淺談地下工程施工技術(shù)及其展望

摘要:隨著我國人口的不斷增加、城市化進程速度的加快和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，大型城市出現(xiàn)了就業(yè)困難、住房困難、出行困難等情況。這樣，建設(shè)地下工程來解決就業(yè)、住房和出行困難等問題顯得尤為重要。本文通過對地下工程的施工技術(shù)的簡要論述，揭示了未來我國的地下工程的發(fā)展前景，并展望了未來地下工程的施工技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:地下 工程 施工 展望

0 引言

在我國，隨著城市化進程的加快，城市建設(shè)飛速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，人口急劇膨脹，許多城市都不同程度地出現(xiàn)了建筑用地緊張、生存空間擁擠、交通阻塞、基礎(chǔ)設(shè)施落后、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化等城市病，給人們居住生活帶來很大影響，也制約著城市經(jīng)濟與社會的發(fā)展，成為我國現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的障礙。在這樣的背景下，我國城市地下空間發(fā)展由90年代前的人防工程改建轉(zhuǎn)變到90年代以“城市可持續(xù)發(fā)展”為目標的地下空間開發(fā)利用的發(fā)展上來。

苔羅阿尼先生認為:所謂地下工程是指在開挖深度不到6m時，單憑經(jīng)驗施工也不會遭到失敗，即使地基土質(zhì)略差，用一般方法也能安全施工。在設(shè)計中過分保守是不經(jīng)濟的。另外，如果深度大于6m就要涉及到土力學(xué)方面的一些問題。根據(jù)專家的建議，解決開挖時擋土墻周圍地基的穩(wěn)定問題，一般采用穩(wěn)定系數(shù)Ns=γt.H/Cu，對Ns≤4為淺開挖，Ns≥7為深開挖，其中γt是濕土單位體積的重量(t/m3)，H為開挖深度(m)，Cu是土的不固結(jié)不排水剪切強度t/m2。

1 地下工程的關(guān)鍵技術(shù)

我國在地下空間開發(fā)過程中發(fā)展了非常成熟的地下工程施工技術(shù)技術(shù)，其中比較具有代表性的是下列三項技術(shù):

1.1 明挖技術(shù)(基坑技術(shù))。隨著我國地下空間建設(shè)的發(fā)展，地下工程建設(shè)項目的數(shù)量和規(guī)模也迅速增加，出現(xiàn)了大量的深基坑工程，并形成了種類齊全的多種基坑圍護開挖技術(shù)。從支撐技術(shù)上來說，形成并發(fā)展了重力式、支撐式、土錨式、土釘式等多種技術(shù);從圍護工法上來說，形成并發(fā)展了簡易圍護墻法、木板樁法、鋼板樁法、鋼管樁法、灌注樁法、地下連續(xù)墻法、逆作法(又叫蓋挖法)等多種工法。基坑工程的設(shè)計理論、計算方法也不斷得到完善和改進，基坑工程的設(shè)計規(guī)范也有了一定的發(fā)展。

90年代以來，基坑工程規(guī)模不斷加大，深度不斷加深，與建筑物等已有設(shè)施距離越來越近，推動了深基坑工程的設(shè)計向更高水平邁進，使我國基坑工程的設(shè)計施工進入環(huán)境設(shè)計階段，促進了時空效應(yīng)基坑工法的生產(chǎn)與應(yīng)用，并達到了國際領(lǐng)先水平。

該方法科學(xué)地利用土體自身的控制地層位移的潛力，充分地考慮了時空效應(yīng)，以解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形問題。這種方法的主要特點是設(shè)計與施工密切結(jié)合。在設(shè)計中，設(shè)計參數(shù)(如被動區(qū)水平抗力系數(shù)K)的取值根據(jù)現(xiàn)場反應(yīng)來確定;施工中，開挖與支撐的施工工序基本是按分塊、分層、分步、對稱、平衡的原則來確定，并以科學(xué)的施工工藝有效地控制基坑的變形。

1.2 暗挖技術(shù)(以隧道設(shè)計施工技術(shù)為代表)。在我國，大量的線形地下空間均是以暗挖法作業(yè)的。其中有兩項關(guān)鍵技術(shù):一是適合于軟土(巖)地區(qū)的盾構(gòu)法。二是適合于硬土(巖)地區(qū)的新奧法(及礦山法)。中兩種作業(yè)技術(shù)在我國都有較大的應(yīng)用與發(fā)展。

1.2.1 盾構(gòu)法。我國自60年代研究開發(fā)盾構(gòu)技術(shù)以來，已成功地采用盾構(gòu)施工技術(shù)修建了幾十條車行和水工隧道。盾構(gòu)機械裝備從早先的機械式盾構(gòu)、網(wǎng)格擠壓式盾構(gòu)，在引進和消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展到今天的上壓平衡盾構(gòu)(EPB)、泥水加壓式平衡盾構(gòu)。隧道襯砌設(shè)計及計算機理論大致經(jīng)歷了起步階段(主要是借鑒國外的設(shè)計原理進行剛性襯砌設(shè)計)、柔性襯砌階段和目前正在進行的以地層移動理論研究為主的階段，其集中在對隧道的縱向變形及隧道縱橫向內(nèi)力、變形的影響問題、襯砌厚度偏大問題、管片寬度偏小問題、縱向拼裝錯縫問題等方面的研究和開發(fā)。

1.2.2 新奧法。我國在硬巖中開發(fā)地下空間取得舉世矚目的成就，目前擁有世界上最多的山嶺隧道。在成昆鐵路、京九鐵路及秦嶺隧道建設(shè)與開發(fā)中，我國通過對國內(nèi)外各種設(shè)計施工的招投標及研發(fā)，使得我國硬巖地下空間開發(fā)技術(shù)達到世界先進水平，形成了設(shè)計理論先進、施工技術(shù)完備的硬巖中地下空間開發(fā)技術(shù)。在設(shè)計方法上，從巖體松散壓力控制設(shè)計的礦山法發(fā)展到巖體變形壓力控制設(shè)計的新奧法，并可利用各種計算機數(shù)值法對巖體中的變形受力機理能夠進行比較準確的計算與預(yù)測。在施工技術(shù)上，由鉆孔爆破法發(fā)展到TBM機法，施工機械化程度越來越高，噴錨與混凝土支護技術(shù)得到極大進步，開挖斷面靈活多樣，同時其他輔助技術(shù)，如巖爆預(yù)測技術(shù)、開挖面前方巖性與地下水探測技術(shù)等都有巨大進步。

1.3 托換技術(shù)。我國城市的密集與空間的緊張，在地下空間開發(fā)利用中遇到大量的設(shè)施沖突、空間交叉及文物和環(huán)境等需要保護的情況，由此促進了托換技術(shù)的發(fā)展。托換技術(shù)是對解決原有建筑的地基需要處理和加固和解決在原有基礎(chǔ)下需要修建地下工程以及鄰近建造新工程而影響到原有建筑物的安全等問題的技術(shù)總稱。

在我國大量的地下工程建設(shè)實踐中，發(fā)展了基礎(chǔ)擴大托換、坑式托換、預(yù)試樁托換、壓入樁托換、打入樁或灌注樁托換、樹根樁托換、錨桿靜壓樁托換、基礎(chǔ)加壓糾偏法托換、基礎(chǔ)減壓和加強剛度法托換、化學(xué)加固法托換、地下鐵道穿越托換和結(jié)構(gòu)物的遷移等門類齊全的多種托換技術(shù)，在城市建設(shè)和地下空間開發(fā)中發(fā)揮著不可替代的重大作用。

2 地下空間開發(fā)利用展望

隨著我國經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、城市化水平的提高及城市可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的貫徹，開發(fā)利用城市地下空間越來越體現(xiàn)出巨大經(jīng)濟效益和社會效益，以及巨大的技術(shù)和市場開發(fā)潛力，因而我國城市地下空間開發(fā)利用必將向現(xiàn)代化、國際化、科學(xué)化的方向發(fā)展。具體說來，我國城市地下空間開發(fā)利用事業(yè)將出現(xiàn)下述幾個發(fā)展趨勢:

2.1 綜合開發(fā)利用的趨勢。城市地下空間的開發(fā)利用將不再是滿足某一單項使用要求，將立足于城市的整體建設(shè)與多功能的要求，是多項城市功能的整合共容，是能夠滿足交通、商業(yè)、供給與環(huán)境等的大型綜合體。同時，也不再是一種空間形態(tài)的孤立，而是由點、線、面、體等多種形態(tài)的靈活空間組合和貫通的有機的、豐富的空間整體。

2.2 規(guī)劃與設(shè)計理論的發(fā)展。建立在城市可持續(xù)發(fā)展與城市三維立體發(fā)展的戰(zhàn)略思路上，將地下空間作為城市三維發(fā)展的一個維度，其規(guī)劃與設(shè)計理論將會更加科學(xué)合理，它將指導(dǎo)城市科學(xué)、合理地向地下延伸。

2.3 開發(fā)技術(shù)的發(fā)展。我國目前的地下空間土木開發(fā)技術(shù)已接近或處于世界先進水平，但涉及到一些關(guān)鍵輔助設(shè)備等，如機具技術(shù)、計算機與電氣控制技術(shù)、自動化技術(shù)等等，與世界先進水平還有很大的差距，這樣會影響到地下空間開發(fā)的規(guī)模與成本。相信將來隨著對技術(shù)的引進、消化和吸收，以及加大自主研制力度，便會逐步縮小這方面的差距。

2.4 法規(guī)與管理維護越來越完善。隨著地下空間開發(fā)建設(shè)的發(fā)展和技術(shù)的不斷完善，有關(guān)的法規(guī)、政策及管理措施和先進的維護技術(shù)水平也將會不斷地得到完善，還將形成一整套推動地下空間綜合開發(fā)利用的實體和管理部門。

2.5 環(huán)境要求與環(huán)境控制將被更加重視，相應(yīng)技術(shù)工藝日益成熟。無人的城市地下空間設(shè)施會更加安全、高效;有人的城市地下空間設(shè)施會更加舒適、美觀。地下空間內(nèi)環(huán)境中的造景、幻境及地面環(huán)境模擬等技術(shù)將會得到極大的發(fā)展。同時，將更多地從環(huán)境保護、城市景觀保護和歷史文物保護的角度考慮開發(fā)利用城市地下空間。

2.6 新工藝與新材料不斷涌現(xiàn)。為了降低城市地下空間開發(fā)的成本與難度，適應(yīng)多種形態(tài)的地下空間的組合，滿足多種設(shè)施功能的交叉與共容，高效、經(jīng)濟的施工工藝將會大量出現(xiàn)，尤其是機械挖掘技術(shù)與施工自動化技術(shù)會有較大進步。同時，新的建筑裝飾材料尤其是地下防水與環(huán)境改善材料也會不斷涌現(xiàn)。