城市大型地下空間結(jié)構(gòu)頂進(jìn)施工法
【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(jìn)施工工法。同時(shí)指出該工法具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和施工實(shí)用價(jià)值。井以地鐵五號(hào)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(jià)等方面介紹了板、墻、柱頂進(jìn)施工工法的過程。
【關(guān)鍵詞】頂進(jìn) 箱涵 結(jié)構(gòu)地下空間 板、墻、柱工法
1 引 言
隨著城市化進(jìn)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(fù)載累累”，城市環(huán)境問題日益嚴(yán)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(yán)重不足的一個(gè)發(fā)展趨勢。一些專家曾預(yù)言，21世紀(jì)將是地下空間大發(fā)展的世紀(jì)。盡管人們已認(rèn)識(shí)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(jì)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(gè)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(gè)工程項(xiàng)目所在的地區(qū)與特點(diǎn)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(jì)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(jì)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(kuò)展，可進(jìn)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(jì)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(dāng)發(fā)達(dá)。20世紀(jì)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(xiàng)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(shí)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(tái)小型矩型多刀盤盾構(gòu)機(jī)，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。小型矩型多刀盤盾構(gòu)機(jī)刀盤外形和“MMST工法”施工順序示意圖如下。
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(gè)好工法，特別是節(jié)點(diǎn)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(shí)，經(jīng)濟(jì)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(gè)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(jì)符合國情。針對北京地鐵五號(hào)線和四號(hào)線均位于城市繁華地區(qū)，掘胭難，地面交通和商業(yè)活動(dòng)干擾嚴(yán)重，而車站(隧道也如此)埋深不大，地下水位較低等特點(diǎn)，筆者提出車站暗作施工的板、墻、柱頂進(jìn)施工工法的設(shè)想。認(rèn)為采用此工法施工地鐵車站有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，符合我國國情。
2 板、墻、柱頂進(jìn)施工工法概要
2．1 板、墻、柱頂進(jìn)施工工法概述及工法特點(diǎn)
板、墻、柱頂進(jìn)工法吸收了“管棚法”和日本“MMST工法”的原理及節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，同時(shí)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(hù)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(jìn)施工技術(shù)水平頂進(jìn)頂板箱涵，構(gòu)成頂板初期結(jié)構(gòu)，進(jìn)而在水平箱涵內(nèi)垂直向下頂進(jìn)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(hù)下，挖棄結(jié)構(gòu)內(nèi)部土休和按內(nèi)部分隔空間要求進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工。頂進(jìn)的箱涵采用節(jié)點(diǎn)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(jì)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(diǎn)：
(1)結(jié)構(gòu)體系受力明確，體系轉(zhuǎn)換簡單；
(2)所有的頂進(jìn)施工和開挖土體均在完整結(jié)構(gòu)的保護(hù)下進(jìn)行，故施工安全可靠；
(3)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；
(5)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(jìn)施工，地面沉降值較小；
(6)施工設(shè)備投入較少，同時(shí)幾乎沒有廢棄物，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；
(7)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，其一般結(jié)構(gòu)體系見圖7、圖8。
2．3 本工法應(yīng)用于實(shí)際工程的基本條件
本工法是在下列幾個(gè)基本問題均得到較好解決的基礎(chǔ)之上提出的，可在實(shí)際工程中應(yīng)用，并在實(shí)際施工中不斷完善和提高。
(1)整個(gè)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(rèn)；
(2)工程結(jié)構(gòu)的防水陛能滿足設(shè)計(jì)要求；
(3)施工操作可行，即便于施工，施工效率高；
(4)有較好的經(jīng)濟(jì)效益；
(5)施工工期合理。
3 工程舉例
為說明本工法的技術(shù)特點(diǎn)，現(xiàn)以北京市地鐵五號(hào)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(jì)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(hào)線可行性研究報(bào)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7 200平方米。共設(shè)有4個(gè)出人口，2個(gè)通風(fēng)道。平面布置與結(jié)構(gòu)形式見圖9、圖10。
如車站結(jié)構(gòu)示意圖所示，地層分布由地面向下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、中細(xì)砂、砂卵石。進(jìn)—步查資料可知地下水位大致位于軌頂以上1～2m，無承壓水。
3．2，車站主體結(jié)構(gòu)施工順序及施工網(wǎng)絡(luò)圖
3．2．1 車站主體結(jié)構(gòu)施工平面圖
利用4個(gè)出人口作為工作豎井，先施工頂進(jìn)水平導(dǎo)洞，利用導(dǎo)洞水平雙向頂進(jìn)頂板箱涵，然后在箱涵內(nèi)垂直頂進(jìn)邊墻和中柱，同時(shí)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)。車站主體結(jié)構(gòu)施工平面布置見圖11。
3．2．3 板、墻、柱頂進(jìn)施工工序示意圖
燈市口車站主體結(jié)構(gòu)板、墻、柱頂進(jìn)施工工序示意圖見圖13。
3．2．4 施工網(wǎng)絡(luò)圖
燈市口車站主體結(jié)構(gòu)施工工期為18個(gè)月，詳見地鐵五號(hào)線燈市口車站主體結(jié)構(gòu)施工網(wǎng)絡(luò)圖，見圖14。
3．2．5施工工力計(jì)劃
施工總工力為33650工，詳見工力需求計(jì)劃圖，見圖15。
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(shí)豎井作為頂進(jìn)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(jìn)頂板箱涵之用，必須滿足頂進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，輔以“管棚法”增強(qiáng)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(jìn)
頂板箱涵作為車站主體頂扳結(jié)構(gòu)，要求滿足以下4個(gè)條件：
(1)頂板最終結(jié)構(gòu)既能承擔(dān)施工荷載，又能承擔(dān)永久荷載；
(2)便于頂板鋼筋混凝土井字梁的施工；
(3)箱涵涵體之間經(jīng)過節(jié)點(diǎn)處理之后，可確保頂扳不滲不漏，滿足防水要求；
(4)鋼箱涵內(nèi)空間足夠垂直頂進(jìn)邊墻和中柱之用。
本工法采用特為地下空間結(jié)構(gòu)體頂進(jìn)使用的專用頂進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)。該系統(tǒng)除設(shè)備緊湊，占用空間小之外，對涵體的制導(dǎo)及頂進(jìn)涵體空間相互連接均有特殊的考慮和設(shè)計(jì)。頂板箱涵除邊箱涵與中箱涵為鋼結(jié)構(gòu)外，其余箱涵均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。箱涵縱向接口采用鋼承口(即F型)接口形式。
3．3．4 垂直頂進(jìn)邊墻箱涵和中柱
邊墻箱涵與中柱均在水平鋼箱涵內(nèi)部垂直向下頂進(jìn)。由于地下水位較低，車站結(jié)構(gòu)僅有不到3m的深度位于地下水位之下，故采用涵體內(nèi)部降水的方法，隨出土隨降水。邊墻結(jié)構(gòu)與頂板同樣要求必須不漏不滲，但其防水設(shè)計(jì)及施工要比頂板容易得多。邊墻和中柱的縱向接口也采用鋼承口接口形式。
3．3．5 首層樓板和底層底板混凝土施工
首層樓板和底層底板混凝土的施工皆為普通鋼筋混凝土施工，技術(shù)上沒有難點(diǎn)，僅需在與箱涵體預(yù)留口連接時(shí)加以留心即可。
3．3．6土體開挖
3.3.6 土體開發(fā)
由于土體開挖均在混凝土框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行，給開挖土體提供了很大自由度。實(shí)際施工時(shí)可根據(jù)施工組織需要，安排人工開挖或機(jī)械開挖均可。
3．4 車站主體結(jié)構(gòu)工程造價(jià)估算
經(jīng)測算，燈市口車站主體結(jié)構(gòu)土建總費(fèi)用為5147萬元，折合每延米造價(jià)28．6萬元。板、墻、柱頂進(jìn)施工工法的實(shí)用價(jià)值
隨著居住人口的急劇膨脹，為滿足城市居民生活與工作的需要，除了軌道交通以外，北京還規(guī)劃了大量的各種用途的地下工程。如“王府井”地區(qū)地下空間的開發(fā)規(guī)劃，已進(jìn)行到設(shè)計(jì)階段。其單項(xiàng)工程的結(jié)構(gòu)單元一般空間斷面較大，且長度不大于200m，因而特別適宜采用本工法施工。此外，為最大限度地利用大型商業(yè)大廈的客流資源，一些有商業(yè)頭腦的企業(yè)家已正在策劃或正在實(shí)施利用商業(yè)大廈地下空間作為汽車專賣城。如西單明珠大廈已完成地下結(jié)構(gòu)的土建改造并正在招商，可望近期正式營業(yè)。此類型大空間地下工程也比較適合采用本工法施工。可以預(yù)計(jì)，板、墻、柱頂進(jìn)施工法將在以下施工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：
(1)地鐵車站；
(2)地下交通樞紐；
(3)地下存車場；
(4)地下綜合管廊；
(5)地下商業(yè)城；
(6)地下文化娛樂城；
(7)地下人防工程；
(8)地下物流中心。
對于城市大斷面地下工程暗作施工，板、墻、柱頂進(jìn)施工法的提出，為地下工程技術(shù)人員增加了一種新的途徑。板、墻、柱頂進(jìn)施工工法的特點(diǎn)是采用小斷面隧道施做大斷面地下空間的承載結(jié)構(gòu)體，通過節(jié)點(diǎn)處理等技術(shù)，將其組合成穩(wěn)定的地下空間結(jié)構(gòu)支護(hù)體系，并在此支護(hù)體系下開挖結(jié)構(gòu)內(nèi)土體，最終形成完整的可供使用的工程結(jié)構(gòu)。該工法對于城市繁華地區(qū)地下工程的施工有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，必將與其他城市暗作施工法在各自適宜的范圍內(nèi)得到應(yīng)用和發(fā)展。
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