[分享]盾构法+综合管廊→设计方法全面解读

发表于2019-02-25    785人浏览    1人跟帖    总热度:530  


编者导读:现行综合管廊规范(GB50838-2015)未对采用盾构法施工的综合管廊进行具体的技术规定,通过盾构施工工法及综合管廊的技术特点分析,入廊管线、管廊断面布置、平纵布置、关键节点(盾构综合竖井)及管廊附属系统等方面,对盾构管廊设计要点进行了研究探讨,并结合广州市天河智慧城地下综合管廊工程,介绍了设计细节,可为后续盾构管廊设计和规范完善提供参考。
盾构法+综合管廊→设计方法全面解读_1
作者简介:仲崇军(1985-),男,江苏连云港人,工学硕士,北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院 高级工程师,主要从事市政给排水、综合管廊等设计研究工作。
近年来,管廊建设区域逐步由新城区拓展至老城区,受老城区现状道路交通量大、地下管线多等因素的限制,采用明挖施工建设综合管廊的难度极大,因此,非开挖施工工法的应用十分必要。目前,广州、沈阳、西安、成都、南昌等城市均有在老城区采用非开挖(盾构)施工综合管廊的报道。
 
在我国城镇化发展过程中,很多城市形成了以老城区为中心的多组团发展模式,受老城区阻隔和建设条件限制,存在各功能组团之间能源调配系统未拉通,供给保障能力与城市功能定位不匹配的矛盾。
 
借助盾构管廊技术打通新老城区能源输送主动脉,是解决这一矛盾的有效技术手段。如广州市结合地铁11号线同步采用盾构法建设综合管廊,该管廊贯穿广州市6个老城区中的5个区,连接中心城区各大自来水厂、变电站等,有效地提高了城市供水、供电等能源系统的安全运营水平、安全保障能力和综合防灾能力。

01
盾构管廊的技术特点及适应性

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地下推进,通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖,通过出土机械运出洞外,靠千斤顶在后部加压顶进,并拼装预制混凝土管片,形成隧道结构的一种机械化施工方法。一般由盾构工作井、吊出井、盾构掘进机、盾构管片等组成。
 
盾构工法的最大优点是在盾构支护下进行地下工程暗挖施工,不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响,能较经济合理地保证隧道安全施工,盾构法施工前进阻力不受隧道长度增加而增加,因此,一个盾构始发井可以一次性在地下盾构2~5km,甚至更长(具体需根据地质条件确定),因此,对道路交通和现状地下管线的影响很小。
 
然而应用到综合管廊建设中,亦有其不足之处:
(1)隧道埋深较深:盾构隧道覆土深度宜不小于6m且不小于盾构直径,而为控制地面沉降,隧道最小覆土一般控制在1.52.0D(盾构直径),以地铁中应用最成熟的6m直径盾构为例,盾构隧道最小埋深将达到1518m。因此,受盾构隧道最小覆土的限制,盾构管廊的管线分支接驳、吊装、人员逃生等不如明挖管廊便利。
(2)转弯曲线半径要求较高:盾构隧道的最小转弯半径主要与预制管片环宽、楔形量有关,而这两个值预制管片环宽、楔形量与整个工程线路的线形有关。如根据《地铁设计规范》(GB50157):正线平面曲线半径在通常情况下≥300m而≤3000m,竖曲线半径通常采用3000m和5000m两种。因此,受盾构工法最小转弯曲线半径限制,盾构管廊线路走向不如明挖管廊灵活。
(3)工程造价较高:以广州某盾构管廊为例,盾构直径6m常规埋深18米,盾构管廊土建每延米综合造价约8.3万元(其中盾构隧道延米造价约4.8万元,盾构综合竖井(兼管廊附属设施功能)为1800万/座),满足同等管线规模的明挖管廊每延米综合土建造价约6.3万元。可见,盾构管廊造价明显高于明挖管廊,且盾构竖井的数量对盾构造价影响较大。
 
因此,从节省工程投资和方便运营维护的角度,能采用明挖施工的应尽量采用明挖,盾构管廊适用于交通繁忙、地下管线密集、不具备明挖施工条件的现状道路,以及管廊下穿大江大河、高速公路、铁路等开挖施工需要付出巨大代价的情形。

02
盾构管廊设计要点

2.1 入廊管线

建设综合管廊的根本目的是更好地为入廊管线服务。通常地下市政管线可分为主干线和支线,主干线连通厂站,负责能源转输和连接支管线,分支数量较少;支管线连通用户,负责能源配给,分支数量较多,在用户接驳位置不明确时,一般间距100200m左右进行预留。
 
《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015)第3.01条:“给水、雨水、污水、再生水、天然气、热力、电力、通信等城市工程管线可纳入综合管廊”。规范并没有区分明挖管廊还是盾构管廊,然而考虑到盾构工法的施工特点,入廊管线应为分支接驳需求量小的主干管线。若将支管线纳入盾构管廊,为满足沿线用户接驳需求,需要增设大量的盾构竖井用于廊内管线进出,一方面大大增加工程造价,另一方面,盾构竖井需采用明开挖施工,过多过密的的盾构竖井,必然对道路交通和现状地下管线造成较大影响,也失去了采用盾构法施工的意义。
 
当然,对管廊下穿大江大河、高速公路、铁路等特殊节点采用盾构法施工时,因为不涉及管线分支接驳需求,入廊管线可为支线。
 

2.2 管廊标准断面

采用明挖法施工的综合管廊,其标准断面尺寸确定一般按满足入廊管线规模、管线安装检修空间及各管线之间兼容性等因素的最小尺寸确定,以降低工程造价。
 
盾构管廊断面除考虑上述因素外,还应特别关注当地市场上使用较多的盾构掘进机规格型号,如目前国内应用较多的盾构隧道外径尺寸有Ф4m、Ф6m、Ф9m等,盾构管廊断面尺寸除满足管线需求的最小尺寸外,还应与市场上主流盾构隧道尺寸匹配,尤其是在盾构管廊长度不是很长的情况下,可以有效降低工程造价和施工风险。

2.3 管廊平面位置

盾构管廊平面线型布置应考虑以下几个因素:

(1)盾构始发井、吊出井、中间盾构竖井的位置;

(2)盾构工法平曲线最小半径需求;

(3)其他地上、地下障碍物避让。


2.4 管廊竖向布置

盾构管廊竖向线型布置应考虑以下几个因素:

(1)盾构工法安全施工的最小覆土要求;

(2)盾构工法竖曲线最小半径需求;

(3)竖向最小纵坡应满足管廊排水坡度需求;

(4)竖向最大纵坡应满足盾构工法最大纵坡要求;

(5)竖向坡向应满足排水安全需求,详见2.5.5盾构管廊排水方案论述;

其他地上、地下障碍物避让。

2.5盾构管廊关键节点(盾构综合竖井)

根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015):“综合管廊的每个舱室应设置人员出入口、逃生口、吊装口、进风口、排风口、管线分支口等满足管廊必要性功能的口部设施,如电力舱逃生口间距不宜大于200m,管廊吊装口最大间距不宜大于400m等”。可见这些口部设施的规范间距并不一致(非强制性要求),然而对于采用盾构法施工的管廊,若仍按规范要求的间距设置口部设施,则盾构管廊需不大于200m设置一处盾构竖井,不仅没有起到降低施工影响的作用,也大大增加管廊的工程造价。
 
因此,盾构管廊应利用盾构竖井,将人员出入口、逃生口、吊装口、通风口、管线分支口、通风机房、管廊分控室、变配电房、排水泵坑等集成在一起,即满足管廊基本功能需求,又有效地减少了盾构竖井数量,进而降低管廊建设投资和施工影响。
 
以广州市天河智慧城地下综合管廊为例,该项目为广州申报2016年国家综合管廊试点项目之一,总长约19.4km,其中盾构管廊约8.6km,根据入廊管线种类及规模,管廊外径采用6m(内净尺寸为5.4m),分上下2舱,上舱室为高压电力舱,下舱室为供水通信舱,管廊断面如图1所示。

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1盾构管廊标准断面图(6m外径,上下分2舱)

盾构综合竖井分3层布置,负三层为管廊区(综合舱、电力舱)和排水泵坑,负二层管廊内管线出舱区、通风机房等,负一层为管廊变配电房、分控室、通风机房等,地面上为吊装口、人员出入口及通风口(见图2)。

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a. 顶层布置图

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b. 负一层布置

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c. 负二层布置

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d. 负三层布置

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e. 剖面1

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f. 剖面图 2
图2 盾构综合竖井示意 

盾构始发井现场施工照片见图3。盾构施工现场照片见图4。

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图3 盾构始发井现场施工照片

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图4 盾构施工现场

2.6盾构管廊附属系统
综合管廊附属系统一般包括消防、通风、供配电、监控与报警、排水、标识系统,与常规明挖管廊相比,盾构管廊附属系统的具体设计也有其特点。


2.6.1 供配电系统

综合管廊一般每隔11.5km需设置一处管廊专用变电所,用于给管廊内通风、消防、排水、监控与报警、照明等系统供电,基于对盾构工法及盾构综合竖井设置原则的认知,管廊变电所应纳入盾构综合竖井,与其他附属设施共建。
 

2.6.2 监控系统

综合管廊一般每隔2km设置一处分控室,同管廊供配电系统一样,管廊分控室也应纳入盾构综合竖井,与其他附属设施共建。
 

2.6.3 消防系统

(1)防火分隔:根据《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015):“天然气管道舱及容纳电力电缆的舱室应每隔200m采用耐火极限不低于3.0h的不燃性墙体进行防火分隔”。考虑到盾构管廊的通风口结合盾构综合竖井设置,间距远大于200m,因此盾构管廊防火门应采用常开式防火门,通风系统的通风区间跨越防火分隔,采用纵向通风方式。
 
(2)逃生设置:如上文所述,盾构管廊的逃生口结合盾构综合竖井设置,考虑到盾构管廊埋深较深,事故逃生、救援难度较明挖管廊大,因此,在条件允许时,应在盾构管廊各舱室之间设置逃生通道。
 

2.6.4 通风系统

与传统明挖管廊通常采用不跨防火分隔通风(见图5)不同,盾构管廊的通风口结合盾构综合竖井设置,管廊通风需跨越多个防火分隔采用纵向通风方式(见图6),通风间距除受限于盾构综合竖井距离外,还与防火隔墙处的跨防火门风速有关。此外,考虑到事故后机械排烟,防火隔墙上还应设置全自动防烟防火阀。

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图5 明挖管廊常规通风形式示意图(不跨防火分隔通风)

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图6 盾构管廊常规通风形式示意图(跨防火分隔通风)

2.6.5 排水系统

考虑到盾构管廊埋深较深、且通向地面的逃生口(结合盾构综合竖井设置)间距较大,对于纳入供水管、再生水、热力管等存在爆管风险的盾构管廊,应特别注重排水系统设计,包括隧道段排水方向、排水泵选型等。
 
在确定了盾构综合竖井数量和位置后,盾构管廊排水方向通常有以下3种形式:
(1)盾构管廊排水方案1(见图7):管廊埋深最小处(>1.5D)位于盾构综合竖井,管廊排水汇集在两盾构竖井之间的隧道段。该方案的优点是盾构竖井埋深最小,管廊造价最低。缺点是管廊排水需在隧道内敷设压力管至综合竖井处方能排出管廊,一方面增了加水泵扬程,另一方面,在爆管工况下,积水区位于隧道段,故无法通过事故应急排水泵从盾构综合竖井处排出管廊,管廊存在水淹风险。而此时若有人员位于爆管点与排水泵坑之间,则逃生难度极大。故从安全的角度,设计时应尽量规避该排水方案。

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图7 盾构管廊排水方案1——盾构竖井埋深最小

(2)盾构管廊排水方案2(见图8):为避免排水泵坑位于隧道段,管廊坡向可从一个盾构综合竖井坡向相邻的盾构综合竖井。该方案在最低处的盾构综合竖井内设置排水泵坑,排水泵出水管通过盾构综合竖井排出管廊,在爆管工况下,可通过事故应急排水泵从盾构综合竖井排出管廊积水,可有效避免爆管次生危害。在地势平坦的地区,低处的盾构综合竖井埋深较大,施工难度增大,工程造价较方案1高。该方案对有一定的地形坡向的地区较为适合。

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图8 盾构管廊排水方案2——盾构竖井埋深最大

(3)盾构管廊排水方案3(见图9):管廊埋深最小处(>1.5D)位于隧道段,隧道坡向两边的盾构综合竖井,排水泵坑设于盾构综合竖井内。该方案同样既规避了方案1排水泵坑位于隧道段的问题,又避免了方案2中某个盾构综合竖井埋深过深的问题,对地势平坦的地区较适宜采用该方案。

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图9 盾构管廊排水方案3——盾构竖井埋深居中


本文详细内容参见2019年1月《中国给水排水》第2期《盾构施工综合管廊设计要点探讨》,作者:仲崇军,李胜,张玉珠,戴超;单位:北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院

该文标准引用格式:
仲崇军,李胜,张玉珠,等. 盾构施工综合管廊设计要点探讨[J]. 中国给水排水,2019,35(2):67-71,78.
Zhong Chongjun, Li Sheng, Zhang Yuzhu,et al. Discussionon the design key points of shield utility tunner[J]. China Water & Wastewater,2019,35(2):67-71,78 (in Chinese).
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 发表于2019-02-25   |  只看该作者      

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