城市大型地下空間結(jié)構(gòu)頂進施工法

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摘要：本文提出了城市大型地下空間結(jié)構(gòu)施工的板、墻、柱頂進施工工法。同時指出該工法具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性和施工實用價值。井以地鐵五號線燈市口車站主體結(jié)構(gòu)施工為例，從施工方法、施工工序、以及工期和造價等方面介紹了板、墻、柱頂進施工工法的過程。

　　關(guān)鍵詞：頂進；箱涵；結(jié)構(gòu)地下空間；板、墻、柱工法

　　1、引言

　　隨著城市化進程急速加快，城市人口高度集中，交通量迅猛劇增，有限的城市空間“負載累累”，城市環(huán)境問題日益嚴重。開發(fā)地下資源，建設(shè)地下工程，向地下要空間，已成為解決城市用地嚴重不足的一個發(fā)展趨勢。一些專家曾預(yù)言，21世紀將是地下空間大發(fā)展的世紀。盡管人們已認識到超前規(guī)劃，合理開發(fā)地下空間資源非常重要，但受近期經(jīng)濟發(fā)展的制約，地下工程總是首先從城市繁華地區(qū)或地段開始建設(shè)。因而，開發(fā)城市地下工程暗作施工技術(shù)是加快地下工程建設(shè)的重要途徑之一，也是我們土木工程建設(shè)者的—個重要任務(wù)。目前暗作施工法一般有礦山法、頂管法、盾構(gòu)法等等，但按每個工程項目所在的地區(qū)與特點又派生出淺埋暗挖法、PBA法、鉆爆—頂管復(fù)合隧道施工法、蓋挖法等各具特色的施工方法。隨著城市地下空間的深度開發(fā)，為有效的利用地下空間資源，大深度、大斷面的地下工程不斷被設(shè)計人員所采用，并成為一種發(fā)展趨勢。對于大型地下空間的施工而言，采用上述單一工法，技術(shù)上或經(jīng)濟上總有一定局限性，應(yīng)研究在現(xiàn)有技術(shù)水平的基礎(chǔ)上，經(jīng)過技術(shù)擴展，可進行大型或超大型地下空間的施工方法。

　　日本是開發(fā)地下空間較超前的國家之一，在20世紀80年代末期，僅地下商業(yè)街的使用面積就已超過82萬平方米，地下工程施工技術(shù)相當發(fā)達。20世紀90年代，筆者在日就職期間參與過采用“管棚法”技術(shù)施工大斷面隧道的施工管理（該隧道開挖面積約90平方米，長度近100m）。此外，還跟隨原在日本國鐵研究所工作過的著名盾構(gòu)專家植野老先生（現(xiàn)已去世），共同研究過利用小型矩形盾構(gòu)施工大型地下空間的施工技術(shù)。此項技術(shù)現(xiàn)經(jīng)日本其他企業(yè)研究和開發(fā)，已應(yīng)用到實際工程中。如東京高速川崎縱橫線KJ125工區(qū)（B，C）通風(fēng)道即采用該工法（Multi-MicroShieldTunnel簡稱MMST工法）施工。其過程可簡述為采用縱橫各一臺小型矩型多刀盤盾構(gòu)機，先施工通風(fēng)道框架結(jié)構(gòu)，再挖棄通風(fēng)道框架結(jié)構(gòu)內(nèi)土體，最后完成通風(fēng)道施工。

　　采用“MMST工法”可施工超大型地下空間建筑，是大型地下工程暗作施工的—個好工法，特別是節(jié)點處理技術(shù)構(gòu)思極為巧妙。但是該工法設(shè)備投入過多，施工占地面積大，而且地下空間結(jié)構(gòu)斷面不足夠大時，經(jīng)濟性不理想，因而目前在我國較難推廣。

　　筆者由日本回國后，一直沒有放棄對城市地鐵車站、地下存車場、地下商場以及地下影劇院等大型地下空間暗作施工工法的研究。一個具有生命力的地下空間結(jié)構(gòu)暗作施工工法，必須是技術(shù)超前可行，施工安全可靠，經(jīng)濟符合國情。針對北京地鐵五號線和四號線均位于城市繁華地區(qū)，掘胭難，地面交通和商業(yè)活動干擾嚴重，而車站（隧道也如此）埋深不大，地下水位較低等特點，筆者提出車站暗作施工的板、墻、柱頂進施工工法的設(shè)想。認為采用此工法施工地鐵車站有較好的技術(shù)經(jīng)濟性，符合我國國情。

　　2、板、墻、柱頂進施工工法概要

　　2.1 板、墻、柱頂進施工工法概述及工法特點板、墻、柱頂進工法吸收了“管棚法”和日本“MMST工法”的原理及節(jié)點處理技術(shù)，利用“頂管技術(shù)”施工設(shè)備小巧靈活，操作簡便的特點，同時引入地面建筑物結(jié)構(gòu)受力體系的一些概念與技術(shù)，拓寬了暗作法施工地下空間結(jié)構(gòu)的范圍。此外，采用鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件作為圍護結(jié)構(gòu)，大大提高了地下工程的施工質(zhì)量。本工法的基本原理和做法是：采用頂進施工技術(shù)水平頂進頂板箱涵，構(gòu)成頂板初期結(jié)構(gòu)，進而在水平箱涵內(nèi)垂直向下頂進箱涵（即邊墻和中柱），然后按梁板（井字梁）結(jié)構(gòu)體系完成鋼筋混凝土頂板結(jié)構(gòu)施工。頂板和邊墻、中柱均為剛結(jié)，共同組成空間結(jié)構(gòu)受力體系。在此結(jié)構(gòu)體系的支護下，挖棄結(jié)構(gòu)內(nèi)部土休和按內(nèi)部分隔空間要求進行混凝土結(jié)構(gòu)施工。頂進的箱涵采用節(jié)點處理技術(shù)施工（包括頂板與邊墻結(jié)構(gòu)）后形成的空間結(jié)構(gòu)體系，在設(shè)計上考慮其能夠承受初期和永久荷載，因此不需要在開挖土體之后再在邊墻內(nèi)側(cè)及頂板底部施做內(nèi)襯。

　　奉工法具有以下特點：

　?。?）結(jié)構(gòu)體系受力明確，體系轉(zhuǎn)換簡單；

　?。?）所有的頂進施工和開挖土體均在完整結(jié)構(gòu)的保護下進行，故施工安全可靠；

　?。?）工程質(zhì)量易于控制，結(jié)構(gòu)可靠性大大提高；

　　（4）可避免對地面交通的干擾和減少對周邊環(huán)境的影響；

　?。?）雖然最終完成地下空間結(jié)構(gòu)斷面較大，但由于采用小斷面頂進施工，地面沉降值較??；

　?。?）施工設(shè)備投入較少，同時幾乎沒有廢棄物，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟性；

　?。?）適合結(jié)構(gòu)長度不大于300m、結(jié)構(gòu)埋深不超過30m的多層多跨地下工程施工。

　　2.2 本工法所適用的結(jié)構(gòu)體系如前所述，奉工法適用于多層多跨框架結(jié)構(gòu)體系的施工。

　　2.3 本工法應(yīng)用于實際工程的基本條件本工法是在下列幾個基本問題均得到較好解決的基礎(chǔ)之上提出的，可在實際工程中應(yīng)用，并在實際施工中不斷完善和提高。

　　（1）整個空間框架結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)可靠性（含頂皈結(jié)構(gòu)、墻體結(jié)構(gòu)以及中柱結(jié)構(gòu)）得到確認；

　?。?）工程結(jié)構(gòu)的防水陛能滿足設(shè)計要求；

　?。?）施工操作可行，即便于施工，施工效率高；

　?。?）有較好的經(jīng)濟效益；

　?。?）施工工期合理。

　　3、工程舉例為說明本工法的技術(shù)特點，現(xiàn)以北京市地鐵五號線燈市口站車站主體結(jié)構(gòu)施工為例，將本工法應(yīng)用地鐵暗挖車站的施工過程介紹于后。

　　3.1 工程基本參數(shù)設(shè)定燈市口站位于北京市東四南大街中部，是北京有名的商業(yè)繁華地區(qū)之一。車站原設(shè)計為明挖法施工，后因商業(yè)、交通以及拆遷等原因，改為暗挖法施工。根據(jù)地鐵五號線可行性研究報告，車站的基本參數(shù)設(shè)定如下：車站為島式雙層雙跨框架結(jié)構(gòu)，長180m，寬20m，建筑面積為7200平方米。共設(shè)有4個出人口，2個通風(fēng)道。

　　3.2 車站主體結(jié)構(gòu)施工順序及施工網(wǎng)絡(luò)圖

　　車站主體結(jié)構(gòu)施工平面圖利用4個出人口作為工作豎井，先施工頂進水平導(dǎo)洞，利用導(dǎo)洞水平雙向頂進頂板箱涵，然后在箱涵內(nèi)垂直頂進邊墻和中柱，同時在頂板箱涵內(nèi)施工鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)（井字粱），最后逆作首層樓板和底板混凝土結(jié)構(gòu)。

　　3.3 主要工序施工方法及簡要說明

　　3.3.1工作豎井施工選擇車站出入口作為工作豎井，可最大限度減少地面拆遷和對路面交通、商業(yè)的干擾。同時豎井作為頂進頂板箱涵水平導(dǎo)洞施工和出土之用，豎井深度不超過6.0m即可滿足要求。豎井的施工方法為目前北京常用的鋼格柵噴射混凝土逆作法。

　　3.3.2水平導(dǎo)洞施工水平導(dǎo)洞作為水平頂進頂板箱涵之用，必須滿足頂進箱涵的需要（包括空間尺寸、結(jié)構(gòu)受力等）。因此在考慮采用鋼架噴射混凝土支護結(jié)構(gòu)的同時，輔以“管棚法”增強結(jié)構(gòu)承溯自力。水平鋼管棚施工采用水平定向鉆技術(shù)，管徑為φ159。

　　3.3.3頂板箱涵水平頂進頂板箱涵作為車站主體頂扳結(jié)構(gòu)，要求滿足以下4個條件：

　　（1）頂板最終結(jié)構(gòu)既能承擔施工荷載，又能承擔永久荷載；

　?。?）便于頂板鋼筋混凝土井字梁的施工；

　?。?）箱涵涵體之間經(jīng)過節(jié)點處理之后，可確保頂扳不滲不漏，滿足防水要求；