yù)埋件位置以及數(shù)量是否符合設(shè)計(jì)要求，檢查合格后進(jìn)行模板合模。

1.2.3 鋼套環(huán)、鋼筋籠吊裝技術(shù)

（1）首先將焊接完成的承口鋼套環(huán)外側(cè)刷漆，內(nèi)側(cè)刷半漆，涂刷完成后，檢查質(zhì)量合格后，利用200 t門(mén)吊將鋼套環(huán)調(diào)運(yùn)入模。

（2）承口鋼套環(huán)入模完畢后，將承口止水條固定，止水條采用定位卡固定，然后吊運(yùn)鋼筋龍骨架入模，吊運(yùn)鋼筋龍骨架采用水平吊具 10 個(gè)吊點(diǎn)吊運(yùn)入模。

（3）鋼筋籠固定完畢后，將承口鋼套環(huán)與骨架采用錨固鋼筋焊接，確保其牢固地連為一個(gè)整體。

（4）應(yīng)選用吊裝速度快，整體性強(qiáng)，施工效率高的吊裝設(shè)備，同時(shí)達(dá)到平行作業(yè)條件，提高施工效率。鋼筋籠吊入完畢后，對(duì)鋼筋籠進(jìn)行微調(diào)，以防保護(hù)層過(guò)大或過(guò)小。

1.2.4 管節(jié)模具設(shè)計(jì)及加工技術(shù)

（1）管節(jié)模具設(shè)計(jì)。外模由4片組成，在外模上設(shè)置步道及樓梯，方便工人操作。外模設(shè)置為利用手動(dòng)拉桿的方式打開(kāi)。內(nèi)模由4片組成，在內(nèi)模支架上有步道，人可在上部走動(dòng)。內(nèi)模支架3與底模固定，利用內(nèi)模螺桿將內(nèi)模1內(nèi)模2內(nèi)模3內(nèi)模4與內(nèi)模支架3連接起來(lái)，內(nèi)模1～4均可向內(nèi)移動(dòng)。內(nèi)模脫模順序?yàn)橄仁湛s內(nèi)模3內(nèi)模4，再移動(dòng)內(nèi)模1內(nèi)模2，安裝時(shí)與脫模順序相反。內(nèi)模與外模設(shè)有固定拉桿保證成品厚度^[2]。

（2）管節(jié)模具加工。模具由型鋼、鋼板焊接而成，頂部拉結(jié)螺桿和支架內(nèi)可調(diào)螺桿將模具調(diào)整為管節(jié)設(shè)計(jì)尺寸。模具內(nèi)焊接位置打磨平整，鋼板錯(cuò)臺(tái)不超過(guò) 1 mm。管節(jié)臺(tái)模進(jìn)場(chǎng)前，測(cè)量組對(duì)場(chǎng)地預(yù)埋件位置以及高程等進(jìn)行放樣，根據(jù)承口內(nèi)、外長(zhǎng)凈尺寸，對(duì)管節(jié)重量進(jìn)行驗(yàn)算，做好底座基礎(chǔ)。

（3）臺(tái)模合模。鋼筋籠及鋼套環(huán)焊接完畢并通過(guò)驗(yàn)收后，進(jìn)行臺(tái)模合模，首先內(nèi)模合攏就位，再合攏外模，就位完畢后，對(duì)鋼筋籠再次校驗(yàn)，保護(hù)層合格后，連接上部螺栓，對(duì)全部預(yù)埋件螺栓以及管節(jié)螺栓進(jìn)行緊固蓋板，最后固定凸榫蓋板。合模過(guò)程中，應(yīng)注意檢查拼縫部位是否粘有雜物，及時(shí)清理，保證模具拼裝精度。模具螺栓擰緊時(shí)采用力矩扳手，首節(jié)管節(jié)澆筑完畢后為300 N·m^[3]。

1.2.5 預(yù)制管節(jié)澆搗

（1）采用廠拌預(yù)制商品混凝土進(jìn)行預(yù)制，由生產(chǎn)廠家運(yùn)送至工地現(xiàn)場(chǎng)，因體量較大，以泵送進(jìn)行入模澆搗。

（2）混凝土嚴(yán)格按照施工配比進(jìn)行拌和，運(yùn)輸采用3輛以上混凝土輸送車(chē)連續(xù)運(yùn)輸，保證混凝土澆筑不間斷施工，并控制總澆筑時(shí)間。

（3）由于高標(biāo)號(hào)混凝土起強(qiáng)快，坍落度損失大，攪拌站收集澆筑時(shí)間，確保澆筑時(shí)混凝土坍落度在（180±30）mm，混凝土的流動(dòng)性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)坍落度控制為190 mm。

（4）采用分層布料的方式，保證混凝土澆搗均勻，振搗采用70型振動(dòng)棒逐層勻速順時(shí)針前進(jìn)，使上下各層之間結(jié)合成為一個(gè)整體。

1.2.6 混凝土養(yǎng)生控制要點(diǎn)

混凝土養(yǎng)生需嚴(yán)格控制好溫度與濕度，養(yǎng)生時(shí)間滿足后開(kāi)始由內(nèi)向外進(jìn)行脫模，脫模防止碰傷管節(jié)混凝土，拆模強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30%，根據(jù)混凝土試塊脫模情況確定管節(jié)脫模時(shí)間，首節(jié)管節(jié)脫模時(shí)間間隔為12 h。管節(jié)脫模后，在管節(jié)未吊出前，覆蓋土工布，采用水管澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中確保土工布始終保持濕潤(rùn)。管節(jié)吊出后，放置在管節(jié)預(yù)制場(chǎng)，采用土工布覆蓋，頂部布設(shè)一圈水管，進(jìn)行滴水養(yǎng)護(hù)，結(jié)合人工養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

1.2.7 管節(jié)吊運(yùn)及存放

（1）管節(jié)吊裝強(qiáng)度超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，現(xiàn)場(chǎng)吊出時(shí)強(qiáng)度為36 MPa，吊出采用定制水平吊具，鋼絲繩與管節(jié)之間墊置軟橡膠條，避免混凝土損傷。為保證管節(jié)施工進(jìn)度，預(yù)制管節(jié)需預(yù)先準(zhǔn)備存放場(chǎng)地，場(chǎng)地應(yīng)考慮管節(jié)的重量，基礎(chǔ)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，防止不均勻沉降而導(dǎo)致管節(jié)變形、破損等。

（2）對(duì)每一段管節(jié)按頂進(jìn)順序進(jìn)行編號(hào)，注明生產(chǎn)日期、養(yǎng)護(hù)日期、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸等。兩段管節(jié)之間進(jìn)行測(cè)量尺寸，承插口位置定位對(duì)準(zhǔn)，保證節(jié)段間精準(zhǔn)且無(wú)縫銜接。

1.3管節(jié)吊運(yùn)技術(shù)

超大斷面類(lèi)矩形頂管機(jī)需要對(duì)配套設(shè)備進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，以滿足使用及受力要求。針對(duì)吊裝系統(tǒng)，目前現(xiàn)有吊裝及翻轉(zhuǎn)裝置能夠滿足管節(jié)單節(jié)重量70 t以內(nèi)，

本管節(jié)單節(jié)重量達(dá)到135 t，需要考慮吊具吊裝強(qiáng)度，通過(guò)力學(xué)模型分析，保證強(qiáng)度要求情況下，滿足輕量化要求。管節(jié)通過(guò)管節(jié)翻身架翻身下井，管節(jié)翻身架安裝在始發(fā)井西邊緣，場(chǎng)地硬化時(shí)預(yù)埋地腳螺栓及鋼板，預(yù)埋的16塊鋼板，呈三角形布置，采用M24高強(qiáng)螺栓固定。垂直吊具與管節(jié)兩側(cè)的6個(gè)吊裝孔連接，垂直吊具與管節(jié)同時(shí)翻轉(zhuǎn)，垂直吊具兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)桿插入翻身架上，完成翻身。管節(jié)在地面安裝止水密封，涂蠟、安裝木墊板后，用水平吊具將管節(jié)吊運(yùn)至翻身架處插銷(xiāo)固定，管節(jié)翻身架先將管節(jié)翻轉(zhuǎn)90°將管節(jié)立起來(lái)，翻身完成后吊運(yùn)下井安裝。管節(jié)翻身流程見(jiàn)圖1。

水平吊具長(zhǎng)9.1 m，寬7.805 m，型鋼焊接而成構(gòu)件，構(gòu)件間螺栓連接而成，四角焊接吊耳。吊具銷(xiāo)子插入長(zhǎng)邊的4個(gè)吊裝孔，完成水平運(yùn)輸。垂直吊具由型鋼焊接而成，頂部4個(gè)吊耳，吊具銷(xiāo)子插入短邊的6個(gè)吊裝孔，完成垂直吊裝。

根據(jù)管片吊裝工況，對(duì)垂直吊具進(jìn)行受力分析和輕量化設(shè)計(jì)，減輕吊裝整體重量。

1.3.1 管節(jié)吊運(yùn)與止退控制

在管節(jié)吊運(yùn)至始發(fā)井內(nèi)前，先將電路、泥漿總管路、水管、通信電纜斷開(kāi)后

方可吊運(yùn)管節(jié)下井。將管節(jié)直接吊放到始發(fā)臺(tái)的基座上，定位準(zhǔn)確后緩慢推進(jìn)到

已經(jīng)安裝好的管節(jié)靠攏，使凹凸榫對(duì)位準(zhǔn)確，確保防水圈安裝準(zhǔn)確，再次把電路、

泥漿總管路、水管、通信電纜接通，隨著推進(jìn)的進(jìn)行，及時(shí)補(bǔ)充延長(zhǎng)管線，達(dá)到

頂進(jìn)要求后開(kāi)始推進(jìn)^[4]。每環(huán)管節(jié)推進(jìn)完成后，主頂油缸及頂鐵回縮，機(jī)頭和管節(jié)在前方正面土壓力和管節(jié)接縫彈性橡膠密封圈反力的作用下會(huì)產(chǎn)生后退，甚至造成正面土壓失衡，導(dǎo)致地面沉降。通過(guò)在始發(fā)臺(tái)兩側(cè)安裝管節(jié)止退裝置，在收回油缸前，每側(cè)3根鋼銷(xiāo)子插入吊裝孔卡緊防止后退。止退架6個(gè)孔楔子打緊，保證6個(gè)均受力，防止管節(jié)后退^[5]。

1.3.2 鋼結(jié)構(gòu)負(fù)環(huán)設(shè)置

頂管主機(jī)出洞時(shí)需要始發(fā)井負(fù)環(huán)頂進(jìn)，現(xiàn)多為混凝土預(yù)制管節(jié)作為負(fù)環(huán)，在頂管主機(jī)出洞時(shí)需要將多個(gè)混凝土預(yù)制管節(jié)以此吊裝進(jìn)入始發(fā)井內(nèi)并頂進(jìn)，施工過(guò)程復(fù)雜，且受始發(fā)井內(nèi)部空間限制，在頂進(jìn)過(guò)程中只能在一個(gè)預(yù)制管節(jié)頂進(jìn)結(jié)束后才能將另一端預(yù)制管節(jié)吊裝進(jìn)入始發(fā)井內(nèi)。同時(shí)受施工安全規(guī)范的要求，預(yù)制管節(jié)不能懸停在高空等待頂進(jìn)，這就導(dǎo)致每次預(yù)制管節(jié)的頂進(jìn)都需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。而每次頂管主機(jī)出洞往往需要8～9節(jié)負(fù)環(huán)，施工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，亟需一種具有生產(chǎn)周期短、造價(jià)成本低、周轉(zhuǎn)性強(qiáng)、重復(fù)利用價(jià)值高、易處理等特點(diǎn)的負(fù)環(huán)來(lái)替代預(yù)制管節(jié)作為負(fù)環(huán)使用。

本工程采用一種鋼結(jié)構(gòu)負(fù)環(huán)裝置，包括多組前后互相可拆卸連接的單環(huán)鋼結(jié)構(gòu)，每組單環(huán)鋼結(jié)構(gòu)均滑動(dòng)連接在固定連接在地面的兩個(gè)滑軌內(nèi)^[6]。單環(huán)鋼結(jié)構(gòu)由鋼支架和鋼管支撐組成。為有效定位，確保離散鋼支撐受力均勻，在鋼支架底部設(shè)置定位小車(chē)，與定位連梁連接，定位連梁在裝置中部連接與同一個(gè)定位基座。在始發(fā)井內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)頂進(jìn)作業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)組裝，有效提高了施工效率；同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)具備更高的強(qiáng)度和相對(duì)更輕的重量，便于吊裝，可拆卸組裝的鋼結(jié)構(gòu)負(fù)環(huán)也便于周轉(zhuǎn)使用，損壞或強(qiáng)度下降的零部件可及時(shí)更換，在降低成本的同時(shí)提高施工效率。鋼結(jié)構(gòu)負(fù)環(huán)裝置的使用，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)在頂進(jìn)頂管主機(jī)出洞過(guò)程中混凝土預(yù)制管節(jié)作為負(fù)環(huán)造價(jià)成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、后期處理難度較大、處理吊裝風(fēng)險(xiǎn)較高、周轉(zhuǎn)性低的問(wèn)題。

2結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)模筑管節(jié)采用有效定位及鋼模具加工、養(yǎng)護(hù)等綜合措施，并針對(duì)管節(jié)大跨、超重特點(diǎn)，設(shè)置管節(jié)翻身架完成管節(jié)吊運(yùn)，采用止退裝置和負(fù)環(huán)輔助頂進(jìn)控制，確保了管節(jié)施工工藝和成品品質(zhì)。

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