全国市政工程行业科技成果展示

曲线管廊非开挖施工技术

“曲线管廊非开挖施工技术”项目于2016年3月立项,2017年9月完成,2018年3月通过中国市政工程协会市政科技专业委员会组织的项目成果鉴定。该项目由郑州市市政工程总公司承担。该项目成果获中国市政工程协会2017年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”二等奖,其成果适用于城市建成区内等相对复杂施工环境下和非城市建成区内新建管廊非开挖施工。

项目技术研究概况

近年来非开挖施工技术取得了较快的发展,国内外学者对直线顶管、大口径顶管、曲线顶管等施工关键技术都有一定的研究,为顶管工程的施工提供了理论指导。但目前顶管施工方法在城市地下管廊中的应用研究较少,尤其是大口径曲线管廊顶进研究相对落后。顶管施工技术广泛应用于各类工程中,顶进的最大距离和顶管最大直径一次次被刷新。在直径5 m以下的非开挖管道施工中,已有渐渐替代盾构法施工的趋势。但对于大口径双曲线管廊顶进的理论研究就显得相对滞后,工程施工经验领先于工程理论研究分析这一现状现实存在,这种现状也大大制约了顶管施工技术的长远应用发展。为此开发了曲线管廊非开挖施工技术。

曲线管廊非开挖施工技术的主要原理为:掘进机出洞时紧跟掘进机安放3根节段间设置有辅助起伏装置的管廊节段,紧跟这3根管廊节段后安放第1台中继间,然后根据预设曲线情况适时调整掘进机纠偏油缸行程及辅助起伏装置,在顶力作用下,掘进机按设定曲线方向掘进,同时,工作井中根据节段前进情况及时进行管廊节段拼接,拼接采用双胶圈接头形式。顶进过程中适时进行测量纠偏。当主顶设备所受阻力增大时及时启用前置中继间单独给掘进机头提供顶力。

 

项目关键技术及创新点

该技术主要解决了以下几个问题:

1)该技术通过中继间前置在一定程度上解决了曲线顶管阻力较大的问题。

2)该技术通过利用掘进机头的纠偏功能、辅助起伏装置共同作用来达到曲线形成、控制及纠偏的目的。

3)该技术通过引入双胶圈密封接头来加强管廊的密封效果,抵消曲线形成对管廊密封性造成的不良影响。

曲线管廊

该技术的主要创新性表现在以下几个方面:

1)利用顶管机头的纠偏功能和机头后设置的辅助起伏装置配合实现管廊的双曲线形态。

2)通过将一个中继间前置于机头后单独为机头提供顶力从而降低工作井中顶进设备的工作压力,使顶进设备能够集中于克服摩擦力。

3)开发了内拼式顶进施工技术。

4)针对管廊采用钢承口结构形式,通过在插口段设置双胶圈来强化密封。

 

与同类技术的比较

由于曲线管廊非开挖施工技术的研究只是借鉴了机械顶管施工技术,并没有完全采用也无法完全采用机械顶管施工技术,其本身存在与机械顶管不同的技术特征,需对这些技术特征的处理进行设计并在实践中加以验证完善。

首先,该项目研究的曲线管廊是双曲线管廊,即管廊轴线在平面和竖直面上的投影均存在曲线,这一点和普通机械顶管是不同的。经调查,普通机械顶管绝大多数采用直线顶进,即在平面和竖直面上投影均表现为直线,普通机械顶管有少数特殊情况才表现为管道轴线在平面或竖直面上投影是曲线,同时表现为曲线的情况未见有公开文献报道。

鉴于上述原因,双曲线管廊在实施中,其双曲线的形成技术和普通机械顶管的单曲线形成技术是不同的,但靠机头自带的纠偏功能较难同时实现双曲线。同时,由于顶进的管廊节段呈现双曲线形态,其在地下顶进过程中受到的土壤阻力要大于直线顶进及单曲线顶进状态,单靠工作井中顶进设备难以保证顶进效果,为此,引入中继间前置概念。中继间前置是指无须经中继间安放计算,在机头后不长的距离后安置第1个中继间,此中继间直接为机头提供顶力,从而可以解放工作井中的顶进设备,使其集中力量克服管廊节段与土壤的摩擦阻力。

由于管廊的形态呈现曲线,其管廊节段间连接范围(周长)中必然存在一定的张口,此张口的存在势必导致管廊的严密性受到影响,虽然会在施工后期对管廊节段接缝进行处理,但借鉴于排水管道施工技术,橡胶密封圈技术依然值得使用,为加强密封效果,设计采用双胶圈进行管廊节段接头密封。

中继间

 

项目应用成果与效益

成果应用 郑州市金水路西延高压输电线路架空入地改造工程预顶管道全程3 265 m,全程使用顶管法顶进作业,其中Ⅳ标段7—8号井双曲线顶管长度293.5 m,管道顶进路径为具有S弯的曲线,管道为预制钢筋混凝土管,内径3.5 m,外径约4.14 m,属于大口径顶管施工。该项目采用“曲线管廊非开挖施工技术”,较好地解决了双曲线管廊地下顶进施工时的曲线成型问题及阻力克服问题,施工过程顺利、质量符合要求、工程效果明显,经测算,相对于采用开挖现浇法来讲,该项目节约资金投入在80万元以上。

农业路快速通道工程电力隧道土建工程(第1标段:K0+000.00—K0+628.50,含过东三街隧道)道路新建电力隧道长度为870.9 m,全段均为顶管施工。曲线顶管长度共426.4 m。该曲线管廊施工采用“曲线管廊非开挖施工技术”,较好地解决了双曲线管廊地下顶进施工时的曲线成型问题及阻力克服问题,施工过程顺利、质量符合要求、工程效果明显,经测算,相对于采用开挖现浇法来讲,该项目节约资金投入在100万元以上。

项目效益 曲线管廊非开挖施工技术能最大限度地适应城市建成区的施工环境,提高施工效率,有利于城市建成区开展管廊修建。在城市建成区修建管廊时,采用非开挖施工技术比采用明挖施工技术大幅度减少了土方工作量和机械工作量,进而也节省了土地占用以及因此而衍生出的种种措施费用,如扬尘防控费用等;同时,曲线管廊非开挖施工技术还能在一定程度上解决施工现场存在的障碍影响施工的问题,避免了设计变更、方案变更,提高了施工效率。该技术在城市建城区应用能有效降低建设费用,经济效益明显。

采用曲线管廊非开挖施工技术进行曲线管廊的非开挖施工,能够充分适应城市建成区的复杂建设环境,最大限度地降低施工给城市生活带来的不良影响。随着管廊建设的发展,曲线管廊非开挖施工技术特别是中继间前置技术、双密封排水管道施工技术、内拼式顶进施工技术等将显示出越来越大的应用价值。

曲线管廊非开挖施工技术的提出对促进国家相关管廊建设政策的落实及管廊施工技术的发展具有一定的积极作用;丰富了管廊修建特别是非开挖修建管廊施工技术,对管廊修建施工技术体系是一个有益的补充。项目通过建立有限元模型及数值模拟分析,提出了曲线段顶进推力的推导及计算方法,总结出适用于具体项目的大口径曲线顶管顶推力计算参考公式,能够为类似项目的成功实施提供有益的参考。

同时,曲线管廊非开挖施工技术相对于明挖施工管廊来讲大幅度减少了土地占用,有效缓解了施工带给社会的交通拥堵等不良影响,减少了机械使用,相应减少了油料消耗和机动车尾气污染,由于该技术规避了大量的土方开挖及回填施工,也有效避免了扬尘污染。这对交通繁忙、人口密集、地面建筑物众多的城市是非常重要的,它有利于维护城市洁净、舒适和美好的环境并节约油料等资源。

(郑州市市政工程总公司 供稿)

注:本文刊载于《市政技术》2020年第1期,第1、2页