地下综合管廊矩形盾构方案设计.pdf

引用格式:张星,苏明浩,甘雨,等.地下综合管廊矩形盾构方案设计J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):365.ZHANG Xing,SU Minghao,GAN Yu,et al.Scheme design of rectangular shield for underground utility tunnelJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):365.收稿日期:2022-09-28;修回日期:2022-12-15第一作者简介:张星(1990),男,山东济宁人,2011 年毕业于兰州交通大学,给水排水工程专业,硕士,高级工程师,现从事市政工程设计与研究工作。E-mail:807592975 。地下综合管廊矩形盾构方案设计张 星1,苏明浩2,甘 雨2,冯海翔1(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司,甘肃 兰州 730000;2.中铁工程装备集团有限公司,河南 郑州 450016)摘要:为解决复杂工程环境下长距离地下综合管廊暗挖施工中采用矩形断面盾构技术实施的难点问题,加快综合管廊矩形盾构施工关键技术攻关及特种设备研发制造进度,推动矩形盾构技术在综合管廊工程领域的实践和应用,使得盾构管廊内部空间利用率最大化,针对综合管廊矩形盾构技术开展了方案设计研究,对盾构管片、接缝构造、辅助结构、内隔墙及附属、节点等进行了设计,对盾构施工方案和拟解决的关键技术问题进行了探究,提出了可实施的技术方案。结合郑州滨河国际新城综合管廊南延工程,进行应用场景设计和盾构设备机械设计,给出能够应用于工程实践的有效解决方案。在应用设计中,通过技术比较和经济比选,得出综合管廊矩形盾构所适用的有利条件,为节约工期和投资提供了方案。关键词:综合管廊;矩形盾构;工程应用 DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.042中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0365-08S Sc ch he em me e D De es si ig gn n o of f R Re ec ct ta an ng gu ul la ar r S Sh hi ie el ld d f fo or r U Un nd de er rg gr ro ou un nd d U Ut ti il li it ty y T Tu un nn ne el lZHANG Xing1,SU Minghao2,GAN Yu2,FENG Haixiang1(1.CSCEC AECOM CONSULTANTS Co.,Ltd.,Lanzhou 730000,Gansu,China;2.China Railway Engineering Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,Henan,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:It is difficult to conduct rectangular shield tunneling mining construction of long-distance underground utility tunnel under complex engineering environment.It is an urgent need to speed up the key technology research and development of special equipment for rectangular shield tunneling of utility tunnel and promote the practice and application of rectangular shield tunneling technology in the field of utility tunnel engineering,thus maximizing the utilization rate of the internal space of the shield tunnel.Therefore,a scheme design research is conducted for the rectangular shield technology of the utility tunnel,and the shield segment,joint structure,auxiliary structure,internal partition wall,accessories,and nodes are designed.In addition,the shield construction scheme and key technical problems to be solved are explored,and a feasible technical scheme is proposed.Finally,a case study is conducted on the south extension project of the utility tunnel of Zhengzhou Binhe International New Town,the application scenario design and shield equipment mechanics design are conducted,and an effective solution that can be applied to engineering practice is provided.Through technical and economic comparisons,favorable conditions applicable to the rectangular shield of the utility tunnel are obtained,providing a scheme for saving the construction cost and shortening the period.K Ke ey yw wo or rd ds s:utility tunnel;rectangular shield;engineering application0 引言地下综合管廊,一般布置在城区,又称为城市地下综合管廊,是一种收容 2 种及以上管线的地下立体空间结构1-2。其具有防灾减灾、美化环境、利于交通、隧道建设(中英文)第 43 卷节约用地、延长管线寿命、易进行管线的扩容更新、保证管线的安全、降低管线敷设的总体造价等特点和优势3-5。因传统敷设管线的弊病日益显现,大力建设综合管廊将成为必然需求。随着工程环境趋于复杂化,综合管廊的非开挖施工方式越来越多,研究综合管廊的新型建设方式以及新型设备,则显得十分必要6-9,尤其是适用于复杂工程环境下的长距离管廊盾构技术。目前应用较成熟的为圆形盾构技术,在综合管廊施工中已实现成功应用,如四川省成都市成洛大道综合管廊施工采用了外径 9.33 m 的大型圆形盾构设备,但研究表明,综合管廊矩形断面空间利用率最大。魏江涛6利用多种指标层次分析法对综合管廊案例中的标准断面进行优化,得出矩形断面的选用权重为 0.660 8,远高于椭圆形的 0.208 1 和圆形的0.131 1,确定最优标准断面为矩形。强健7对暗挖综合管廊的发展和研究方向进行了分析,重点分析了暗挖施工的功能整合及施工井方法等;郑康泰8综述了矩形掘进机在管廊建设中的应用发展,总结了优缺点,并提出矩形掘进机未来发展方向;李喆等9从我国隧道和地下工程施工技术和装备发展战略出发,提出要加快复杂环境下新设备、新工法的研制攻关,以尽快解决“卡脖子”问题,其中就包括矩形断面掘进问题;郑永光等10介绍了异形掘进机技术方面在我国的应用情况,提出了进一步的研究方向。综合分析可知,矩形盾构技术在综合管廊中并未得到真正应用,仅在地铁及大断面矩形顶管施工中有相应案例。为推进解决复杂环境下长距离矩形管廊施工难点问题,使得矩形盾构技术在综合管廊建设中实现真正应用,针对综合管廊矩形盾构进行了方案设计研究,给出了可行的设计方案。1 设计内容和方法结合实际的综合管廊工程,针对难点技术矩形盾构技术在综合管廊中的应用进行研究和探索,在郑州滨河国际新城综合管廊项目中提出应用需求,通过对地下综合管廊矩形盾构技术的工艺设计、结构设计、节点设计等,提出可以解决复杂工程环境下的矩形综合管廊非开挖施工问题,确保综合管廊有效空间利用率最大化的可实施设计方案,同时对施工措施、施工工艺以及矩形盾构设备进行了设计研究,给出可以进行实际应用的合理的解决方案。2 矩形盾构方案设计2.1 工程概况鉴于我国矩形盾构技术在综合管廊中的应用还没有相应的案例,故选取郑州滨河国际新城综合管廊实例,新城北部管廊的南延一期工程项目,开展综合管廊的矩形盾构设计研究。首先对工程所在区域的地质情况进行分析,主要地层参数如表 1 所示。抗浮设计水位按地质报告成果,综合考虑取合理数值。抗震烈度、地震相关数值以及场地液化情况等均按地质情况分析确定,分析结果场地为抗震有利地段,且暂不需考虑液化影响。表 1 主要土层参数汇总表Table 1 Statistics of main soil layer parameters地层编号地层名称密度/(g/cm3)抗剪强度指标(直剪)黏聚力 c/kPa内摩擦角/()静止侧压力系数 K0地基基床系数 K/(MPa/m)水平 Kx垂直 Kv32黏质粉土18.713.920.70.44292733黏质粉土18.713.821.70.4323541粉砂193280.4323034黏质粉土19.114.9220.38333522粉质黏土19.635.814.80.42323123粉质黏土19.328.5140.43323035黏质粉土19.416.521.70.38424036黏质粉土19.516.622.60.35343621粉质黏土19.930.516.80.4323531黏质粉土19.71521.60.38384022粉质黏土20.134.515.80.435332.2 盾构管片设计1)管片分块及断面尺寸。根据管廊内净空要求,同时结合盾构施工特点,设计的矩形盾构断面尺寸如图 1 所示。断面宽度 9.6 m,断面高度 5.8 m。2)结构验算。进行荷载组合计算,并考虑将区间管片采用错缝的拼装形式,同时考虑接头部位的特殊受力和加强状况,采用相对成熟的-法(修正惯用法)来进行设计计算,结果如图 2 所示,验证了矩形盾663增刊 1张 星,等:地下综合管廊矩形盾构方案设计构管廊廊体设计的可行性和正确性,能够满足要求。图 1 矩形盾构断面设计图(单位:mm)Fig.1 Cross-section design of rectangular shield(unit:mm)2.3 管片接头设计管片接缝构造设计采用了 1 道弹性的密封垫,并在内侧预留嵌缝槽。在管片环缝接头设计中,采用千斤顶凸台来减少盾构掘进千斤顶作用对管片混凝土的破坏,同时有利于高精度的盾构管片和管模的实际生产。充分吸收剪力销能够比凹凸榫槽在抗剪能力方面更强、更方便于安装的特点,本设计中采用了剪力销衬砌环的做法。综合管廊的盾构管片设计采用了螺栓连接,根据螺栓的连接方式可以有直、弯、斜 3 种形式,综合分析比较三者的优缺点,斜螺栓在结构上加强了构件的联结,防止接头错动,且截面抗剪面积大,考虑采取增加定位孔的方式后,具有较好的定位作用,故本设计管片的接缝连接采用了斜螺栓连接方式,如图 3 所示。(a)结构计算模型图(b)基本组合弯矩图(单位:kNm)(c)基本组合轴力图(单位:kN)(d)标准组合弯矩图(单位:kNm)(e)标准组合轴力图(单位:kN)图 2 结构验算结果图Fig.2 Structural checking calculation results763隧道建设(中英文)第 43 卷图 3 斜螺栓大样图(单位:mm)Fig.3 Detail drawing of inclined bolt(unit:mm)对管片斜螺栓连接时的受力进行模型计算分析,获得满足设计要求的螺栓设计方案,每一节盾构环的块与块之间共设置了 24 颗 M33 环向性螺栓,每个块与块接缝设置 4 颗,交错安装。在盾构的各环与各环之间,共设置了30 颗 M33 纵向性螺栓,在纵向环缝上,每块布置5 颗。以上螺栓的机械等级均选取 8.8 级。2.4 盾构井类布置及围护结构设计对于十六路和十九大街可采用矩形盾构法施工的区段,盾构始发、接收井的布置可同时兼顾 2 个区段盾构施工需求,共需布设 3 个盾构工作井,其中 1 个工作井位于 2 个区段相交位置,同时作为 2 个区段的接收和始发井,布置如图 4 所示。图 4 盾构井布置示意图Fig.4 Schematic of shield shaft layout局部开挖施工围护桩采用钢筋混凝土灌注桩,桩径和间距为 1 000 mm 1 200 mm,根据基坑深度,经验算确定采用 1 3 道钢支撑体系,钢支撑采用钢管撑,设计为 609 mm,t=16 mm,支撑竖向间距划分为2、5、6 m,第 1 道支撑横向间距采用大值,第 2、3 道支撑间距采用小值。围护桩的外侧采用了 600 mm500 mm 双重管旋喷桩止水方式,搅拌桩深入不透水层需不小于 1 m,坑内降水采用开挖基坑方式。2.5 内隔墙及电缆桥架设计如图 5 所示,待综合管廊主体盾构洞通后再进行内部构造的施工,主要为内隔墙,可采用现浇施工工法或者预制拼装新技术施工工法。本次设计研究采用了内隔墙预制拼装设计。盾构管片生产时可在管片指定位置预留预埋件以便后期安装中隔墙,并在隔墙上预留预埋件方便后期安装电缆桥架等。图 5 内部结构示意图Fig.5 Schematic of internal structure预制构件拼装施工可以紧跟前方盾构掘进,在整环管片拼装完成脱出盾构后配套进行安装施工。中隔墙按照每 3050 m 分段施工,每段由下至上包括以下5 个步骤:施工底部型钢连接构件;吊装中隔墙预制块;安装上部传力杆;施工中隔墙的后浇段;上部钢结构、防火处理。2.6 结构耐久性设计本工程环境类别属于二 a 类,根据规范的要求,管廊盾构主体结构耐久性的要求如下:1)混凝土应采用高性能的防水混凝土且抗渗等级不小于 P8;2)在管片预制时掺入高效的减水剂以及优质的粉煤灰或磨细后的矿渣(即双掺技术),并应经试验确定最优的配合比;3)应严格控制水灰比,C50 最大限制为 0.5,最小水泥用量 275 kg/m3;4)混凝土中的最大氯离子含量为 0.06%;5)配置混凝土应采用非碱性的活性骨料,碱含量应小于 3.0 kg/m3,骨料质地坚固且应均匀,空隙率小且粒形和级配应良好;6)在混凝土配置时,应采用稳定的硅酸盐水泥,其强度等级应大于 42.5;7)应做好混凝土的养护;8)主体结构设计使用年限需按照综合管廊相关的规范要求,为 100 年。2.7 防水设计综合管廊盾构管片自防水按照原管廊结构设计要求执行,在盾构施工过程中,对衬砌管片外的土体间空隙,通过同步注浆与二次注浆进行充填。1)管片接缝防水。采用仅外侧设置 1 道三元乙丙橡胶弹性密封垫(如图 6 所示)。2)嵌缝防水。通过嵌缝防水材料构863增刊 1张 星,等:地下综合管廊矩形盾构方案设计筑加强的防水阵线,在矩形管廊盾构设备进出洞时,应确保拉紧盾构管片,并采取加强注浆防水的相应措施。(a)(b)图 6 管片接缝构造图(单位:mm)Fig.6 Structural drawing of segment joint(unit:mm)2.8 节点设计1)出入口设计。分支、消防、投料口等出入口采用先盾构后局部明挖开洞的方式进行。需开洞部位,设置型钢管片,外部开挖后直接放松螺栓,将型钢管片拆下即可,如图 7 所示。在满足综合管廊规范要求的前提下,重点解决逃生、通风及进出线要求,尽可能减少各类节点数量以减少开挖,可采取综合节点布置方式,并可将与盾构工作井和接收井临近节点结合在一起设置。2)集水坑设计。断面下部起拱,回填层最厚处达700 mm,可在回填层施作集水坑,如图 8 所示。3 矩形盾构施工方案3.1 盾构形式选择根据前节不同的施工方法技术研究,郑州滨河国际新城综合管廊工程矩形盾构段的实施拟采用土压平衡式矩形盾构模式,具备掘进开挖、出渣、渣土改良、注浆、纠偏、动力、管片拼装、控制、测量导向、自动报警等各系统性功能。(a)(b)图 7 管廊口部施作示意图Fig.7 Construction diagram of pipe rack mouth图 8 集水坑设计图(单位:mm)Fig.8 Design drawing of sump(unit:mm)3.2 控制地表沉降的针对性设计针对盾体及刀盘进行模拟设计,并配置设计螺旋输送机、砂浆罐液位检测体系、自动循环注浆减摩系统等。在减摩系统中,通过 PLC 控制单向阀每间隔 3 s逐次注入减摩剂,自动化程度高,使减摩剂的作用充分发挥,从而有效阻止背土问题产生。3.3 矩形盾构姿态控制和滚转纠偏的针对性设计主机部分采用主动铰接设计,配置足够的调向纠偏能力,从而解决盾构抬头、栽头以及左右偏转的轴线控制问题,同时还可以利用双螺机出渣系统,通过控制螺机的出渣量以调节姿态,或辅以刀盘的正反转对盾体姿态进行调节。963隧道建设(中英文)第 43 卷3.4 环向行走式矩形管片拼装机针对性设计拼装机设计能够适应矩形盾构管节分半形式多、尺寸不同、重量安装位置不同等差异性情况,主体设计应以环形行走为主,且能够拥有 X、Y、Z 3 个方向位移外加 rotX、rotY、rotZ 3 个轴向转角共六自由度活动能力;通过设计合理的盾构管节分半尺寸和拼装顺序,能够实现每种管片在空间平移、翻转、角度微调等方面的动作,以实现快速拼装管片的目的。3.5 矩形形状保持器和立墙支护结构的设计在当前环拼装完毕时,组成该环的 6 个未推出盾尾的管片,只受到自身重力的载荷,连接螺栓暂不拧紧,此时通过专用形状保持器纠正当前已拼装完毕的环向 6 个管片,使之与已承受外部土体载荷的管片(称为当前环-3)在空间位置相对照;同时,采用钢结构永久支撑将要推出盾尾的管片环(称为当前环-2),而次要推出盾尾的管片环(称为当前环-1)已被形状保持器矫形完毕,连接螺栓拧紧,使用另一个形状保持器辅助其受力。同时,施工队伍要做好勤测勤纠偏的工作,共同保证管廊轴线控制的精准。3.6 盾体结构的针对性设计通过分析矩形盾壳受力情况的不利因素,建立本工程适用的管廊盾壳受力模型,并采取有限元分析方法,优化了盾体结构,很好的满足了吊装和运输要求。3.7 盾构施工工艺与常规盾构类似,土压平衡矩形盾构施工主要包括施工准备、盾构始发、盾构推进、管片安装、盾构到达等关键环节,其具体施工工艺流程如图 9 所示。图 9 盾构施工工艺流程图Fig.9 Flowchart of shield construction4 矩形盾构应用研究从 2015 年开始,针对南延二期工程经开第十五大街和经开第十九大街段综合管廊的盾构施工,开展了实践应用研究,发现矩形盾构施工在本工程中具有很好的优势及效益。矩形盾构在工程条件比较苛刻的情况下,可有效降低开挖土方,并实现管廊断面的合理化应用。拟采用土压平衡式矩形盾构施工,为降低施工难度,单台盾构断面控制在 10 m 宽度以内,大尺寸管廊断面可拆分后采用 2 台机器挖掘盾构,中间净距不小于1 m。如图 10 所示,大断面管节分块方式:大管廊断面为 8.9 m4.4 m,结构分块考虑错缝拼装,并按左右对称的分块方式进行分块;为减小施工难度,中隔墙考虑在主廊洞通后再施作,盾构施工期间在结构中部加临时支撑;小断面分块方式:单舱管廊断面为 5.6 m4.4 m,盾构管节分块加工预制,设计为上下拼接形式,纵缝错开排列;基于盾尾密封需要,管片需做倒角设计。(a)大断面分块(b)小断面分块图 10 盾构管节分块方式图(单位:mm)Fig.10 Block diagram of shield pipe section(unit:mm)根据研究成果,对本工程所采用的盾构设备进行了模型设计,如图 1112 所示。图 11 盾构设备模型俯视图Fig.11 Top view of shield model073增刊 1张 星,等:地下综合管廊矩形盾构方案设计图 12 盾构设备模型侧视图Fig.12 Side view of shield equipment model 应用在本工程中时,克服的边界条件:廊顶最小覆土为3 m;离管道最小距离为1 m;距离建筑物最近为 10 m,转弯半径为 500 m。解决的关键技术:大矩形断面盾构开挖技术;多刀盘、驱动联合控制技术;双螺旋输送机联合出渣技术;主顶系统电液控制集成技术;矩形盾构沉降控制技术;矩形盾构姿态测量及自动导向技术;矩形盾构纠偏技术;矩形盾构渣土改良技术。在不考虑拆迁以及处理地表复杂环境费用情况下,且明挖仅考虑放坡开挖,不考虑基坑支护,盾构施工仅比明挖施工工程投资增加 15%20%。具体见表2 和图 13。表 2 工程费用对比数据表Table 2 Project cost comparison data道路名称施工方式工程费用/万元其他费用/万元预备费/万元建设期贷款利息/万元总投资/万元经开第十五大街经开第十九大街明挖16 945.71 985.091 893.081 055.921 879.77盾构19 495.62 249.292 174.491 212.8625 132.24明挖10 619.861 326.641 194.65666.3413 807.49盾构13 463.861 621.65162.17773.1516 020.83图 13 盾构和明挖工程投资对比图Fig.13Investment comparison diagram of shield and open-cut excavation以上经济对比未考虑地表环境处理费用和沟槽支护费用,在道路及管线均为现状且临近周边皆为现状建筑情况下,考虑明挖对现状道路及管线的破坏及恢复,以及降低对周边建筑影响采用的支护开挖费用,第十五大街和第十九大街明挖施工费用均需增加约5 000 万元,而采用矩形盾构仅需增加约 3 000 万元,在总成本费用上是节约的。根据图 1415 对比显示,两者工期相当,因此,可以用增加较少的投资代价、相同的工期来解决地表复杂环境下非开挖难题,降低了复杂环境的处理及安全措施费用。在工期对比分析中,盾构施工前期有 46个月时间用在了设备的设计及制造上,如果从全生命周期考虑,提早安排设备的研发制造,或者在设备应用成熟情况下,采用现有设备,工期上是有优势的。图 14 经开十五大街盾构施工工期横道图Fig.14 Gantt chart of shield construction period in Jingkai 15th Road173隧道建设(中英文)第 43 卷图 15 经开十五大街明挖施工工期横道图Fig.15 Bar chart of open-cut excavation construction period in Jingkai 15th Road5 结论与体会矩形盾构应用在复杂工程环境下长距离矩形断面的综合管廊建设中,具有经济优势,在设备成熟情况下,同时具有工期优势。通过对综合管廊矩形盾构设计及施工方案的研究,得出了其所适用的有利条件,在设计、施工及设备等技术方面提供了可行的方案,对矩形盾构在综合管廊中实现真正应用具有推动作用。鉴于建设方对综合管廊矩形盾构技术是否成熟存在担忧,使得该技术并未在郑州滨河国际新城综合管廊中实施,应用推广在建设意识方面仍存在困难,矩形盾构技术在综合管廊中的实践仍需进一步研究。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 薛伟辰,胡翔,王恒栋.综合管沟的应用与研究进展J.特种结构,2007,24(1):96.XUE Weichen,HU Xiang,WANG Hengdong.Application and research review of utility tunnelJ.Special Structure,2007,24(1):96.2 王恒栋,王梅.综合管沟工程综述J.上海建设科技,2004(3):37.WANG Hengdong,WANG Mei.Overview of utility tunnel project J.Shanghai Construction Technology,2004(3):37.3 王璇,陈寿标.对综合管沟规划设计中若干问题的思考J.地下空间与工程学报,2006,2(4):523.WANG Xuan,CHEN Shoubiao.Several considerations on the planning and design of utility tunnel in 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