城市地下空間工程施工特點及面臨的機遇與挑戰

馮鴻寬

(遼寧有色勘察研究院, 遼寧沈陽 110013)

城市地下空間工程施工特點及面臨的機遇與挑戰

馮鴻寬

(遼寧有色勘察研究院, 遼寧沈陽 110013)

隨著社會經濟發展，我國城市正在進行大規模地下空間建設(如地鐵、地下管廊、地下商場、地下車庫、人防地下室和地下蓄水池等)。城市地下空間的利用也必將由現在的淺層空間向中淺層空間(地面以下30m)發展。我國在深度較大的城市地下空間開發涉及的地下工程建設的復雜理論和關鍵技術還缺乏深入、系統的研究。為此，進行超深復雜地下工程的綜合技術研究成為必然，其研究成果對今后中淺層空間地下工程的設計、施工必將起到重要指導作用。由于地下空間工程的復雜性和特殊性，給巖土工程師帶來極大挑戰，巖土工程師不僅要知識豐富，掌握地下空間工程施工的多種技術，還要在工程實踐中不斷創新探索新方法、新技術，使地下空間工程的勘察、設計、施工更科學、安全、節省成本和縮短工期。

巖土工程師； 地下空間； 深基坑； 支護體系

進人20世紀20年代以來，世界各國城市化進程加快，城市用地緊張，基礎設施落后，環境惡化等問題日漸突出。為了解決這些問題，世界上一些發達國家就開始大規模利用地下空間，開發利用較早的是歐美和日本。其中歐洲國家對地下空間開發利用較好，廣泛修建過街通道、地鐵、商場、倉庫和地下綜合服務區等。進入21世紀后，隨著我國城市化進程的加快以及經濟的迅猛發展，大城市的交通、環境以及文物保護問題日益突出。為了滿足城市功能的需要，我國的城市地下空間開發利用工程建設已逐漸進入高潮。世界發達國家的發展經歷表明，人均GDP在3 000～10 000美元是城市地下工程快速發展的階段。可以預見，在今后數十年內我國將處于城市地下工程建設的高潮，成為地下空間開發利用的大國。隨著社會經濟發展，我國城市正在進行大規模地下空間建設(如地鐵、地下管廊、地下商場、地下車庫、人防地下室和地下蓄水池等)。城市地下空間的利用也必將由現在的淺層空間向中淺層空間(地面以下30m)發展。我國在深度較大的城市地下空間開發涉及的地下工程建設的復雜理論和關鍵技術還缺乏深入、系統的研究。為此，進行超深復雜地下工程的綜合技術研究成為必然，其研究成果對今后中淺層空間地下工程的設計、施工必將起到重要指導作用。

1 城市地下空間工程及施工特點

城市地下工程是一個復雜的系統工程，涉及多個學科的交叉。其工程特點表現為地下工程理論在軟弱地層和極復雜環境下的應用，因此包含了地下工程經驗性的特點，而且又遇到軟土地層施工影響大以及復雜環境控制要求高的制約因素。由于城市地下工程所處地質環境的復雜性和不確定性、地面及地下建(構)筑物密布并且工程活動頻繁，使得城市地下工程建設中存在著很大的安全風險。如在勘察階段，規模和基坑深度的不斷加大，在水位埋藏淺、多個透水土層和弱透水土層交互成層的復雜水文地質條件以及環境效應問題日益復雜的情況下，基坑工程開挖勢必引起周圍環境發生變化，導致周圍地基土體的變形，對周圍建(構)筑物和地下管線產生影響，嚴重的甚至會危機其正常使用或安全。同時在施工中，施工工藝以及施工組織是否合理對支護體系是否成功具有重要作用。不合理或不恰當的施工步驟可能導致鉆探結構變位、過大變形，甚至引起支護體系整體失穩而導致破壞。因此，隨著基坑工程向著大深度、大面積發展，對深基坑開挖設計理論和施工等均提出了更高的要求，要求必須不斷改進設計計算理論，提高設計水平，改善施工工藝。

根據地下工程的特殊性，地下工程的施工作業和地面工程的施工作業具有一定的差異。主要表現在施工環境條件差、施工工藝復雜、施工監測全面、施工危險性大，可以從4個方面來把握。

1.1 基本作業

地下工程基本作業=開挖+支護+內襯砌。(1)開挖方法選擇的考慮因素；(2)地下工程開挖方法；(3)隧道開挖方法；(4)支護與內襯砌技術。

為確保地下工程開挖的安全，必須對其進行支護。一般分臨時支護與永久支護兩大類，形式上有木支撐、格柵支架、鋼支架、錨桿、噴射混凝土及其組合。內襯砌技術，一般有現澆混凝土與預制混凝土兩大類。

1.2 輔助作業

地下工程輔助作業是配合基本作業的必須環節。一般包括風、水、電的設計、安裝與供給，施工場地的規劃與布置，出渣運輸計劃與設備配置等。

1.3 環境監控

主要研究解決施工過程中的安全問題及其對周圍環境的影響。如洞室開挖位移過大引起塌方，支護結構位移太大引起結構失穩與傾斜，地表沉陷過大對地面建筑或設施造成破壞甚至倒塌事故、地下水控制等。

主要技術手段是量測監控，發現異常情況應及時通報，并采取相應的加固措施(輔助施工手段)更改施工方案。

1.4 施工管理

科學施工組織與管理是保障安全施工和高質量完成建設目標的前提。主要途徑有：編制科學合理的施工組織設計；加強施工現場的監督與指導；充分協助現場施工管理部門與監理機構的關系；搞好施工過程的“四大控制”，即質量控制、進度控制、成本控制及安全控制，使四大控制點相互約束相互協調，以期達到工程施工在保證安全的前提下，高質量、低成本、最短的工期內完成。

2 地下工程主要施工技術

我國在地下工程施工技術與方法上取得了較大發展，先后采用了明挖法、逆作法、暗挖法、沉井法、盾構法、頂管法、沉管法等施工技術方法。

2.1 明挖法

明挖法也稱基坑開挖技術，優點是具有施工簡單、快捷、經濟、安全的優點，其缺點是對周圍環境的影響較大。明挖法適用于地面開闊和地下地質條件較好的情況。明挖法主要運用于工程實踐中所出現的大量的深基坑工程，并形成了種類齊全的多種基坑圍護開挖技術。

2.2 逆作法

逆作法是以地下結構本身作為擋墻，同時又作支撐體系，從上往下分步依次開挖和構筑地下結構體系的施工方法。因為它與傳統的先支檔后開挖的順序施工方法呈反向作業，故稱為逆作法。逆作法的原理是以結構本體(樓蓋體系)作為支撐，其剛度相當大，也減少了支護結構整體變形，顯示了明顯的優點。逆作法需先設置臨時立柱及立柱樁，要增加一些費用，且在混凝土澆筑的各個階段都分先澆和后澆工序，其交接處對施工帶來不便。

2.3 暗挖法

暗挖法施工技術是在地表下面進行施工，優點是對人們生活無干擾，但技術要求和造價較高。主要有新奧法、淺埋暗挖法、管幕法3種工法。

(1)新奧法。所謂新奧法，即“新奧地利隧道施工法”(國際上簡稱為NATM),是一種在巖質、土砂質介質中開挖隧道，以使圍巖形成一個中空筒狀支撐環結構為目的的隧道設計施工方法。

(2)淺埋暗挖法。淺埋暗挖法是以加固和處理軟弱地層為前提，采用足夠剛性復合襯砌(由初期支護和二次襯砌及中間防水層所組成)為基本支護結構的一種用于軟土地層近地表修建各種類型地下洞室的暗挖施工方法。

(3)管幕法。管幕法是以單管頂進為基礎，各單管間依靠鎖口在鋼管側面相接形成管排，并在鎖口間注漿，形成密封的止水管幕，然后對管幕內的土體進行加固處理，最后邊內部開挖邊支撐，直到管幕段貫通再澆筑結構體。

2.4 沉井法

沉井法又稱沉箱鑿井法，是適用于不穩定含水地層中建造豎井的一種特殊施工方法。在不穩定含水地層掘進豎井時，在設計的井筒位置上預先制作一段井筒，井筒下端有刃腳，借井筒自重或略施外力使之下沉，將井筒內的巖石挖掘出的施工方法。

2.5 盾構法

盾構隧道施工法是指使用盾構機，一邊控制開挖面及圍巖不發生坍塌失穩，一邊進行隧道掘進，并在機內拼裝管片形成襯砌實施壁后注漿，從而不擾動圍巖而修筑隧道的方法。盾構的適用范圍很廣，掘進隧道允許在縱長的地下結構以下施工，覆蓋層淺，在不穩地層和含地下水的地層都不會引起地表斷裂或較大的沉陷。它可以用于很松散的土質或高壓強的地層中，如在軟塑性的或流動的地層，在暫時穩定的地層中也實現了有效的應用，起到了頂部保護作用，因而盾構法有著很廣闊的應用范圍和前景。

2.6 頂管法

頂管法是采用液壓千斤頂或是具有頂進、牽引功能設備，以頂管工作井作承壓壁，在地層土體開挖的同時，將預制好的地下管道(或隧道)一起沿著設計路線分節向前推進，直達目的地。它是隧道或地下管道穿越鐵路、道路、河流或建筑物等各種障礙物時采用的一種暗挖式施工方法。

2.7 沉管法

沉管法也稱預制管段沉放法，即在船塢內預支鋼筋混凝土結構，然后放水浮運，沉埋到設計位置，建成水下工程。這種方法容易保證隧道施工質量，工程造價較低，在隧道現場的施工工期短，操作條件好，施工安全，適用水深范圍較大，斷面形狀、大小可自由選擇，斷面空間可充分利用，但缺點在于技術要求高。

3 巖土工程師面臨的機遇與挑戰

隨著國內城市化進程的快速推進，土地資源的迅速減少給人們的生活帶來的一系列問題，而城市地下空間的開發有利于緩解城市交通問題，提高城市的綜合防災能力，改善城市地面環境，因此合理開發利用城市地下空間已成為必然趨勢。這也為巖土工程師帶來極大的機遇。

同時，由于地下空間工程的復雜性和特殊性，地下工程是規劃、勘察設計、施工、管理、維修的綜合性應用科學技術，是土木建筑工程是一個分支。地下工程的規劃、設計與施工需要運用工程測量、巖土力學、工程力學、工程設計、建筑材料、建筑結構、建筑設備、工程機械、技術經濟及管理科學等學科門類，也需計算機應用及工程測試方面是技術知識。因此地下工程是一門涉及廣泛的綜合性學科。

由于受地質、水文條件的影響及作業空間與環境的限制，地下工程施工與地面工程施工相比，前者復雜多變、工程難度大、成本高、工期長，在特殊的地質與水文地質條件下顯現的更為突出。

以上因素給巖土工程師帶來極大挑戰。巖土工程師不僅要知識豐富，掌握地下空間工程施工的多種技術，還要在工程實踐中不斷創新探索新方法、新技術，使地下空間工程的勘察、設計、施工更科學、安全、節省成本和縮短工期。

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[定稿日期]2016-08-30

[作者信息]馮鴻寬(1963～)， 男， 本科， 高級工程師。