城市地下空間工程施工特點(diǎn)及面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

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(diǎn)及面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

馮鴻寬

(遼寧有色勘察研究院, 遼寧沈陽 110013)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國城市正在進(jìn)行大規(guī)模地下空間建設(shè)(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(xiàn)在的淺層空間向中淺層空間(地面以下30m)發(fā)展。我國在深度較大的城市地下空間開發(fā)涉及的地下工程建設(shè)的復(fù)雜理論和關(guān)鍵技術(shù)還缺乏深入、系統(tǒng)的研究。為此，進(jìn)行超深復(fù)雜地下工程的綜合技術(shù)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(shè)計(jì)、施工必將起到重要指導(dǎo)作用。由于地下空間工程的復(fù)雜性和特殊性，給巖土工程師帶來極大挑戰(zhàn)，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(shù)，還要在工程實(shí)踐中不斷創(chuàng)新探索新方法、新技術(shù)，使地下空間工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工更科學(xué)、安全、節(jié)省成本和縮短工期。

巖土工程師； 地下空間； 深基坑； 支護(hù)體系

進(jìn)人20世紀(jì)20年代以來，世界各國城市化進(jìn)程加快，城市用地緊張，基礎(chǔ)設(shè)施落后，環(huán)境惡化等問題日漸突出。為了解決這些問題，世界上一些發(fā)達(dá)國家就開始大規(guī)模利用地下空間，開發(fā)利用較早的是歐美和日本。其中歐洲國家對地下空間開發(fā)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(wù)區(qū)等。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國城市化進(jìn)程的加快以及經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，大城市的交通、環(huán)境以及文物保護(hù)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(fā)利用工程建設(shè)已逐漸進(jìn)入高潮。世界發(fā)達(dá)國家的發(fā)展經(jīng)歷表明，人均GDP在3 000～10 000美元是城市地下工程快速發(fā)展的階段?？梢灶A(yù)見，在今后數(shù)十年內(nèi)我國將處于城市地下工程建設(shè)的高潮，成為地下空間開發(fā)利用的大國。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國城市正在進(jìn)行大規(guī)模地下空間建設(shè)(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(xiàn)在的淺層空間向中淺層空間(地面以下30m)發(fā)展。我國在深度較大的城市地下空間開發(fā)涉及的地下工程建設(shè)的復(fù)雜理論和關(guān)鍵技術(shù)還缺乏深入、系統(tǒng)的研究。為此，進(jìn)行超深復(fù)雜地下工程的綜合技術(shù)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(shè)計(jì)、施工必將起到重要指導(dǎo)作用。

1 城市地下空間工程及施工特點(diǎn)

城市地下工程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)學(xué)科的交叉。其工程特點(diǎn)表現(xiàn)為地下工程理論在軟弱地層和極復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用，因此包含了地下工程經(jīng)驗(yàn)性的特點(diǎn)，而且又遇到軟土地層施工影響大以及復(fù)雜環(huán)境控制要求高的制約因素。由于城市地下工程所處地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性、地面及地下建(構(gòu))筑物密布并且工程活動(dòng)頻繁，使得城市地下工程建設(shè)中存在著很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。如在勘察階段，規(guī)模和基坑深度的不斷加大，在水位埋藏淺、多個(gè)透水土層和弱透水土層交互成層的復(fù)雜水文地質(zhì)條件以及環(huán)境效應(yīng)問題日益復(fù)雜的情況下，基坑工程開挖勢必引起周圍環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致周圍地基土體的變形，對周圍建(構(gòu))筑物和地下管線產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的甚至?xí)C(jī)其正常使用或安全。同時(shí)在施工中，施工工藝以及施工組織是否合理對支護(hù)體系是否成功具有重要作用。不合理或不恰當(dāng)?shù)氖┕げ襟E可能導(dǎo)致鉆探結(jié)構(gòu)變位、過大變形，甚至引起支護(hù)體系整體失穩(wěn)而導(dǎo)致破壞。因此，隨著基坑工程向著大深度、大面積發(fā)展，對深基坑開挖設(shè)計(jì)理論和施工等均提出了更高的要求，要求必須不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)計(jì)算理論，提高設(shè)計(jì)水平，改善施工工藝。

根據(jù)地下工程的特殊性，地下工程的施工作業(yè)和地面工程的施工作業(yè)具有一定的差異。主要表現(xiàn)在施工環(huán)境條件差、施工工藝復(fù)雜、施工監(jiān)測全面、施工危險(xiǎn)性大，可以從4個(gè)方面來把握。

1.1 基本作業(yè)

地下工程基本作業(yè)=開挖+支護(hù)+內(nèi)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(hù)與內(nèi)襯砌技術(shù)。

為確保地下工程開挖的安全，必須對其進(jìn)行支護(hù)。一般分臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)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(nèi)襯砌技術(shù)，一般有現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制混凝土兩大類。

1.2 輔助作業(yè)

地下工程輔助作業(yè)是配合基本作業(yè)的必須環(huán)節(jié)。一般包括風(fēng)、水、電的設(shè)計(jì)、安裝與供給，施工場地的規(guī)劃與布置，出渣運(yùn)輸計(jì)劃與設(shè)備配置等。

1.3 環(huán)境監(jiān)控

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

主要技術(shù)手段是量測監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)及時(shí)通報(bào)，并采取相應(yīng)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(xué)施工組織與管理是保障安全施工和高質(zhì)量完成建設(shè)目標(biāo)的前提。主要途徑有：編制科學(xué)合理的施工組織設(shè)計(jì)；加強(qiáng)施工現(xiàn)場的監(jiān)督與指導(dǎo)；充分協(xié)助現(xiàn)場施工管理部門與監(jiān)理機(jī)構(gòu)的關(guān)系；搞好施工過程的“四大控制”，即質(zhì)量控制、進(jìn)度控制、成本控制及安全控制，使四大控制點(diǎn)相互約束相互協(xié)調(diào)，以期達(dá)到工程施工在保證安全的前提下，高質(zhì)量、低成本、最短的工期內(nèi)完成。

2 地下工程主要施工技術(shù)

我國在地下工程施工技術(shù)與方法上取得了較大發(fā)展，先后采用了明挖法、逆作法、暗挖法、沉井法、盾構(gòu)法、頂管法、沉管法等施工技術(shù)方法。

2.1 明挖法

明挖法也稱基坑開挖技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是具有施工簡單、快捷、經(jīng)濟(jì)、安全的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是對周圍環(huán)境的影響較大。明挖法適用于地面開闊和地下地質(zhì)條件較好的情況。明挖法主要運(yùn)用于工程實(shí)踐中所出現(xiàn)的大量的深基坑工程，并形成了種類齊全的多種基坑圍護(hù)開挖技術(shù)。

2.2 逆作法

逆作法是以地下結(jié)構(gòu)本身作為擋墻，同時(shí)又作支撐體系，從上往下分步依次開挖和構(gòu)筑地下結(jié)構(gòu)體系的施工方法。因?yàn)樗c傳統(tǒng)的先支檔后開挖的順序施工方法呈反向作業(yè)，故稱為逆作法。逆作法的原理是以結(jié)構(gòu)本體(樓蓋體系)作為支撐，其剛度相當(dāng)大，也減少了支護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形，顯示了明顯的優(yōu)點(diǎn)。逆作法需先設(shè)置臨時(shí)立柱及立柱樁，要增加一些費(fèi)用，且在混凝土澆筑的各個(gè)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(shù)是在地表下面進(jìn)行施工，優(yōu)點(diǎn)是對人們生活無干擾，但技術(shù)要求和造價(jià)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(zhì)、土砂質(zhì)介質(zhì)中開挖隧道，以使圍巖形成一個(gè)中空筒狀支撐環(huán)結(jié)構(gòu)為目的的隧道設(shè)計(jì)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(fù)合襯砌(由初期支護(hù)和二次襯砌及中間防水層所組成)為基本支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)為基礎(chǔ)，各單管間依靠鎖口在鋼管側(cè)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(nèi)的土體進(jìn)行加固處理，最后邊內(nèi)部開挖邊支撐，直到管幕段貫通再澆筑結(jié)構(gòu)體。

2.4 沉井法

沉井法又稱沉箱鑿井法，是適用于不穩(wěn)定含水地層中建造豎井的一種特殊施工方法。在不穩(wěn)定含水地層掘進(jìn)豎井時(shí)，在設(shè)計(jì)的井筒位置上預(yù)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(nèi)的巖石挖掘出的施工方法。

2.5 盾構(gòu)法

盾構(gòu)隧道施工法是指使用盾構(gòu)機(jī)，一邊控制開挖面及圍巖不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進(jìn)行隧道掘進(jìn)，并在機(jī)內(nèi)拼裝管片形成襯砌實(shí)施壁后注漿，從而不擾動(dòng)圍巖而修筑隧道的方法。盾構(gòu)的適用范圍很廣，掘進(jìn)隧道允許在縱長的地下結(jié)構(gòu)以下施工，覆蓋層淺，在不穩(wěn)地層和含地下水的地層都不會(huì)引起地表斷裂或較大的沉陷。它可以用于很松散的土質(zhì)或高壓強(qiáng)的地層中，如在軟塑性的或流動(dòng)的地層，在暫時(shí)穩(wěn)定的地層中也實(shí)現(xiàn)了有效的應(yīng)用，起到了頂部保護(hù)作用，因而盾構(gòu)法有著很廣闊的應(yīng)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(jìn)、牽引功能設(shè)備，以頂管工作井作承壓壁，在地層土體開挖的同時(shí)，將預(yù)制好的地下管道(或隧道)一起沿著設(shè)計(jì)路線分節(jié)向前推進(jìn)，直達(dá)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(shí)采用的一種暗挖式施工方法。

2.7 沉管法

沉管法也稱預(yù)制管段沉放法，即在船塢內(nèi)預(yù)支鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，然后放水浮運(yùn)，沉埋到設(shè)計(jì)位置，建成水下工程。這種方法容易保證隧道施工質(zhì)量，工程造價(jià)較低，在隧道現(xiàn)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(diǎn)在于技術(shù)要求高。

3 巖土工程師面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，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(fā)有利于緩解城市交通問題，提高城市的綜合防災(zāi)能力，改善城市地面環(huán)境，因此合理開發(fā)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(jī)遇。

同時(shí)，由于地下空間工程的復(fù)雜性和特殊性，地下工程是規(guī)劃、勘察設(shè)計(jì)、施工、管理、維修的綜合性應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，是土木建筑工程是一個(gè)分支。地下工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與施工需要運(yùn)用工程測量、巖土力學(xué)、工程力學(xué)、工程設(shè)計(jì)、建筑材料、建筑結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、工程機(jī)械、技術(shù)經(jīng)濟(jì)及管理科學(xué)等學(xué)科門類，也需計(jì)算機(jī)應(yīng)用及工程測試方面是技術(shù)知識。因此地下工程是一門涉及廣泛的綜合性學(xué)科。

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

以上因素給巖土工程師帶來極大挑戰(zhàn)。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(shù)，還要在工程實(shí)踐中不斷創(chuàng)新探索新方法、新技術(shù)，使地下空間工程的勘察、設(shè)計(jì)、施工更科學(xué)、安全、節(jié)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。