异形钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁技术研究与应用.pdf

第1期（总第232期）2024 年 2 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.1 (S e r i a l N o.2 3 2)F e d.2 0 2 486异形钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁技术研究与应用楼 岱1，宗 文 亮1，杨 波2，林 楠21.宏润建设集团股份有限公司，浙江 宁波 315000；2.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125摘要：随着地下空间的快速开发，地下工程建设的深度也在增加，实际工程中面临着一大批大直径深埋管道的改迁问题。为了安全可靠地对大直径深埋地下管道进行改迁割接，研究 1 种异形钢护筒结构对地下管道改迁的施工技术；分别从异形钢护筒内径与企口尺寸、壁厚、下沉激振力、坑底 MJS 地基加固、地下管道走向边界定位等方面做出具体分析。在宁波市鄞州大道综合管廊工程中，运用该施工技术，对 1 条横穿盾构轴线的 DN1 600 原水管，完成顺利改迁。通过工程实践，验证该技术适用于淤泥质软土地区大直径深埋地下管道改迁，并具有良好的经济效益与社会效益。关键词：异形钢护筒；大直径；深埋；改迁；地下管道；MJS 地基加固中图分类号：TU991.36 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2024）01-0086-04收稿日期：2023-06-05基金项目：浙江省住房与城乡建设厅建设科研项目（2022K152）第一作者简介：楼岱（1983），男，高级工程师，本科，主要从事市政工程施工工作。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2024.01.019为有效解决城市规划用地紧张，集约化土地资源，地下空间资源开发成为众多大、中城市在“十四五”期间的重要任务。前期统筹规划成为城市地下空间资源开发的重点，其中的难点是现状管道。如果与未来规划发生冲突，需要改迁，尤其是软土地区，运行中的埋深较深的大直径管道1-2。我国沿海大部分地区，普遍分布着淤泥质软土土层。淤泥质软土工程特性较差，具有典型的“五高两低”特性，主要表现为高含水量、高流变性、高孔隙比、高压缩性、高灵敏度、低渗透性、低强度等。针对大直径深埋地下管道，如何安全开挖出地下管道并进行改迁是难点。在淤泥质软土土层环境中，开挖深度较浅时（小于 3 m），可采用拉森钢板桩、PC 钢管桩等围护方式。开挖深度较深时，常采用“地下连续墙+内支撑”的围护方式。但受到地下管道形状与围护结构形式的影响，以上方式均无法将地下管道全部开挖暴露出来，无法提供安全可靠的管道割接工作面3-5。针对上述难题，提出 1 种异形钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁的施工技术。经过工程实践证明，采用该技术能够安全、优质、高效地完成管线顺利改迁，而且具有良好的经济效益与社会效益。1 总体工艺异形钢护筒围护结构由多个标准钢护筒和 1 个拱形企口钢护筒依次下沉并焊接而成。标准钢护筒下沉至设计标高，拱形钢护筒下沉至地下管道的埋深位置以后，拱形企口钢护筒部位与地下管道交接位置有间隙，不能严丝合缝地紧贴为一体，容易发生涌土现象。因此，使用 MJS 地基加固工法对该处土体进行加固，保证间隙处土体密实，来防止水土流入钢护筒内和坑底隆起。钢护筒内土体开挖完成且封底后，利用钢护筒筒壁作为围护，抵抗水土压力，为地下管道安全、保质、高效割接提供可靠的作业面。主要关键控制点如下。1）广泛适用于沿海地区淤泥质软土地层地下管道改迁施工。2）采用异形钢护筒围护，可以完全开挖出地下管道结构，提供足够、安全的割接操作面，有利于工人操作。降低安全风险，提高管道割接质量。3）工厂预制的圆形钢结构基坑围护，具有可靠的刚度、强度和稳定性，基坑安全风险低。872024 年第 1 期楼岱，宗文亮，杨波，林楠：异形钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁技术研究与应用4）与传统的地下连续墙围护相比，施工作业面小、机械设备噪音低，扬尘小，环境影响小，有利于文明施工。5）减少工程建设成本，加快工程推进速度，确保工期。施工过程示意图见图 1。异型钢护筒地下管道a）异形钢护筒围护下沉对位到地下管道正上方异型钢护筒地下管道b）地下管道改迁割接完工后的走向图 1 异形钢护筒改迁地下管道示意图2 关键技术2.1 异形钢护筒基本参数1）钢护筒内径与地下管道直径计算关系，见式（1）。地下管道走向两侧各加 1.5 m，作为施工人员操作空间。D=d+3 （1）式中：D 为钢护筒内径，m；d 为改迁地下管道直径，m。异型钢护筒为拱形企口构造，考虑到地下管道定位和施工误差，企口上下口宽度为地下管道直径 d，另外增加 0.4 m、0.8 m 误差值，见式（2）式（3）。d=b1=d+0.4 （2）b2=d+0.8 （3）式中：d 为钢护筒拱形直径，m；b1为钢护筒拱形企口上口宽度，m；b2为钢护筒拱形企口下口宽度，m。异型钢护筒拱形企口高度为改迁地下管道直径d，另外加上 0.9 m 高度（其中 0.3 m 封底垫层厚度，0.6 m 底部操作空间），见式（4）。h=d+0.9 （4）式中：h 为钢护筒拱形企口高度，m；钢护筒内径与企口尺寸情况见图 2 图 3。图 2 异形钢护筒围护平面图图 3 异形钢护筒围护立面图2）钢护筒壁厚受改迁地下管道埋深土压力影响，按刚度要求计算确定。其中，强度验算、局部压曲验算、振动下沉验算，须同时满足 JTG/T 36502020公路桥涵施工技术规范和 JGJ942008建筑桩基技术规范中的要求。2.2 下沉振动锤激振力钢护筒下沉振动锤激振力参照日本某公司经验公式，并考虑类似工程的施工经验6，见式（5）式（7）。P0 Tv=T （5）=min+(1-min)e-（6）TQ0=（7）式中：P0为振激力，kN；Tv为降低后的静侧摩擦阻力，kN；为静侧摩擦阻力降低率；T 为静侧摩擦阻力，kN；min为静侧摩阻力降低率极值，此处取 0.05；为土阻力降低系数，此处取 0.52；为振动加速度，m/s2；Q0为振动体系质量（钢护筒质882024 年第 1 期楼岱，宗文亮，杨波，林楠：异形钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁技术研究与应用量+振动锤质量+夹具质量），10-3kg。根据式（3）得到-的关系，计算出静侧摩擦阻力降低率，从而计算出钢护筒振动下沉的最小激振力 Tv。钢护筒静止存在土体中，对钢护筒强制振动，钢护筒将振动传递给接触的土颗粒，土颗粒之间发生相对运动减少颗粒间的摩擦，静摩擦力降低，钢护筒在振激力作用下下沉。2.3 坑底 MJS 地基加固坑底 MJS 地基加固布置根据地下管道的埋深决定，确保坑底抗隆起稳定性。一般情况下，钢护筒坑内坑底以下加固深度为 3 m，坑外坑底以上沿钢护筒四周加固深度为（h+0.5）m，h 为异形钢护筒拱企口高度。桩径取 2 400 mm，搭接 900 mm，水泥掺量 45%，水泥选用 P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥。坑底 MJS 地基加固布置情况见图 4。异形钢护筒异形钢护筒MJS 加固范围MJS 加固平面布置改迁地下管道（h+0.5 m）3.0 m图 4 坑底 MJS 地基加固布置图2.4 地下管道走向边界定位为了使钢护筒拱形门式企口能够精确无误地匹配到地下管道正上方，钢护筒振动下沉前，必须精准确定地下管道的具体走向和边界。根据物探成果和管径数据，在地面放样地下管线走向与边界。根据异型钢护筒拱形企口与管道交叉平面的位置，在地面放样管道的物探边界。并每 15 cm 间距设置 1个定位孔，钻孔设备选用 XY-1 型钻机，管道边界内外各设置 23 个定位孔，精确探明地下管道的具体边界，见图 5。异形钢护筒地下管道定位钻孔地下管道定位钻孔地下管道15 cm图 5 地下管道走向及边界定位孔平面布置图3 应用案例鄞州大道福庆路综合管廊工程位于宁波市鄞州区，总长约 7.61 km。主线采用盾构隧道掘进，由中国铁建 6 950 mm 直径土压平衡式盾构（EPB）进行掘进。采用 1.5 m 宽预制钢筋混凝土管片错缝拼装，单环由 6 块管片组成，外径 6.7 m，内径 6.0 m，纵环向均采用 M30 双头弯螺栓连接。穿越地层主要为2层淤泥质黏土、1层粉砂、2层淤泥质黏土、1层淤泥质粉质黏土、2层黏土、1层黏土。工程区域内有 1 条 DN1 600 原水管横穿盾构轴线，DN1 600 原水管的外套管直径 2 000 mm，壁厚 20 mm，钢材质。该管道为宁波市区主要供水管道之一。冲突位置位于 10 号始发工作井南侧约 135 m 处，原水管外套管底标高-7.24 m，盾构机顶标高-7.04 m，盾构机与原水管冲突范围为20 cm，见图 6。图 6 盾构机与原水管冲突位置示意图3.1 技术性参数1）管道改迁工作范围内涉及的地层主要为2淤泥质粉质黏土、2b粉质黏土、2a粉质黏土、2b淤泥质粉质黏土，土层较软，工程性质较差。2层：淤泥质粉质黏土（mQ42）为灰色，流塑，厚层状为主，局部略带层理，高压缩性，均匀性差，土质不均。2b层：粉质黏土（mQ42）为灰色，流塑，厚层状，高压缩性，均匀性差，土质不均。2a层：粉质黏土（al-mQ41）为灰色，流塑，略具层理，高压缩性，均匀性差，土质不均，含较多粉土、粉砂薄层和条带。2b层：淤泥质粉质黏土（al-mQ41）为灰色，流塑，厚层状、鳞片状，高压缩性，均匀性差，土质不均，含少量粉土团粒及贝壳碎片。2）异形钢护筒改迁技术参数具体如下。钢892024 年第 1 期护筒内径 D=5.0 m；钢护筒企口尺寸 b1=2.4 m、b2=2.8 m、h=2.9 m；钢护筒壁厚 t=40 mm；振动锤激振力 P0 689.43 kN；MJS 加固参数：桩径2 400 mm，搭接 900 mm，水泥掺量 45%，水泥为P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥；MJS 加固范围：坑底上、下各 3 m 范围。管道改迁示意图和施工过程见图 7 图 9。现状沉井异形钢护筒4.6 m地面标高 4.5 m雨水管9.77 m0.5 m4.59 m盾构机-8.34 m-5.24 m1.19 m3.19 m0.4 m2.79 m11.59 m11.74 m12.84 m0.45 m新奥燃气管315 PE2.26 m2.95 m图 7 DN1 600 原水管改迁示意图图 8 异形钢护筒施工下沉图 9 DN1 600 原水管改迁完成3.2 应用效果1）保证工期和经济效益。工程中，运用异型钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁施工技术，顺利改迁了 DN1 600 大直径原水管。避免因工程路线走向、路线埋深调整造成工程费用增加，不影响工程总体投资、工期和推进效率。假设本工程中，发生线路改迁，需要增加上千万元费用，本次原水管改迁仅花费几十万元，并且缩短了原有工期。2）注重民生和社会效益。该段 DN1 600 大直径原水管为宁波市主城区的供水主干管之一，原水管割除至改迁完成、恢复正常通水用时仅 5 d，确保主城区居民正常用水不受影响，保证居民正常生活，见图 10。图 10 改迁完成恢复正常通水4 结语以宁波市鄞州大道福庆路综合管廊工程为工程背景，通过实践证明，异型钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁技术，在经济、工期与社会效益等方面都具有明显优势。对于冲突的管线，以往通过调整待建工程的路线走向、或者调整路线埋深来避让。这样的措施涉及规划、用地、环评等多部门的政策审查、审批，增加工期总时间。通过异型钢护筒围护对冲突的大直径深埋地下管道改迁，能够缩短工期。同时，避免因待建工程路线走向和路线埋深调整带来的工程费用增加，减少工程变更对社会环境的影响，具有良好的经济效益和社会效益。相比于传统的拉森钢板桩、PC 钢管桩、地下连续墙等围护方式，异型钢护筒围护能够与大直径深埋地下管道紧密贴合，完整的开挖暴露出地下管道，为管道改迁提供安全可靠的割接作业空间。工程的经验可为类似项目提供参考。参考文献:1 油新华,何光尧,王强勋,等.我国城市地下空间利用现状及发展趋势 J.隧道建设(中英文),2019,39(2):173-188.2 雷升祥,申艳军,肖清华,等.城市地下空间开发利用现状及未来发展理念 J.地下空间与工程学报,2019,15(4):965-979.3 叶俊能,刘干斌,骆睿栋,等.宁波地区典型地层 HSS 模型参数试验研究 J.宁波大学学报(理工版),2022,35(5):72-78.4 陆幸,郑明飞,刘干斌,等.紧邻基坑的地铁隧道跟踪注浆保护模型试验 J.地下空间与工程学报,2021,17(6):1839-1846.5 董静怡.地铁车站施工区域排水管道改迁方案与应用研究 D.湖北:华中科技大学,2021.6 胥新伟,刘亚平,黎双邵.大直径钢圆筒振沉计算方法 J.中国港湾建设,2014(10):14-16.楼岱，宗文亮，杨波，林楠：异形钢护筒围护大直径深埋地下管道改迁技术研究与应用157ABSTRACTSreference for similar major projects.Key words:major projects;Shanghai Pudong International Airport;complex degradation;pre-project management;management decision Research&Application of Technology for Relocating Large Diameter Deep Buried Underground Pipelines wth Special-Shaped Steel Casing EnclosureLOU Dai1,ZONG Wen-liang1,YANG Bo2,LIN Nan2(1.Hongrun Construction Group Co.,Ltd.,Ningbo 315000,China;2.Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:With the rapid development of underground space,the depth of underground engineering construction is also increasing,and a large number of large-diameter deep-buried pipelines are faced with relocation problems in practical engineering.In order to safely and reliably relocate and cut large-diameter deep-buried underground pipelines,a study was conducted on the construction technology of a special-shaped steel casing structure for underground pipeline relocation;specific analysis was made from the aspects of the inner diameter and tongue-and-groove dimensions of the special-shaped steel casing,wall thickness,subsidence excitation force,MJS foundation reinforcement at the bottom of the pit,and positioning of the boundary of the underground pipeline route.In the Yinzhou Avenue Utility Tunnel Project in Ningbo,this construction technology was applied to successfully relocate a DN1600 raw water pipe that crosses the shield axis.Through engineering practice,it was verified that this technology is suitable for the relocation of large-diameter deep-buried underground pipelines in soft muddy soil areas,and has good economic and social benefits.Key words:special-shaped steel pile casing;large diameter;deep burial;relocation;underground pipeline;MJS foundation reinforcementResearch on the Cutterhead Layout Scheme of Rectangular Shield Tunneling Machines in Sandy StrataPAN Wang-yang(Shanghai Tunnel Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China)Abstract:The cutting section shape of a rectangular shield tunneling machine is not center rotation symmetry.How to choose a suitable cutterhead layout scheme based on different geological conditions is a difficult point in the development of a rectangular shield tunneling machine.Based on the Four Seasons Green Station project of Hangzhou Rail Transit,comparing the construction parameters of rectangular shield tunneling machines under two construction conditions of clay and sandy strata,it was found that the shield tunneling machines were subjected to significant thrust and torque in sandy strata,and there were significant impacts.The structural form of the original eccentric multi axis drive profiling cutter head cannot meet the construction conditions in sandy formations.Targeted research and design of a cutterhead layout scheme,using a combination cutting form of 2 X-shaped large cutterheads and 2 retractable circular auxiliary cutterheads,and adding key functions such as auxiliary cutterhead drive with retractable function,shell structure at cutting blind spots,and soil improvement.The research and practice of this cutterhead arrangement scheme is of great significance for improving the geological adaptability of rectangular