為城市敏感區地下空間開發利用提供技術保障

文/中鐵十四局集團有限公司

獲獎等級：一等獎

項目名稱：城市敏感區地下大空間管幕預筑結構一體化建造關鍵技術與裝備

山西省太原市迎澤大街下穿火車站通道建設工程是迎澤大街東延項目的控制性工程，也是太原市向東拓展的主通道之一。該項目的主要工程為兩座車行通道，通道總長度為463米，其中管幕段總長為210.1米（北側車行通道管幕段長102.5米，南側車行通道管幕段長107.6米），為國內首例采用管幕結構下穿特等火車站的工程。

作為百年老站，太原火車站屬于特等火車站，聯接石太客運專線、大西高速線、南北同蒲鐵路、石太鐵路等，每天有140多次列車經此發往全國各地。在施工期間，為不影響太原火車站的正常運營，以中鐵十四局集團有限公司作為總體牽頭單位，聯合高等院校、科研單位、設計院等多家單位共同開展了科技攻關，并最終成功完成了“城市敏感區地下大空間管幕預筑結構一體化建造關鍵技術與裝備”項目。

新需求帶來新挑戰

我國城市地下空間開發與利用需求旺盛，地下空間建設逐漸向網絡化、大空間、高品質方向發展，對建設理念、結構型式、建造技術等提出了更高的要求。但隨著跨度增加、覆土厚度減小，地下空間的沉降控制難度也在急劇提升，特別是敏感區淺埋地下大空間建設，施工安全風險加大，成為工程建設的技術難題，處理不當將對城市公共安全造成極大威脅。

受太原火車站地理位置影響，太原市迎澤大街無法實現東西貫通，影響了太原市發展格局，亟需修建下穿火車站通道工程，且沉降要求需控制在10毫米以內。傳統淺埋暗挖法采取超前加固、分部開挖、加強支護、適時襯砌等控制變形，可達到沉降厘米級控制水平，但是對于類似下穿太原火車站等城市敏感區地下大空間建設工程，要求沉降控制在毫米級，傳統的淺埋暗挖法難以實現。為此，迎澤大街下穿火車站通道工程的建設者們提出了“管幕預筑結構一體化→開挖”建造新方法。

管幕預筑結構一體化安全建造新方法的基本思路為化大為小，通過小直徑管群實現大空間施工的地層微擾動；通過大剛度一體化結構實現微變形；在大剛度管幕預筑結構保護下進行土體開挖，施工風險極低。但是管幕預筑結構一體化建造尚存在結構體系不完善、受力轉換機理不清楚、變形控制技術不成熟、施工機械化程度不高等問題。

鑒于此，項目團隊依托太原市迎澤大街下穿火車站通道工程，針對管幕預筑一體化結構設計、施工變形控制及施工裝備三大核心技術難題，創新建造理念，構建管幕預筑一體化新型結構體系，探究承載機理，揭示單管頂進微變形、群管頂進變形疊加、鋼管切割焊接變形累積等施工全過程變形動態演化規律，以及淺埋下穿敏感區“毫米級”的沉降控制機理，研發施工關鍵技術，研制智能化切割、焊接裝備，創建了城市敏感區地下大空間管幕預筑結構一體化安全建造新方法和技術體系。

← 城市敏感區地下大空間管幕預筑結構一體化建造工程項目總體思路

新技術實現新突破

為解決淺埋暗挖法不能實現城市敏感區“毫米級”的沉降控制要求，在國家重點研發計劃和中國鐵建科研計劃項目的資助下，項目團隊依托太原市迎澤大街下穿火車站通道工程，以“產-學-研-用”聯合攻關的模式，圍繞城市敏感區地下大空間管幕預筑一體化結構設計、變形控制、智能裝備等方面開展了系統研究，攻克了多項技術難題，并形成了三大創新成果。

創新點一：提出了城市敏感區地下大空間管幕預筑結構一體化安全建造新方法

該項建造新方法提出了以結構方式解決巖土問題的理念：化大為小，通過小直徑管群實現大空間施工的地層微擾動；通過大剛度一體化結構實現微變形；在大剛度管幕預筑結構保護下進行土體開挖，降低施工風險。項目提出了“管幕預筑結構一體化→開挖”建造新方法，顛覆了傳統的“超前支護→開挖→支護→襯砌”建造思路；揭示了單管頂進微變形、群管頂進變形疊加、鋼管切割焊接變形累積等施工全過程變形動態演化規律，以及淺埋下穿敏感區“毫米級”的沉降控制機理。

← 組圖：頂管掌子面土壓平衡原理

← 組圖：管幕預筑結構一體化施工方法

創新點二：創建了城市敏感區地下大空間管幕預筑結構一體化安全建造技術體系

項目團隊研發了頂拱、底拱長距離鎖扣式連續管棚帷幕加固止水技術；研發了高精度始發臺架、洞口保壓、激光導向、泥漿減阻群管精準頂進技術，實現軸線偏差18毫米、高程偏差19毫米；研發了小型機械管內徑向旋噴加固管間土體技術；提出了“環向分層、縱向分段、先下后上、間隔切割”的管內切割、焊接、混凝土澆筑次序及各工序變形控制技術；研發了基于靜力水準儀與MCU-32分布式模塊化自動測量單元的綜合智能化監測技術，開發了靜力水準自動化監測系統；提出了分階段沉降控制指標，即群管頂進、管內作業、土體開挖三階段變形占比分別為59%、35%、6%；實現地表沉降最大累計值9.7毫米。

此外，依托該項技術，項目團隊還編制了《管幕預筑結構設計規范》，形成了《軟土地層小直徑管幕微擾動頂進施工工法》《管幕支護結構一體化頂管施工工法》《管幕支護結構一體化管間切割加固施工工法》《管幕支護結構一體化鋼管內鋼筋混凝土施工工法》，構建了城市敏感區地下大空間管幕預筑結構一體化安全建造技術體系。

創新點三：研制了鋼管內新型智能化快速切割、焊接裝備

項目團隊研發了交互式圖像取點、線激光選位的切割與焊接軌跡自動生成技術，創建了切割、焊接工藝參數大數據庫，發明了智能行走控制系統、切割和焊接操作系統、監控系統，研制了AGV智能小車承載的可視化三維成像焊接及切割機器人，實現了長管道遠程控制、狹小三維空間高精度巡線自動切割（切割速度達到每分鐘1.89米）、焊接（焊接速度達到每分鐘1.54米），綜合工效提高8倍，實現了無人化作業，焊接質量合格率達到100%，確保了施工安全。

←組圖：管幕預筑結構設計規范

←組圖：靜力水準自動化監測系統

新成果帶來新市場

目前，該項目的研究成果已成功應用于太原市迎澤大街下穿火車站通道工程、山東省濟南市市中區DMT項目配套工程、川藏線康定2號隧道工程等多個項目。

其中，采用長距離連續大管棚超前預支護、鋼管精準頂進及掌子面障礙物處理、管間土體加固、管內切割焊接、管內混凝土施工等關鍵技術，保障了太原市迎澤大街下穿火車站通道工程建設質量和施工安全，提高了施工效率，直接經濟效益4130萬元，確保了太原火車站每天140余對列車的正常運營，社會效益不可估量。

精準頂進技術已成功應用于濟南市市中區DMT項目配套工程中，保證了頂管順利施工，未影響地面交通；實現了地表沉降的有效控制，確保了地面構筑物的穩定；優化取消了施工降水，有效保護了“泉城”地下水環境；確保了施工質量，經濟效益達2000萬元。

應用于川藏線康定2號隧道工程中的智能焊接裝備，明顯提高了施工效率，并計劃在川藏鐵路全線推廣應用。

← 敞開式頂管機實物圖

← 掘進過程障礙物的現場情況

推廣過程中形成的顯著成果

確保了敏感區既有建構筑物的安全營運研究成果的最大沉降9.7毫米，保證了既有結構物的穩定，確保了每天140余對列車的安全正常運營。

引領了行業科技進步研究成果為城市敏感區地下大空間安全建造提供了一整套解決方案，拓寬了淺埋暗挖法的適用范圍，推動了淺埋暗挖施工技術的進步和革新。

促進了地下空間資源的釋放管幕預筑結構一體化安全建造新方法實現了最小凈距1.2米的下穿，放寬了既有設施對地下工程規劃的約束條件，促進了地下空間資源的釋放。

提升了綠色智能建造水平研發的鋼管內智能化快速切割、焊接機器人，提升了施工機械化水平，實現了鋼管內切割、焊接工序無人化作業，提升了綠色智能建造水平，推動了上下游產業鏈的發展。

推動了地下空間設計的標準化編制的《管幕預筑結構設計規范》，規范了管幕預筑結構的設計，為其安全可靠、功能合理、經濟適用、節能環保、技術先進等提供了遵循，助力城市敏感區地下大空間建造。

培養了專業技術人才項目研究過程中，培養了設計、施工、研發、裝備制造等專業技術人才及工匠60余名，打造了管幕預筑結構一體化建造專業團隊，對該專業人才培養做出了突出貢獻。