管廊节段长线法匹配预制与拼装关键技术研究及应用

蔡清程

(中交三航(厦门)工程有限公司，福建 厦门 361006)

0 引言

城市综合管廊建设是国家"十三五"规划中的重点基础设施投资建设项目，也是我国新型城镇化建设的一项重要内容，是近年来基础设施投资的重点和热点。厦门是较早进行地下综合管廊建设的城市之一，也是国家"十三五"规划第1批管廊建设试点城市。截至2019年，厦门管廊建设里程约147 km，其中约40%的管廊采用了节段预制拼装工艺，管廊节段拼缝接口结构形式以预应力胶拼连接居多，少部分管廊项目采用柔性承插连接或叠合式连接。例如：集美新城核心区、环东海域东部新城、翔安南部新城以及翔安新机场片区综合管廊工程等预制拼装结构都采用了长线法匹配预制和预应力胶拼连接工艺。其中，集美新城核心区综合管廊工程是厦门首个采用该技术工艺的项目，至今已投入运营近10年，管廊预制拼装结构整体质量良好，接缝防水抗渗能力达到预期目标，未出现渗漏点，管廊总体运营情况良好[1]。

黄翀[1]总结了厦门市管廊预制拼装建设的经验，主要从施工质量、成本、工期及后期运营情况等方面进行了阐述。王会丽等[2]以上海临港地区城市综合管廊工程为例，详细介绍了采用履带式起重机进行城市综合管廊预制节段拼装的施工工艺。陈鼐基等[3]以上海某工程为例，提出了软土地区全装配式预制拼装技术，该项目为双舱矩形预制管节，采用短线匹配法生产、顶推法安装管节的工艺。文献[2-4]主要论述了双舱管廊节段的短线法预制，拼装时将管廊节段直接搁置在基础垫层上，通过纵向锁紧或千斤顶横向顶推调整控制管廊节段的线形。这种拼装工艺对基础垫层的平整度要求非常高，将直接影响到管廊节段的总体线形。揭海荣[5]以厦门集美新城核心区综合管廊工程为例，介绍了单舱和双舱管廊节段胶拼连接及防水施工工艺。胡杰等[6]以厦门同新路地下综合管廊工程为例，论述了双舱管廊节段采用长线匹配法预制的施工工艺。黄国苏[7]从设计要点、连接工艺特点、适用情况等方面详细解析了国家建筑标准设计图集18GL204《预制混凝土综合管廊》录入的几种预制管廊接头形式，并对比分析了柔性承插式接头、纵向锁紧承插式接头、胶拼预应力接头在预制、拼装、总体质量、耐久性能以及工程造价等方面的优劣性。文献[5-7] 阐述了长线法匹配预制和预应力胶拼连接工艺在单舱或双舱地下综合管廊中的应用，但并没有针对该工艺中亟需解决的关键技术难题(端部节段的外露筋和止水钢板的安装及定位、管廊节段分离、管廊内模系统的优化设计、预留孔及预埋件的定位精度控制以及节段拼装时的线形控制及纠偏措施等)展开论述，特别是近几年地下综合管廊逐步朝大断面、多舱室方向发展，原有预制工艺已显现出较大的局限性。本文以厦门环东海域美山路地下综合管廊工程(三舱管廊)为例，对大断面、多舱室管廊节段的长线匹配预制与拼装工艺进行优化和创新，使管廊节段的预制质量和拼装工效得到显著提升，缩短了管廊节段的预制周期，并取得了较好的经济效益，以期研究结果为类似预制拼装结构提供借鉴。

1 工程概况

环东海域美山路位于厦门环东海域西海岸，同安现代服务业基地美峰片区和集美北部生活片区内，美山路与同集路和滨海西大道走向大致平行，总体走向由南向北，是环东海域西海岸一条纵贯南北的重要市政管线走廊和交通干道。主线管廊设计里程为8.126 km，其中，缆线管廊里程为0.870 km，双舱综合管廊里程为1.685 km，三舱综合管廊及雨污水入廊里程为5.562 km。约3.4 km双舱及三舱管廊采用装配式预制拼装工艺。本文以三舱管廊为例，对管廊节段的预制拼装工艺进行分析。综合管廊结构预制节段断面及预制节段分段分别见图1和图2。

(a) 端部节段

图2 综合管廊结构预制节段分段示意图Fig.2 Schematic diagram of segment of utility tunnel structure

2 工艺特点及施工难点

2.1 工艺特点

管廊节段胶拼预应力接头相邻两节段端面设置剪力键与剪力槽，拼装时节段端面涂刷环氧结构胶，并施加临时纵向预应力使接头密封，整跨完成后再施加体内纵向永久预应力形成刚性整体结构。为确保节段端面的剪力键与剪力槽相互匹配，通常节段预制可采用短线匹配法或长线匹配法。由于目前管廊预制段的平纵线形都设计为直线段，因此采用长线匹配法更加适合，施工过程线形控制简单。而短线法更适合节段平纵曲线有变化的线形结构，施工过程线形控制复杂，每节段都需要调整控制匹配块的位置，甚至需要专业的测量软件进行辅助施工。

1)根据每跨综合管廊的线形(长度)设置节段预制的长线台座，从长线台座的一端向另外一端预制综合管廊节段，已浇节段的后端面作为待浇节段的前端模，形成匹配接缝来确保相邻节段块体的拼接精度，如此依次逐节段循环进行，直至完成整跨综合管廊节段的预制。

2)用特制低板运输车辆将管廊节段运输至拼装现场，采用具有三向微调功能的起重门机进行现场拼装，在已施工完成的管廊的基础上按次序逐块组拼。整跨胶拼完成后，张拉钢绞线施加体内预应力并灌浆封锚，使之成为整体结构。该结构胶接预应力接头为刚性接头，具有较高的抗剪承载能力和较好的防水效果。

2.2 施工难点

该项目采用长线法匹配预制管廊节段，管廊数量多，工期紧，且管廊结构断面尺寸大(目前在宽度及高度方向上为厦门地区最大)，舱数多;其次，综合管廊纵向安装坡度较高，达到4.25%,节段拼装难度大。主要施工难点及关键点如下。

1)从图1可知，端部节段与中间标准节段有较大的不同。端部节段与后浇段相连，其全断面预留了外伸纵向钢筋，并沿管廊四周墙体预埋300 mm×3 mm的封闭式镀锌止水钢板。因此，端部节段的预制周期和难度都大于中间标准节段，往往耗费了较多的时间和人工，也达不到良好的预制效果。如何提高端部节段的预制工效、加快管廊预制进度，并显著提升端部节段的预制质量是本项目成功实施的关键。

2)主线管廊竖曲线和平曲线线形均为直线，因此管廊节段预制采用了长线法。相较于短线法，管廊节段块体分离是一大难题。因为短线法可通过钢台座胎膜的液压系统实现节段的自动分离，而长线法台座则采用了混凝土胎膜，需另行研究节段的分离工艺。

3)管廊模板工艺是节段预制的关键点。该项目管廊舱数多，断面尺寸大，管廊节段内模是影响管廊预制进度的关键因素。设计合理且自动化程度高的模板可以取得事半功倍的效果，因此对管廊节段的内模系统应当进行重点研究。

4)管廊节段设有较多的预留孔和预埋件，如临时张拉预留孔、吊装孔和槽道预埋件。这些预留孔和预埋件需精确定位，以满足后期管廊节段拼装和舱内管线支架安装的要求。研究精细化施工措施，确保预埋的定位精度，同时要防止预埋产生的质量缺陷如漏浆等。

5)管廊节段在拼装时，应重点对管廊的线形走向进行监控，并研究管廊节段的纠偏措施；其次，管廊纵向安装坡度较陡，达到4.25%，管廊节段前后端面高差达85 mm。因此，在拼装时能否灵活调整管廊节段的空中姿态，是管廊节段能否拼装成功的关键。

3 预制拼装关键技术

3.1 端部节段固定端模设计

端部节段既有外伸钢筋，又有预埋钢板，因此固定端模的设计较为复杂。首先，要确保外伸钢筋和预埋钢板位置准确；其次，要能实现快速、简便的装拆模作业，缩短工序作业时间；最后，要防止外伸钢筋及预埋钢板漏浆。

3.1.1 固定端模结构

端模结构采用Q235、厚度12 mm及6 mm的钢板组成的格构式箱型结构，并根据设计图纸，在板面上精确定位出外伸钢筋孔位和预埋钢板安装的槽口位置。固定端模局部结构示意如图3所示。其中，孔直径为30 mm，槽口宽35 mm，深180 mm。

(a) 正面图 (b) 侧面图图3 固定端模局部结构示意图(单位：mm)Fig.3 Schematic diagram of local structure diagram of end mould structure (unit:mm)

3.1.2 外伸钢筋定位及止浆

管廊外伸钢筋直径为12 mm，长度达75 cm。采用内径12 mm、外径30.5 mm的中空橡胶塞套入外伸钢筋并塞入板面预留孔内，实现对钢筋位置的准确控制。弹性橡胶塞可起到很好的止浆效果。橡胶塞与钢筋定位示意见图4。

(a) 橡胶塞剖面图 (b) 橡胶塞与钢筋位置图4 橡胶塞与钢筋定位示意图(单位：mm)Fig.4 Schematic diagram of rubber plug and steel bar positioning (unit:mm)

3.1.3 预埋钢板定位及止浆

镀锌止水钢板厚度为3 mm，在管廊节段中的预埋钢板截面如图5(a)所示。采用厚度为32.5 mm、长度与镀锌止水钢板等长的中空橡胶条固定止水钢板，同时也可起到很好的止浆效果，橡胶条与钢板定位见图5(b)。

(a) 预埋钢板截面

3.2 端部节段钢筋绑扎

管廊端部节段钢筋绑扎采用带模绑扎工艺，将固定端模吊进钢筋绑扎胎膜架，使固定端模与绑扎胎膜架形成一体并固定好。绑扎架与端模如图6所示。

(a) 正面图

1)固定端模进绑扎胎膜架前，应先将镀锌止水钢板安装好，并用中空橡胶条嵌入固定，如图7所示。

(a)

2)横向主筋在绑扎胎膜上就位后，将橡胶塞套入纵向钢筋；按端模上的孔位依次将纵向钢筋穿孔绑扎，并将橡胶塞塞紧进端模板面内。钢筋绑扎如图8所示。

(a) (b)图8 钢筋绑扎Fig.8 Steel bar binding

3.3 钢筋骨架吊装

端部节段钢筋骨架采用带模绑扎工艺，相应地要解决钢筋骨架与端模的整体吊装问题。采用钢吊具，设计3排吊点，其中1排起吊端模，另外2排起吊骨架。每排共设置4个吊点，均位于管廊墙体位置，每排采用1根通长的钢丝绳连接吊点。钢筋吊具见图9。

(a) 正面图

钢吊具与门机主钩连接采用4点吊。起吊时，主钩应当位于钢筋骨架与端模的整体重心位置。经计算可知，起吊重心的偏移值在横向朝大舱方向偏移41 mm，在纵向距钢筋骨架中心朝端模方向偏移462 mm。

3.4 节段分离工艺

长线法匹配预制节段块体分离的传统工艺是采用吊具对节段偏心单头起吊，节段在自身重力的作用下自动分离，并落在底模上。这种工艺往往造成节段下部棱角挤压破坏，剪力键破损严重，且分离时间较长，需要更换2次吊具才能进行起吊出模。通过研究节段分离的新工艺，最终确定采用液压顶推系统使节段正向分离，可快速完成管廊节段的顶推分离。

1)为减少节段底部与混凝土胎膜间的摩阻力，吊装钢筋骨架前，在底胎膜上铺设一层厚0.3 mm的马粪纸进行隔离。

2)在管廊节段的左右两舱，利用底板预埋的临时张拉采用的高强螺栓锁紧钢锚块，采用2个50 t千斤顶同步顶推2个相邻节段，当节段分开10 mm左右时，即完成管廊节段的顶推分离。

3.5 管廊内模的研究设计

管廊内模是整个模板系统中除固定端模外另一个重要的部分，占整个模板装拆工作量的80%，是影响管廊预制进度的关键因素。将管廊内模设计成自平衡式的台车结构，并运用液压系统实现内模板面的自动开合和整体结构的自动行走，使管廊内模具有较高的作业效率。内模由行走支架、板面、调节杆支撑体系以及液压传动系统组成[14]。

3.5.1 行走支架

行走支架采用H300型钢、C200及C100槽钢等组合形成T型结构 ，可使内模板面伸入舱内完成板面的装拆作业。支架横梁采用双拼10#槽组合形成桁架结构，满足横梁大跨度的受力要求。行走支架两侧支腿设置4个φ145 mm×70 mm的轴承式轨道轮。轨道采用6.3#槽钢，在槽钢内焊接纵向肋板，并填充C20混凝土。行走支架示意图如图10所示。

图10 行走支架示意图Fig.10 Schematic diagram of walking bracket

3.5.2 板面结构

每个舱的内模板面分为5片，片与片之间均采用转动铰支座相连。通过铰支座，侧板及下倒角板可以随中板联动，当中板顶升到位时，侧板也跟着顶升到位；此时只需将侧板撑开，随着侧板绕铰支座旋转而贴紧端模侧壁即可。另外，内模的两侧板与中板的拼缝由通常的斜面倒"八"构造优化为垂直面结构。板面拼缝优化示意图见图11。

(a) 倒"八"拼缝(优化前)

3.5.3 液压传动系统

采用液压传动系统分别控制内舱模板面的开启和闭合以及内模整体的移动。液压油泵布置在内模行走支架的横梁上，并沿支架布设金属液压管线。3个舱的板面开合及内模整体的行走均单独作业，因此液压系统使用时间节点不同，可共用1台液压油泵。

内舱模板面的开启和闭合采用6个液压千斤顶，每2个为1组控制1片侧板，两侧下角板由1组千斤顶控制。内模整体的行走采用2根液压千斤顶，分别设置在两侧支腿轨道轮的中部，通过轨道两侧的限位棒顶推整个内模的移动。液压传动系统如图12所示。

(a) 板面开启

3.6 预埋件安装工艺

管廊节段预埋件主要有临时张拉预留孔、槽道预埋件和管廊吊装孔。通过研究预埋件安装工艺，运用精细化施工措施，有效控制管廊节段预埋件的安装精度，并防止预埋件安装位置处出现漏浆、错台等现象。

1)管廊节段的侧墙及中墙部位分别设置了4个临时张拉锚固点，每个锚固点预留6个φ50 mm的孔。根据临时张拉锚固点的位置，在管廊内外模处开孔放样。另外，专门定制φ51 mm的硅胶棒，硅胶棒的中心处预埋HRB400φ12 mm钢筋，起到支撑的作用。当内外模板安装完成后，将硅胶棒插入孔中即可；在次日模板拆除前，拔出硅胶棒。该预埋工艺简单易行，预埋精度高，孔口成型规则、美观。预留孔成型见图13。

(a) 硅胶棒安装图(单位：mm)

2)管廊节段内舱每个墙体均埋设了用于安装缆线支架的槽道预埋件。槽道的安装采取在内模板面上设置直径50 mm、间距500 mm定位孔的方式，并根据定位孔的间距制作工装；将槽道与工装对齐，在工装的定位孔处，用T型螺栓锁上定位垫片，再将槽道挂在钢筋骨架的相应位置，并贴紧骨架；在内模板面贴紧端模时，从内模定位孔处将槽道上的T型螺栓拉至定位孔，使定位垫片与定位孔重合，并锁上特制环形螺帽。另外，在内模板面上放样出槽道的宽度，并粘贴3 mm厚的橡胶条作为止浆层。该措施使混凝土与槽道的接触表面规则整齐，且不漏浆。槽道安装如图14所示。

(a) 板面定位孔

3)针对管廊吊装孔设计，在顶板处预埋6根φ50 mm无缝钢管作为管廊起吊的吊装孔。无缝钢管的预埋采用带内螺母的橡胶基座，在内模装好后，将基座锁在内模板面上(预先开孔定位)；将钢管插入基座 ，钢管内壁与基座紧密接触，既不会漏浆，也固定了钢管下部。钢管顶部采用短钢筋与周围骨架焊接固定，并在钢管上口用橡胶塞封口。吊装孔预埋如图15所示。

(a) 钢管安装示意图(单位：mm)

3.7 管廊节段拼装工艺

管廊节段采用悬拼法。首节段精确定位后，采用螺旋千斤顶支撑并固定，节段底部距离垫层1～2 cm；后续节段利用门机起吊与前一节段匹配拼装、涂胶，并逐段施加临时预应力，同样采用螺旋千斤顶支撑，直至整跨管廊节段拼装完成；对整跨管廊施加永久预应力，灌浆、封锚，并对管廊节段底部注浆，在浆料强度满足要求后，拆除螺旋千斤顶和临时预应力。

3.7.1 管廊首节段定位和固定

首节段的精确定位和固定是全跨管廊拼装的关键，应确保首节段的位置准确且在后续拼装过程中首节管廊不发生位移。

首先，根据桩号采用全站仪确定整跨管廊中轴线的起点和终点坐标，并在施工现场做点标记。在首节段安装时，重点控制管廊节段的中轴线与整跨管廊安装的中轴线重合，完成管廊节段的平面定位。其次，通过测量管廊节段前后端面的高差，完成管廊节段竖向的定位。

首节段定位完成后，在管廊拼装反方向位置预先安放1节管廊作为首节管廊拼装定位的依托，并将首节管廊与预先安放的管廊用槽钢交叉连接固定。首节段固定示意如图16所示。

图16 首节段固定示意图Fig.16 Schematic diagram of first segment fixing

3.7.2 拼装线形控制及调整

由于每跨管廊的平竖曲线均为直线，故在现场的测量监控中采用经纬仪控制管廊节段的中轴线和水平线。这2条线在管廊预制时就采用仪器在管廊节段接缝位置处放样做出标记。测量监控如图17所示。

图17 测量监控Fig.17 Measurement monitoring

中轴线用于控制节段平面线形，通过经纬仪测量使节段的末端点位于整跨管廊安装的中轴线之上，如图18(a)所示。水平线用于控制管廊节段的竖向线形，通过节段前后端面的高程控制，使节段满足安装坡度的要求，如图18(b)所示。其中，Δh=85 mm。

(a) 平面线形

当安装误差超限，连续累积至同一个方向时，采用环氧树脂垫片对节段线形进行调整，以平面调整(如图19所示)为例，垫片的厚度按式(1)和式(2)进行计算。

图19 线形调整Fig.19 Alignment adjustment

由于环氧树脂垫片厚度D非常小，故

D/B=T/L。

(1)

D=B×(T/L)。

(2)

式(1)-(2)中：T为轴线偏离值；B为管廊截面宽度；L为管廊节段长度。

对采用垫片调整后的拼缝，环氧树脂胶的涂抹应比垫片高出1.0～1.5 mm，使节段在临时预应力张拉后环氧结构胶能够充满并挤出拼缝。

3.7.3 管廊拼装姿态调整

管廊节段质量达58 t，较为笨重，在拼装过程中很容易造成磕碰，导致棱角破损。特别是本项目管廊安装的纵向坡度达4.25%，节段前后端面高差需调节至85 mm。为此采用具有三向微调的变频式门机。

1)该门机的大车行走、天车行走及钩头起升均采用变频装置，使管廊节段在拼装时能慢速精准地对接；

2)门机的天车不仅可在横向变频驱动，而且在纵向上采用液压系统，可使管廊节段在拼装时缓慢靠近匹配块，液压调整范围在20 cm以内；

3)门机配置1架拥有70 t主钩和4个16 t电动葫芦的天车。管廊节段由主钩起吊，位于管廊前后端侧的电动葫芦负责调整节段前后端面的高差。管廊节段拼装示意见图20。

图20 管廊节段拼装示意图Fig.20 Assembly diagram of tunnel segment

4 结论与建议

1)所研发的端部节段带模绑扎及整体吊装工艺有别于传统工艺，其非常适合运用于具有外露钢筋及类似嵌入止水带的装配式预制构件。①工艺设计使用的中空橡胶塞及橡胶条软硬适中，其硬度值应控制为35～40°；②橡胶塞的内径应比外露筋直径小0.5 mm,外径应比端模上的孔径大0.5 mm；③橡胶条的高度应比端模槽口的高度(扣除止水钢板厚度)高出0.5 mm；④固定端模与钢筋骨架整体起吊前，应通过计算确定整体起吊的重心位置，这是整体平稳起吊的关键。

2)该工程中大断面多舱管廊节段液压顶推分离工艺的顶推力值达264.6 kN。应注意使锚垫板与管廊节段底板预埋的高强螺栓锁紧，使每根螺栓达到50 kN的预紧力，转矩扳手转矩值达80 N·m；其次，马粪纸可以有效地将管廊节段底板与混凝土胎膜隔离，降低管廊节段的摩阻力。当没有马粪纸材料时，可以使用厚1～2 mm的纤维板进行隔离。

3)自动化控制是模板发展的一种趋势，可高效地完成模板作业。运用液压系统对管廊内模的整体行走、每个舱上下侧板的开合进行自动控制，其中，单根液压杆件的推力控制为29.4 kN；若增加1组3根液压杆件对顶板进行竖向顶升控制，则管廊内模的自动控制将更加完善。

4)所研发的预留孔及预埋件定位的方法能满足管廊节段拼装和舱内支架安装的精度控制要求，且达到较高的外观质量控制水平。

5)由于每跨管廊的平竖曲线均为直线，通过监测管廊节段预先标记的中轴线和水平线能满足管廊节段拼装线形的控制，而无需在管廊节段预制台座上建立平面坐标系进行测量记录；线形监控过程中根据具体情况采用环氧树脂垫片单边支垫的方式进行线形调整；运用特制的具有三向微调功能的门机进行节段拼装，可灵活地调整管廊节段的空中姿态，实现快速拼装。

6)建议进一步对涂刷在管廊节段匹配面上的隔离剂进行研究。现有隔离剂主要为双飞粉，节段分离后，需要对节段匹配面进行打磨，工作量大，且对环境产生较大的粉尘及噪音污染。应进一步研究替代双飞粉的隔离剂材料，使其既可以起到分离作用，又无需对匹配面进行大规模清理，且不影响匹配面拼装时环氧结构胶的黏结性。