劉成龍

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250014)

1 前言

隨著我國城市化進程的推進，城市地下空間開發(fā)利用快速增長，在國家創(chuàng)新驅(qū)動發(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)已進入全新發(fā)展時代，我們的基建水平已經(jīng)達到世界領(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、占用時間短、工程質(zhì)量優(yōu)、環(huán)境擾動程度弱、施工作業(yè)空間小、公共安全風險低等優(yōu)勢，給地下工程建設(shè)帶來新的研究動力[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)計研究和預(yù)制拼裝施工技術(shù)；焦勇強等[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?？9]對綜合管廊的結(jié)構(gòu)型式、分類、組成系統(tǒng)、防水機理、防火措施、施工方法、安保及監(jiān)控措施等方面進行了總結(jié)；安建良[10]從綜合管廊管節(jié)設(shè)計、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，詳細介紹在不中斷路面交通條件下地下大空間機械化開挖施工、結(jié)構(gòu)快速裝配支護、覆土即時密實回填快速恢復(fù)道路。該施工技術(shù)通過縱向和橫向模塊化組合，實現(xiàn)開挖跨度可變；通過設(shè)備主機結(jié)構(gòu)殼體實時平衡側(cè)向土壓，實現(xiàn)無預(yù)設(shè)圍護結(jié)構(gòu)支護的快速綠色施工。

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。

道路工程起點為人民路，終點為太太路，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、公交侯車廊及公共自行車點)等。

雨水方涵全長3 436.4 m。本次淺埋蓋挖快速裝配支護施工里程選定為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技術(shù)

3.1 工作井設(shè)計與施工

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施工技術(shù)主要施工設(shè)備為蓋挖快速裝配支護一體機(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

根據(jù)蓋挖快速裝配支護一體機的主要設(shè)備尺寸大和重量大的特點，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，通過分析和驗算，始發(fā)井蓋挖快速裝配支護一體機選擇采用100 t汽車吊進行安裝、調(diào)試。

3.3 插刀＋護盾鋼結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)預(yù)支護施工

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

圖2 插刀和護盾密貼支護兩側(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，由于挖掘機在開挖掌子面插刀之間區(qū)域土層時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，形成超前支護體系，然后再用挖機開挖。這種方式的優(yōu)點是提供超前支護，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，單個插刀寬度不宜過大且結(jié)構(gòu)強度和剛度要求高。

3.4 開挖掘進

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，一體機前部地面預(yù)留大型挖機作業(yè)空間，前盾內(nèi)的升降平臺上配置小型挖機。上層土方縱向距離長度2～5 m，開挖深度2～3 m，由地面大型挖機開挖；下層土方由設(shè)備上的挖掘裝置開挖，開挖時可通過升降平臺調(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

一體機出渣系統(tǒng)(如圖4所示)是采用螺旋機＋雙吊桶連續(xù)出渣，主要由螺旋機轉(zhuǎn)運部分和垂直提升部分組成。螺旋機轉(zhuǎn)運部分采用螺旋機將渣土運輸至渣斗，在螺旋機尾端設(shè)置兩個橫向并排布置的接渣斗，可交替裝渣實現(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目已有設(shè)備。在汽車吊作業(yè)時可在下面鋪墊厚鋼板防傾覆，鋼板實現(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厚度用手持式振動夯壓實，回填至管節(jié)設(shè)計底高程。完全下放箱涵并落到換填層上，測量高程，出現(xiàn)下陷超標時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 推進系統(tǒng)頂進

推進系統(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，推動整機在已開挖的基坑內(nèi)整體前移。液壓油缸分別布置在下層安裝支架的上、下、左、右四個側(cè)支架上，共有4根，最大行程2.6 m，油缸既可獨立控制也可成組控制。頂進油缸在與管節(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，能夠滿足及時回填密實的要求，實現(xiàn)路面交通快速恢復(fù)。

3.9 不中斷道路交通的活動蓋板應(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，為不中斷路面交通，設(shè)備采用蓋挖模式施工。通過一種活動蓋板裝置(如圖7所示)，可與一體機主機配合，在不影響設(shè)備掘進條件下實現(xiàn)路面交通部分或全部恢復(fù)。在此模式下，設(shè)備上部加裝一活動蓋板，蓋板部分安裝在主機頂部，為一個可拆卸的鋼結(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一體機上層側(cè)壁可采用鉸接連接進行支撐，能夠跟隨作業(yè)車移動。施工時，活動蓋板跟隨設(shè)備一同移動，同時在地面蓋板入口兩側(cè)設(shè)置交通導(dǎo)引標識和相應(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

蓋板裝置嚴格按照設(shè)計承載能力通過，不允許超載。采用中間支撐結(jié)構(gòu)時，應(yīng)確保蓋板兩側(cè)底板與地面搭接狀態(tài)良好避免蓋板移動錯位。

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)人員的勞動強度、降低施工成本。其主要技術(shù)優(yōu)勢為:

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

(2)實現(xiàn)不同坡度的放坡量。相對傳統(tǒng)要進行大面積放坡的淺埋蓋挖法，該施工采用插板提前支護＋盾體初期支護，可實現(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。掌子面開挖可實現(xiàn)機械化施工，提高開挖效率，更進一步解放人力。

(4)具備更高的出渣效率。配備皮帶機出渣系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化出渣，極大提高出渣效率。

(5)實現(xiàn)快速高質(zhì)量裝配支護。采用預(yù)制管節(jié)支護，裝配支護快速，裝配質(zhì)量高。

(6)斷面適應(yīng)能力強。采用模塊化設(shè)計，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。

支護一體機作業(yè)時能夠?qū)崿F(xiàn)開挖、支護、出渣和路面回填施工同步作業(yè)，較傳統(tǒng)鋼板樁支護＋現(xiàn)澆管節(jié)的管廊施工工藝更為高效。現(xiàn)根據(jù)設(shè)備主要工序的完成時間，管節(jié)為2 m一節(jié)，將每循環(huán)工序的施工用時統(tǒng)計如表1所示。每天按照12 h現(xiàn)場作業(yè)總時間計算，設(shè)備工作10 h，預(yù)留2 h物料和管節(jié)供應(yīng)、停機清理等施工管理耗時，每天可完成10 m進尺。在現(xiàn)場操作人員熟悉設(shè)備使用方法、現(xiàn)場物料準備充分、配送管理高效和地層降水效果良好條件下，可實現(xiàn)成倍的進尺提升。

表1 蓋挖快速裝配支護一體機施工效率分析

5 結(jié)束語

本工程探索和驗證了基于快速裝配支護一體機的新型基坑機械化施工技術(shù)，示范了基于新型裝備的快速裝配支護技術(shù)和工法，達到了預(yù)期目標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)；實現(xiàn)無需鋼板樁預(yù)支護條件下安全、高效的綜合管廊施工；最大日施工速度達到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。