城市大型地下空間結(jié)構(gòu)頂進(jìn)施工法

城市大型地下空間結(jié)構(gòu)頂進(jìn)施工法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(chē)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(guò)程。

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(wèn)題日益嚴(yán)重。開(kāi)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(shì)。一些專(zhuān)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(kāi)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(kāi)始建設(shè)。因而，開(kāi)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(kāi)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(shì)。對(duì)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(guò)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(kāi)發(fā)地下空間較超前的國(guó)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(guò)82萬(wàn)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(guò)采用“管棚法”技術(shù)施工大斷面隧道的施工管理(該隧道開(kāi)挖面積約90平方米，長(zhǎng)度近100m）。此外，還跟隨原在日本國(guó)鐵研究所工作過(guò)的著名盾構(gòu)專(zhuān)家植野老先生(現(xiàn)已去世)，共同研究過(guò)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(kāi)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(jiǎn)稱(chēng)MMST工法)施工。其過(guò)程可簡(jiǎn)述為采用縱橫各一臺(tái)小型矩型多刀盤(pán)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(pán)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)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(guò)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(guó)較難推廣。

筆者由日本回國(guó)后，一直沒(méi)有放棄對(duì)城市地鐵車(chē)站、地下存車(chē)場(chǎng)、地下商場(chǎng)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(guó)情。針對(duì)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(chē)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(chē)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(chē)站有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，符合我國(guó)國(guó)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(jiǎn)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(kāi)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(jiǎn)單；

(2)所有的頂進(jìn)施工和開(kāi)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(duì)地面交通的干擾和減少對(duì)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??；

(6)施工設(shè)備投入較少，同時(shí)幾乎沒(méi)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(zhǎng)度不大于300m、結(jié)構(gòu)埋深不超過(guò)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(jiàn)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(wèn)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(mǎn)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(shuō)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(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工為例，將本工法應(yīng)用地鐵暗挖車(chē)站的施工過(guò)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(chē)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(chē)站的基本參數(shù)設(shè)定如下：車(chē)站為島式雙層雙跨框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)180m，寬20m，建筑面積為7200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(jiàn)圖9、圖10。

如車(chē)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(wú)承壓水。

3．2，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工順序及施工網(wǎng)絡(luò)圖

3．2．1

車(chē)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(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工平面布置見(jiàn)圖11。

3．2．3

板、墻、柱頂進(jìn)施工工序示意圖

燈市口車(chē)站主體結(jié)構(gòu)板、墻、柱頂進(jìn)施工工序示意圖見(jiàn)圖13。

3．2．4

施工網(wǎng)絡(luò)圖

燈市口車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工工期為18個(gè)月，詳見(jiàn)地鐵五號(hào)線燈市口車(chē)站主體結(jié)構(gòu)施工網(wǎng)絡(luò)圖，見(jiàn)圖14。

3．2．5施工工力計(jì)劃

施工總工力為33650工，詳見(jiàn)工力需求計(jì)劃圖，見(jiàn)圖15。

3．3

主要工序施工方法及簡(jiǎn)要說(shuō)明

3．3．1工作豎井施工

選擇車(chē)站出入口作為工作豎井，可最大限度減少地面拆遷和對(duì)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(guò)6．0m即可滿(mǎn)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(mǎn)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?chē)娚浠炷林ёo(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(chē)站主體頂扳結(jié)構(gòu)，要求滿(mǎn)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(guò)節(jié)點(diǎn)處理之后，可確保頂扳不滲不漏，滿(mǎn)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(zhuān)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(duì)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(chē)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(méi)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。

才3押．曠3婚．妙6弱土迷體憤開(kāi)圣挖

臟3龜.末3掉.澤6鑰

燙吼土棋體架開(kāi)獸發(fā)

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亂

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翻3狗．弓4轎

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