0 引言
综合管廊建于城市地下,是用于容纳2类及以上城市工程管线的构筑物,由干线综合管廊、支线综合管廊和缆线综合管廊组成的多级网络衔接系统[1-2]。当下建设综合管廊的主要方法有现浇法和预制拼装法等。现浇法作为目前成熟性高、应用范围广的施工方法,主要应用于具备明挖、放坡施工条件的项目,对于没有放坡空间的施工场所,则必须对两侧土体进行围护桩支护,防止土体坍塌,该工法机械化程度和施工效率较低,并且对环境影响较大。 装配式综合管廊施工方法是采用预制拼装方式进行综合管廊施工的工法, 可以有效减少施工过程对周围环境的干扰和破坏,降低施工对城市交通和生活的影响,大规模应用时具有一定的经济性[3]。
综合管廊施工设备多以单个施工机具为主,例如,在上海市临港新城综合管廊建设工程中,文献 [4]对比分析了履带式起重机、门式起重机、移动小车3种管节拼装方案,应用于明挖法预制综合管廊建设的优劣。 单个施工机具虽然在一定程度上提高了施工效率,降低了劳动强度,但是由于管廊拼装前工序较多,导致施工成本较高。 所以,装配式综合管廊施工设备有着非常强的研发需求和市场价值。 日本在20世纪六七十年代开发了 OSJ(open shield jacking)工法,较为成熟地代替了明挖法和盾构法, 能够在地下埋设排水管及明渠[5]。 目前OSJ工法施工案例达到了1000个。 我国在装配式综合管廊施工设备研发过程中起步相对晚,但是发展快。 随着国家对绿色低碳施工的建设要求,涌现出各种形式的施工设备,这些设备大都具有模块化设计、易于运输、造价成本低、施工效果好的特点,并在施工项目中得到了验证。
本文根据实际施工案例,详细论述国内外不同形式的装配式综合管廊施工设备技术原理与应用现状, 对比分析各种设备施工特点和优势,为未来发展提出 优化方向。
1 装配式综合管廊施工设备概述
随着科技进步和需求增长,装配式综合管廊机 械化施工设备得到了快速发展。 小断面单舱综合管廊可采用吊车进行装配安装,但对于双舱以上大断面综合管廊,受吊装半径影响,传统的吊车或龙门吊不再适用。 近年来,一系列新技术和设备被引入和应用于管廊施工领域。 例如:架廊机成为一种常见的机械化施工设备,它能够实现快速安装和拆除架廊构件,提高施工效率[6]。 矩形顶管机则可以在地 下推进和铺设矩形顶管,实现非爆开挖施工,减少对 地表的干扰。 U型盾构[7]、U 盾架管机等设备也广泛应用于装配式综合管廊施工中,此类机械化设备能够进行自动化掘进、铺设和安装管道等工作,大大提高施工效率和质量。 针对装配式管廊沟槽开挖、边墙支护及管节架设等施工工序,分别涌现出不同的施工设备,其机械化水 平区别较大,根据设备施工特点可以将国内现有装配 式综合管廊机械化施工设备分为以下4类:架廊机、 矩形顶管机、U型盾构、U盾架管机,如表1所示。
架廊机作为移动式拼装机械化设备代表,于2021 年8月应用于中交雄安新区装配式管廊示范项目,该设备能够适应长节段大吨位预制综合管廊的施工,运输、安装效率高。 矩形顶管机作为暗挖顶管施工设备代表,设备自身施工效率高,地面扰动低,地质适应性 强,具有较好的施工质量。 U型盾构是将管廊明挖和盾构管节拼装法的优点融合的专用设备,采用机械设备作为移动支护结构,以及模块化设计,可适应不同断面的管廊建设,2017 年10 月国内首台U型盾构应用 于海口市椰海大道地下综合管廊施工项目[7]。 U盾架管机具有占地小、开挖少、成本低、效率高、适应性强等优势,已分别应用于雄安新区EA4项目和成都市建设北路北延线(蜀龙路五期)项目(二期)综合管廊工程[9]。
国外装配式综合管廊机械化施工应用最广泛的是 日本的OSJ工法[10](国内称为 U 型盾构工法),广泛应用于下水管、雨水管等工程。 OSJ工法主要分为壁后注入型(NOSⅠ型)、无壁后注入型(NOSⅡ型)、顶进型(NOSⅢ型)、自走型(NOSⅤ型)4 种,其中壁后注入型(NOSⅠ型)应用最为广泛。
近年来,随着智能化技术的进步,装配式综合管廊 机械化施工设备也得到了进一步改进和创新[11-14]。 例如,U型盾构通过插刀、推板的超欠挖进行辅助纠偏,采用主顶油缸、铰接油缸分组协同控制,能够较好地控制掘进姿态。 另外,装配式综合管廊施工设备经历了从单一设备到集成化机械施工装备的转变,并且在近年来取得了显著的创新和进展[15-17]。例如,在U 型盾构盾体内搭载自动摊铺系统,满足管廊拼装的垫层快速铺设找平,这些新技术和设备的引入不仅提高 了施工效率和质量,还为未来的发展奠定了坚实的基础。
2 装配式综合管廊施工设备
针对上述4类施工设备,下文将分别从设备介绍、 工作原理及工效分析、工程应用情况展开论述。
2.1 架廊机
架廊机是适用于预制综合管廊建设的专用设备, 在施工过程中,预制管廊使用专用运廊车运抵施工场 地,随后使用架廊机吊装至预定安装位置,如图1所示。运廊车长29.6 m,宽6.9 m,最大载重6 000 kN, 采用液压驱动,通过工业级微机来控制驱动、转向、升降和调平,可以实现直行、斜行、八字转向、半八字转向 等多种运行模式。架廊机总长55 m,采用双主梁三支 腿式结构,单次可完成2环的管廊拼装,由主梁总成、 起重天车、前支腿、中支腿、后支腿等结构组成。其中, 前支腿支撑于前方混凝土垫层上,中后支腿支撑在已拼装管廊腹板以及内隔墙上,后支腿具备横向侧移功 能,以便运廊车进出架廊机下方[18]。架廊机主要技术参数见表2。
图1 架廊机总体结构
架廊机的核心部件是起重天车,如图2所示,其包括提升装置、回转装置、行走装置及液压控制系统等。 起重天车可旋转,起重量达600 t级,并配置相应控制器、传感器、行程开关对起重天车进行控制。架廊机工作时,通过安全监控系统对设备行进速度、载重量、管廊拼装姿态等关键数据进行采集以实现对作业过程的 实时监控。
图2 起重天车结构示意图
2.1.1 工作原理及工效分析
架廊机施工工序流程如图3所示。架廊机每次步 进可拼装2环,管廊通过运廊车运至架廊机后支腿处, 后支腿侧向打开,运廊车进入后支腿和中支腿之间,后 支腿闭合后,连接吊具与管廊间的连接器,通过起重天车对预制管廊前运通过中支腿至拼装区域上方,将管 廊旋转90°,随后进行落廊操作,进行第1环管廊拼装。表3为架廊机人员配置与用时统计。
2.1.2 工程应用情况
架廊机主要应用于雄安新区长节段、大吨位整体式预制拼装综合管廊示范工程。在该工程中,采用架廊机成功完成了34节8 m规格管廊节段和29节4 m 规格管廊节段的安全高效安装,避免了管廊架设过程 中高空物对施工作业的影响,提高了管廊吊装架设稳 定性和安装精度,同时避免了修建运廊便道。 以采用4 m为一个节段进行安装为例,每节段的 时间为3.5 h左右,日进度可达5节(20 m),理论情况 下月进度可达600 m,相较现浇法施工,施工效率提升 35%。 架廊机整体构件规模化、工厂化。施工过程标准 化,管片预制质量好,整体运输、安装效率高[19]。设备可在恶劣环境下连续施工,受天气影响小。比传统现浇节约成本且对基坑开挖及防护要求低,交叉施工影响小,有利于现场安全文明施工。 但是,架廊机设备施工过程中土方开挖、回填大, 桩基支护成本高,需研发配备专用大型设备。设备摊 销费用较高,可以通过循环使用来降低设备成本。
2.2 矩形顶管机
顶管施工是一种暗挖施工方法,是在盾构法基 础上发展起来的隧道修建技术。综合管廊在下穿铁路、公路、河流或者其他建(构)筑障碍物时,必须采 用少开挖甚至不开挖的管道铺设技术,避免对公路路面的重复开挖施工。由于城市综合管廊断面多呈 矩形,故在采用顶管法施工中,也多将顶管机设计成 矩形断面,图4为杭州德胜路综合管廊项目矩形顶管机结构图。
图3 架廊机施工工序流程
图4 矩形顶管机结构图
矩形顶管机由盾体、刀盘、管节、顶铁等组成。 与其他非开挖工法相比,矩形顶管隧道施工的特点 是: 覆土厚度浅,对场地的要求小,适合在拥挤的市 中心施工;开挖时对地层及地面环境的扰动小,机械 化程度高,同时借助平衡模式可对开挖面进行压力 平衡,能够在各类地层特别是软弱地层开挖中实现 地表的微沉降控制;同等开挖截面下,矩形隧道比圆 形隧道更能有效利用地下空间,隧道断面有效利用 率比圆形提高20%以上。表4为矩形顶管机主要技 术参数。
2.2.1 工作原理及工效分析
矩形顶管机在施工过程中,利用电机或者马达驱 动刀盘系统旋转挖掘土体,切削后的土体在刀盘搅拌 棒的作用下与膨润土、泡沫等土体改良剂充分混合,并 在螺旋输送机螺旋叶片的旋转作用下排出土压舱。刀盘开挖的同时,顶推系统在始发井处推动管节与主机一起向前移动,从而实现掘进、排渣、管节支护机械化 一次施工成型[1],为管廊拼装提供空间。管廊通过设 置在始发基坑上的吊运系统在基坑内完成拼装。矩形 顶管机施工人员配置情况见表5。
矩形顶管机主驱动主要采用中心轴式驱动,盾体 采用前后铰接连接,在长距离掘进项目中设备需要配 置有中继间。矩形顶管机施工工序流程如图5所示。
图5 矩形顶管机施工工序流程
2.2.2 设备工程应用情况
综合管廊顶管施工在国内已有多个案例,如杭州 德胜路综合管廊、郑州下穿中州大道隧道工程、苏州城北路综合管廊元和塘顶管工程、包头市经十二路经三路管廊、南昌市梅湖水系截污工程下穿南莲路等,如表 6所示,其施工能力覆盖了4~10 m尺寸段,可实现单舱、双舱、三舱等多种管廊形式的掘进。
其中,郑州下穿中州大道隧道工程首次将顶管施 工应用于城市主干道,在超大矩形断面、浅覆土、小间 距、地层多次扰动等复杂情况下,地表沉降控制在规范 和设计要求范围内,地层最大沉降量仅为28.2 mm,对 顶管施工工法有很大的推广意义[20-21]。
2.3 U型盾构
U型盾构主要通过推进系统和插板装置来实现地 下隧道的掘进和铺设,与传统的圆形断面盾构相比,U 型盾构可以用于非圆形隧道的施工,如U型隧道、L型隧道等。U型盾构系统包括前盾(包含两侧插板、底部 推板)、中盾、尾盾、顶推系统、铰接系统、辅助系统(包含主控室、泵站、导向系统等)[22]。图6为海口椰海大道综合管廊项目U型盾构,该设备融合了管廊明挖和 盾构管节拼装法的优点,采用机械设备作为移动支护结构,设备采用模块化设计,可适应不同断面的管廊建 设,主要用于明挖管廊、管网、沟渠等工程修建。U型盾构主要技术参数见表7。
图6 U型盾构
2.3.1 工作原理及工效分析
U型盾构整体采用刚性框架结构,具有较高的稳 定性和承载能力,能够抗拒地层的变化和不均匀应力, 确保施工过程中的安全性和稳定性。U型盾构同时具 有连续推进施工的特点,可以在施工过程中非停工状态下进行后方支护,从而提高施工效率。图7为U型盾构始发现场图。
图7 U型盾构始发现场图
在施工过程中,首先采用挖掘机进行土体开挖,开挖土体由渣车运输至后侧,用作管节拼装后管节两侧及上方的回填。土体开挖时,设备前部伸缩插板、底部推板伸出,通过主控室操作推进油缸伸出,推动设备前进,可边开挖、边推进,提高工作效率。设备推进完成 后,收回推进油缸,铺设底部垫层,吊装预制管节,然后 进行定位、拼装并完成管节张拉。U型盾构各工序平 均工效用时见表8。
2.3.2 设备工程应用情况
设备于2017年9月在海口椰海大道地下管廊工程试验段正式始发,为国内首台U型盾构综合管廊施 工。项目穿越地质主要为素填土、粉质黏土、黏土,地 下水位深 3~5 m,如图8所示。
图8 U型盾构施工示意图(单位: mm)
U型盾构所施工管廊根据其功能及断面设计的不 同,管廊具有单舱管廊、双舱管廊、三舱及以上管廊等多种形式,断面设计图如图9所示。
图9 U型盾构断面设计图
相应的预制管节的形式可分为整体预制管节、两 分块预制管节和多分块预制管节等。因为管节吊装、 运输等因素的限制,预制管节的宽度一般设计为1.5~ 2.5 m。U型盾构由于自身没有集成管廊吊装设备,故 需配置移动式吊装设备,通常为履带式起重机,辅助U 型盾构进行管廊的吊运、对位、拼装,管廊之间在U型 盾构主推油缸顶紧后,通过螺栓连接。 管廊明挖盾构在海口施工期间,工程前期由于管节 断面尺寸较大,且采用分块设计,管片拼装、张拉、垫层 施工等工序耗时较长,总体施工进度为平均1~2环/d, 后期随着对设备和工艺的掌握与操作熟练化,平均施工 一环用时5 h,单日最快施工4环[7],共7.2 m。U型盾 构施工综合管廊拼装效果如图10所示。
图10 U型盾构施工综合管廊拼装效果图
2.4 U盾架管机
U盾架管机是为综合管廊预制装配施工工法所研 制的机械一体化高效施工装备,其结合国内外综合管 廊建设的新理念、新技术、专用设备,提供了一种适用 预制装配管廊施工的盾架一体建造装备及工法,可实现掘进开挖及移动支护、管廊精准拼装、垫层机械化施作、侧缝同步回填。其主要适用于黏性土、砂质土、砾 石土等土质地层,能够满足变截面和偏心管廊施工。 图11为雄安新区EA4综合管廊项目U盾架管机结构示意图,主要包括U型盾构、架管机、过渡桥、管廊运 输车等,在施工过程中U型盾构形成移动支护,通过 架管机进行综合管廊的拼装[23]。U盾架管机的主要技术参数见表9。
图11 U盾架管机结构示意图
U盾架管机具备占地小、开挖少、成本低、效率高、 适应性强等优势。整体结构采用模块化设计,可组合 变换适应不同的管廊截面,整体设备更加灵活。施工 采用预制管节,避免现浇作业耗费大量作业时间。
2.4.1 工作原理及工效分析
U盾架管机施工过程中,首先采用挖掘机开挖U型盾构前方土体,通过中盾内的主顶油缸顶推已经拼 装好的预制管节,使U型盾构前移,与此同时相邻两 环管节采用螺栓连接,推进完成后,主顶油缸缩回,在 尾盾内侧空出管节拼装空间,采用架管机进行预制管 节拼装。架管机前支腿同U型盾构盾体刚性连接,跟 随U型盾构一起相对架管机主梁向前滑动,推进完成 后,架管机主梁连同后支腿,在后支腿驱动轮的驱动 下,向前行走1环管节的距离。U型盾构盾体内设置 垫层摊铺系统,能够对垫层自动铺设[24]。与此同时, 在挖掘机开挖土方时,侧缝回填系统同步工作,将一部 分开挖出来的土方,经过振动筛分后,和水、水泥、粉煤 灰、速凝剂等混合后搅拌均匀,形成速凝液态土,在U 盾架管机向前推进时,同步填充至已经拼装好的管廊 两侧的缝隙内。管廊交叉口等节点处采用钢制过渡桥 作为临时管节,为U盾架管机提供推进反力。U盾架 管机具体施工流程如图12所示。
图12 标准管节施工流程图
U盾架管机各工序平均工效用时见表1。平均用时3h/环。
2.4.2 工程应用情况
U盾架管机应用于雄安新区启动区EA4综合管 廊工程施工项目,线路总长度5 248 m,如图13所示。 其中三舱段1 577 m(含非标节点空推段),双舱段 1 581 m(含非标节点空推段)。三舱管廊截面宽 11.1 m,高4.5 m,长3 m,质量为115.5 t,共335节; 双舱管廊截面宽8 m,高4.5 m,长3 m,质量为85.6 t, 共215节。
该设备于2023年3月始发掘进,于2023年10月 完成掘进任务,实现了设备顶推、垫层摊铺、管廊吊装、 侧缝回填、无级变径等工序的一体化控制。项目日进 度最快达到了36 m(12环)[25],相较传统明挖现浇工 法,U盾架管机施工工法减少现场人工60%,土方开 挖、回填减少30%,混凝土护坡量节省50%,占地宽度 节省37%,减少碳排放70%,开拓了综合管廊绿色建 造新工法。U盾架管机综合管廊拼装效果如图14 所示。
3 各类管廊机械化施工设备综合对比分析
综上所述,装配式综合管廊施工设备可根据不同施 工地质条件进行选型,各种类型设备对比如表11所示。 架廊机适用于长节段大吨位预制综合管廊施工, 但是,此类设备需要进行大开挖,对管廊底部地面进行硬化处理,土方开挖量大,施工成本高。矩形顶管机的 主要特点在于能够下穿既有管线以及建(构)筑物,并 且适用于3 m以上埋深的综合管廊建设,另外,地质适 应能力强,但是,相较于架廊机等其他设备,施工效率 较低,对于浅埋深的情况,矩形顶管机并不适用。
图14 U盾架管机综合管廊拼装效果图
U型盾构克服了综合管廊建设过程中大开挖的缺 点,通过盾体两侧墙在推进过程中形成移动支护,土方 开挖量小,但是在一些关键工序上,例如垫层摊铺、侧 缝回填以及管廊吊装等,机械化程度较低,影响了设备 的施工效率。 U盾架管机在U型盾构的基础上,弥补了其功能 缺陷,综合工效提升了5倍。 另外,从表11中可以看出,矩形顶管机作为一种暗 挖设备,工效最低,施工成本最高,约为13.3万元/延米, U盾架管机施工成本最低,约为3.7万元/延米,相较 架廊机节约16%,相较矩形顶管机节约72%。 受依托工程单一工况限制,上述各种设备和工程 案例在富水软弱地层、上软下硬地层以及大埋深等条 件下的施工效果还需要进一步验证。
4 结语
通过分析国内外装配式综合管廊施工设备发展现 状和已有的技术方法,综合管廊建设的总体发展趋势如下。
4.1 管廊施工设备关键技术发展
随着智能化技术的进步,装配式综合管廊机械化 施工设备也将得到了进一步改进和创新,各系统协同 控制、功能集成化、设备适应性将会是新的发展方向。 例如,架廊机可通过智能传感器对施工过程进行实时监测,并将测量数据反馈至作业设备控制系统,实现动态监控施工工艺,提高管廊架设作业效率和安全性。 矩形顶管机在复合地层的刀盘适应性问题是此类设备 发展的关键技术。另外,U盾架管机在富水、软弱地层 条件下的垫层摊铺、盾尾密封系统等设计是此类设备 的主要研究方向。
4.2 提高综合管廊机械化建造水平
随着国内综合管廊建设工程的蓬勃发展,综合管 廊机械化建造技术和设备的研发越来越受到重视,上述各项已有技术均一定程度地促进了综合管廊机械化建造技术的发展,但也存在着一些问题。一方面,上述 预制装配综合管廊机械化建造技术依然存在着机械化 程度较低、经济性较低、施工效率较低等问题,如U型盾 构解决了管廊基坑支护的问题,但没有解决预制管节拼装的问题;架廊机解决了大断面长距离预制管节的拼装 问题,但土方开挖量大、施工成本高等问题依然存在。 另一方面,基于综合管廊截面形式多样、非标节点较多等特点,综合管廊机施工设备的适应性、通用性较低。 因此,研发机械化程度更高,适应性、通用性更强的综合管廊一体化成套施工装备具有重要的意义。