預(yù)制式設(shè)備安裝系統(tǒng)在輸水盾構(gòu)隧洞的研究應(yīng)用

李 陽

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510220)

1 概 述

珠江三角洲水資源配置工程從廣東省內(nèi)西江水系取水，向珠江三角洲東部地區(qū)尤其是粵港澳大灣區(qū)供水，主要供水目標(biāo)是深圳市、東莞市和廣州市南沙區(qū)的缺水地區(qū)。

工程的主要的起始點取水口和提水泵站位于佛山市順德區(qū)西江的鯉魚洲島，采用過江交通隧洞的方式與主體工程連建，鯉魚洲交通隧洞盾構(gòu)段全長2.134 km，隧洞內(nèi)徑6 m，采用泥水平衡盾構(gòu)工法單線盾構(gòu)，該盾構(gòu)段下穿西江主水道，水深2.5～14.2 m，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，外水壓力大。隧洞底部為3.8 m寬度車道，車道兩側(cè)為0.59 m高度的檢修及人行通道，隧道兩側(cè)按照不同高程依次布置生活供水管道，消防供水管道，排水管道，強電供電電纜，監(jiān)控及安防等弱電電纜，照明及指示牌，頂部設(shè)有通風(fēng)排煙等設(shè)備及其支架。

盾構(gòu)隧道或交通隧洞設(shè)備安裝工程[1]常規(guī)施工方法是在隧道土建施工完成后，各專業(yè)設(shè)備的安裝工人進場打孔安裝化學(xué)錨栓或膨脹螺栓，安裝設(shè)備支架，從而完成各專業(yè)設(shè)備管線的安裝。該方法大量依賴人力，效率低精度差,特別是對于該項目中的過江隧洞地質(zhì)復(fù)雜，外水壓大，機電設(shè)備數(shù)量繁多，打孔量大，密集的打孔容易造成管片結(jié)構(gòu)的破壞，帶來后期管片滲漏，破損等后果。

為實現(xiàn)高效快速的設(shè)備安裝，又不破壞盾構(gòu)管片，預(yù)制式安裝技術(shù)能有效解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題。該技術(shù)將合金低碳鋼滑槽與盾構(gòu)管片[2]在預(yù)制階段就安裝在一起，盾構(gòu)隧道完成后，可利用滑槽作為掛點靈活的安裝設(shè)備支架，該方案較好的解決了后期打孔安裝的問題，實現(xiàn)了預(yù)制式安裝，但實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)滑槽本身的耐腐蝕性能難以滿足盾構(gòu)隧道100 a的使用壽命要求，由于無法精確定位后期設(shè)備安裝點位，因此需要全環(huán)預(yù)埋槽道，材料浪費較大，建設(shè)成本較高，對于管片的受力結(jié)構(gòu)也有一定的影響。因此，新型預(yù)制式設(shè)備研究對提高盾構(gòu)隧洞設(shè)備安裝質(zhì)量和施工效率，降低施工風(fēng)險和成本具有重要意義。

2 新型預(yù)制式設(shè)備研究

鯉魚洲過江交通隧洞作為國內(nèi)首次采用盾構(gòu)施工的水利交通工程，預(yù)制式設(shè)備安裝成為主要的科研創(chuàng)新突破口，在國內(nèi)首次設(shè)立了基于預(yù)埋套筒的水利交通盾構(gòu)隧洞全預(yù)制式設(shè)備安裝系統(tǒng)研究課題。

2.1 結(jié)構(gòu)特點

研發(fā)并采用工業(yè)級316L或304不銹鋼材質(zhì)的專用混凝土管片專業(yè)預(yù)埋套筒[3]，解決交通隧洞工程所使用的預(yù)埋件耐腐蝕、長壽命、高強度的問題。

經(jīng)過大量研究和實驗數(shù)據(jù)比對，該項目選取了對沿海氣候及鹽霧耐腐蝕性能最佳，同時力學(xué)強度高的316L材質(zhì)不銹鋼套筒，預(yù)埋套筒結(jié)構(gòu)大樣、實物圖見圖1。

圖1 預(yù)埋套筒結(jié)構(gòu)大樣、實物圖

研究并采用了基于盾構(gòu)隧道管片拼裝角度模數(shù)的理論作為預(yù)埋套筒位置布局的依據(jù)。盾構(gòu)管片的錯縫拼裝是按照一定的拼裝點位規(guī)律由盾構(gòu)機掘進時同步完成的，經(jīng)過深入研究，如果全環(huán)套筒的數(shù)量能按照管片錯縫拼裝角度的模數(shù)比(1/2，1/3或1/4)來選擇全環(huán)適當(dāng)?shù)奶淄矓?shù)量及等間距進行分布，在管片拼裝成型后，全環(huán)等套筒的標(biāo)高和位置就可以保持一致，實現(xiàn)環(huán)向等距、縱向固定等高，利于外掛槽道的安裝，也為后期設(shè)備利用套筒進行直接安裝創(chuàng)造了有利條件，可節(jié)省外掛槽道使用量，也大大簡化了安裝工序和整體成本。

圖2 錯縫拼裝示意圖

如圖2所示，所述管環(huán)內(nèi)側(cè)圓周面上繞所述管環(huán)Ⅰ的軸線等間距設(shè)有若干預(yù)埋套筒Ⅲ，相鄰所述預(yù)埋套筒Ⅲ之間的夾角與相鄰管環(huán)Ⅰ間錯縫拼裝的角度為整數(shù)倍數(shù)關(guān)系，例如，錯縫拼裝的角度為θ，則相鄰預(yù)埋套筒Ⅲ之間的夾角為α=θ/n,其中n為正整數(shù)且2≤n≤9，即n為2、 3……8或9。在一個實施例中，錯縫拼裝的角度θ為22.5°，n為3，則相鄰預(yù)埋套筒Ⅲ之間的夾角為7.5°，一個管環(huán)Ⅰ上的預(yù)埋套筒Ⅲ上的數(shù)量為48個。這種設(shè)置方式下，同一高度下的預(yù)埋套筒Ⅲ在隧道縱向S上呈一直線排列，可以保證安裝的設(shè)備支架也呈直線。

預(yù)埋套筒Ⅲ的環(huán)向C線路選擇需避開盾構(gòu)管片Ⅱ內(nèi)主鋼筋、吊裝孔、盾構(gòu)管片Ⅱ連接螺栓位置且距離需大于5 cm以上，避免預(yù)埋套筒Ⅲ與主鋼筋籠沖突，或后期安裝支架與吊裝孔、連接螺栓的埋放位置沖突。預(yù)埋點距離管邊界也應(yīng)大于5 cm，避免預(yù)埋套筒Ⅲ位于盾構(gòu)管片Ⅱ強度薄弱的邊緣。

根據(jù)以上拼裝模數(shù)理論，該項目的盾構(gòu)隧洞內(nèi)徑6 m，盾構(gòu)隧洞環(huán)向由六個盾構(gòu)管片(一個封頂塊，兩個相鄰塊，三個標(biāo)準(zhǔn)塊)拼裝組成，環(huán)間采用錯縫拼裝方式，錯縫角度為22.5°，該項目選取了錯縫拼裝角度的1/3(7.5°)作為錯縫拼裝模數(shù)比，并以此計算出全環(huán)等間距預(yù)埋套筒數(shù)量為48個，套筒等分弧長間距392.7 mm，套筒埋深90 mm。該套筒間距的選擇有利于套筒的全環(huán)分布，也有利于利用套筒安裝外掛槽道，也可以在兩個套筒上直接安裝支架。管片襯砌環(huán)構(gòu)造圖見圖3。

圖3 管片襯砌環(huán)構(gòu)造圖

預(yù)埋套筒分布軸線為管片中心軸線偏上15 cm，以避開管片主鋼筋，吊裝孔及管片連接螺栓，距離管片左右邊緣需大于5 mm，且不可與鋼筋直接接觸。

2.2 預(yù)制施工工藝

預(yù)制施工是本技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)，盾構(gòu)管片是在管片預(yù)制工廠自動化生產(chǎn)線高效生產(chǎn)完成，預(yù)制工藝流程為：

管片模具準(zhǔn)備及放入鋼筋籠-混凝土澆筑及振搗-蒸汽硬化-管片脫模-水池養(yǎng)護14 d-吊裝運輸-隧道盾構(gòu)拼裝。

預(yù)埋套筒全程將經(jīng)歷高溫、高壓和高堿和振動的沖擊，在不改變管片廠主要工藝流程和增加工作量的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)套筒的高效率預(yù)埋預(yù)制，同時確保套筒預(yù)埋定位的精確性，傾斜度合格，套筒內(nèi)部不漏漿，還能經(jīng)過吊裝運輸盾構(gòu)機拼裝后不損傷預(yù)埋套筒，管片模板可長期重復(fù)使用，是該項目的主要科研課題。

在大量科學(xué)研究和工廠實驗的基礎(chǔ)上，本項目在預(yù)埋預(yù)制工藝上也做技術(shù)創(chuàng)新，采用在管片鋼模上打出高精度的定位孔，利用獨特設(shè)計的復(fù)合材料定位端頭起到了定位和固定作用，實現(xiàn)了快速安裝施工和脫模，并且能保證不銹鋼套筒的預(yù)埋質(zhì)量，能達到設(shè)計要求的精確度和預(yù)制質(zhì)量，且能適應(yīng)規(guī)模化工廠預(yù)制管片的生產(chǎn)，并以此預(yù)制工藝技術(shù)申請了相關(guān)專利。

2.3 安裝方式

外掛槽道與預(yù)埋套筒直接安裝相結(jié)合的安裝方式，能利用預(yù)埋套筒直接安裝設(shè)備的區(qū)域則直接安裝在預(yù)埋套筒上，其余部分則采用外掛槽道進行靈活安裝，采用了錨點預(yù)埋與外掛滑槽相結(jié)合的技術(shù)，解決了點線面的各類型安裝需求，在隧道環(huán)向和縱向均可靈活地解決所需的掛點，包括未來新增的掛點均可提供，可根據(jù)需求靈活使用有利于節(jié)省工程成本。

2.4 結(jié)構(gòu)性能

2.4.1 力學(xué)性能

新型基于預(yù)埋套筒的預(yù)制式安裝系統(tǒng)作為隧道結(jié)構(gòu)性掛件，預(yù)埋套筒與盾構(gòu)管片同步預(yù)制施工制作完成，作為盾構(gòu)管片的組成部分，具有非常良好的力學(xué)性能。M12的預(yù)埋套筒極限拉拔測試值遠(yuǎn)大于80 kN以上，而打孔安裝的M12規(guī)格化學(xué)錨栓或者膨脹螺栓僅能達到15-30 kN。預(yù)埋套筒力學(xué)性能見表1。

表1 預(yù)埋套筒力學(xué)性能表

此外，在防震防松方面做了大量的測試也證明其具有非常良好的性能，基于預(yù)埋套筒的預(yù)制式安裝系統(tǒng)對于隧道設(shè)備的安全提供了非常有利的保障。

2.4.2 耐久性能

預(yù)制式套筒選用316L工業(yè)級不銹鋼是目前國際上公認(rèn)的具有非常優(yōu)秀的防銹耐腐蝕和鹽霧性能的不銹鋼材料，具有與盾構(gòu)管片相同的使用壽命。測試用盾構(gòu)管片及其316L不銹鋼預(yù)制套筒，露天存放6 a后，除了表面有少量污跡之外，仍然完好如初，證明預(yù)埋套筒具有非常優(yōu)秀的防銹蝕、耐高溫、濕熱、水霧、酸堿鹽霧等性能。

預(yù)制式安裝系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)打孔安裝的錨栓設(shè)備，只具有20 a使用壽命的問題，大大拓展了盾構(gòu)管片及其安裝設(shè)備的使用壽命，節(jié)約了建設(shè)和維護更換資金。

2.4.3 對盾構(gòu)管片的保護性能

盾構(gòu)隧道采用的打孔安裝工藝以及前期建設(shè)期和運營期的臨時和固定設(shè)備安裝，每環(huán)管片的打孔量有60個左右，每公里達到40 000個左右，因打孔造成打斷鋼筋，或者重新鉆孔，管片崩塊裂縫，滲水透水，孔位傾斜等問題較為嚴(yán)重。

采用新型基于預(yù)埋套筒的預(yù)制式安裝系統(tǒng)很好地解決了這個問題，每環(huán)48個預(yù)埋套筒等間距分布，每公里32 000個預(yù)埋套筒，可為隧道內(nèi)任意位置的設(shè)備安裝提供預(yù)制式錨點，避免了打孔安裝帶來的各種破壞。

相較于全預(yù)埋槽道[4]方案，每環(huán)管片48個套筒在管片內(nèi)占用的體積只有全環(huán)預(yù)埋槽道的20%，避免了預(yù)埋槽對盾構(gòu)管片的受力結(jié)構(gòu)的影響。

不銹鋼套筒的使用壽命可達到與盾構(gòu)管片同樣的壽命，避免了其他工藝20 a左右需要重新更換基于普通碳鋼的預(yù)埋掛件的銹蝕風(fēng)險。

綜上所述，基于預(yù)埋套筒的預(yù)制式安裝系統(tǒng)和工藝對于盾構(gòu)管片起到了良好的保護作用，在全壽命周期內(nèi)把對盾構(gòu)管片的影響降低到了最小。

2.5 工程影響

2.5.1 施工效率

隧道機電施工中阻礙安裝效率提升的主要工序是在盾構(gòu)管片上打孔并安裝化學(xué)錨栓或者膨脹螺栓，每公里工作量工時由4 300 h，采用新技術(shù)將其前移到管片預(yù)制工廠后，隧道地下施工現(xiàn)場可直接安裝支架設(shè)備，可大大簡化和減輕隧道現(xiàn)場工作量。

由于采用了非常簡潔可靠的預(yù)制工藝[5]，預(yù)埋套筒的預(yù)制僅僅在預(yù)制廠增加了公里工作量約300 h，隧道現(xiàn)場由4 300 h打孔安裝錨栓的工作量減少到400 h左右，現(xiàn)場工作量只有原來的1/10左右，可整體節(jié)約全線進度約1個月左右，大大加快了工程建設(shè)的速度。

根據(jù)下圖現(xiàn)場測算，一個工人現(xiàn)場安裝速度每天平均可達100環(huán)以上，常規(guī)打孔安裝錨栓的速度約為10環(huán)左右，工效提升明顯。

2.5.2 工程質(zhì)量

結(jié)合BIM從設(shè)計端開始設(shè)計套筒的布局和機電設(shè)備管線的分布位置，精度可達毫米級別，全流程精細(xì)化設(shè)計和施工，提升了工程質(zhì)量。管片生產(chǎn)工廠完全按照國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和管理，現(xiàn)代套筒的預(yù)埋和管片的預(yù)制工廠整潔干凈，工藝先進自動化設(shè)施齊全，工作環(huán)境寬敞明亮，預(yù)制式機電設(shè)備安裝實現(xiàn)了工廠化標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，改變了原來現(xiàn)場安裝的各種弊端，為工程質(zhì)量的提升做出了有力保障。隧洞成型效果圖及預(yù)制式設(shè)備投入使用見圖4、5。

圖4 隧洞成型效果圖

圖5 預(yù)制式設(shè)備投入使用圖

2.5.3 節(jié)能減排

傳統(tǒng)打孔安裝工藝，由于隧道工作面狹窄，無水無電無空調(diào)，通風(fēng)照明條件差，噪音高且粉塵飛揚，工人勞動強度大，嚴(yán)重影響工人健康，同時由于工程普遍存在趕進度的情況，不同專業(yè)交叉施工，密集作業(yè)容易引發(fā)工傷事故，還有大量的支架設(shè)備是依靠現(xiàn)場切割和焊接等特殊作業(yè)完成，也容易帶來火災(zāi)隱患和人身傷害。隨著老齡化社會的到來，依靠人力為主的施工現(xiàn)場難以維系，實現(xiàn)自動化和工廠化生產(chǎn)才是最終的解決方案。

新型預(yù)制式安裝系統(tǒng)的隧道現(xiàn)場工地整潔干凈，無噪聲粉塵污染，無需交叉施工趕工期，無需動火用電，標(biāo)準(zhǔn)化的外掛槽道安裝后避免了支架焊接切割等特種作業(yè)，所有工序按照固定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行避免了人為因素干擾，真正實現(xiàn)了文明施工，綠色施工，保護了自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，減輕了工人勞動強度和職業(yè)病風(fēng)險，減少了工傷事故的發(fā)生。對于施工單位而言，可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)管理，提升了工廠和施工現(xiàn)場管理水平，有利于改善工人的勞動條件，身體健康，減少了工傷事故風(fēng)險，減少了勞保和事故賠償支出。

另外，相比較全預(yù)埋槽道工藝每公里70 t左右的鋼材使用量，基于預(yù)埋套筒的預(yù)制式設(shè)備安裝系統(tǒng)僅需要預(yù)埋8 t左右的不銹鋼套筒，大大節(jié)省了鋼材使用量，整體成本造價也得到了降低，通過精確定位，科學(xué)布點實現(xiàn)了節(jié)能減碳，降耗增效。

3 結(jié) 語

預(yù)制式設(shè)備安裝技術(shù)采用全新技術(shù)填補了水利系統(tǒng)盾構(gòu)隧道預(yù)制式設(shè)備安裝領(lǐng)域的空白，將后期設(shè)備安裝工序前置，無需在隧道現(xiàn)場打孔，通過在管片預(yù)制工廠采用基于管片模板設(shè)計的預(yù)埋預(yù)制技術(shù)，即可快速地進行管片及其預(yù)埋套筒的大批量預(yù)制生產(chǎn)，結(jié)合外掛槽道和設(shè)備支架的安裝使用，從而實現(xiàn)了隧道設(shè)備快速安裝，大大加快了地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)備安裝的進度和提高了工程質(zhì)量，保護了盾構(gòu)管片免受打孔植筋造成的破壞?，F(xiàn)今該盾構(gòu)隧洞已提前完工并通過整體驗收，事實證明此盾構(gòu)隧道預(yù)制式設(shè)備安裝系統(tǒng)在應(yīng)用中取得了非常好的應(yīng)用效果。