城市大型地下空間結構頂進施工法

【摘要】本文提出了城市大型地下空間結構施工的板、墻、柱頂進施工工法。同時指出該工法具有較好的技術經濟性和施工實用價值。井以地鐵五號線燈市口車站主體結構施工為例，從施工方法、施工工序、以及工期和造價等方面介紹了板、墻、柱頂進施工工法的過程。
【關鍵詞】頂進 箱涵 結構地下空間 板、墻、柱工法
1 引 言
隨著城市化進程急速加快，城市人口高度集中，交通量迅猛劇增，有限的城市空間“負載累累”，城市環境問題日益嚴重。開發地下資源，建設地下工程，向地下要空間，已成為解決城市用地嚴重不足的一個發展趨勢。一些專家曾預言，21世紀將是地下空間大發展的世紀。盡管人們已認識到超前規劃，合理開發地下空間資源非常重要，但受近期經濟發展的制約，地下工程總是首先從城市繁華地區或地段開始建設。因而，開發城市地下工程暗作施工技術是加快地下工程建設的重要途徑之一，也是我們土木工程建設者的—個重要任務。目前暗作施工法一般有礦山法、頂管法、盾構法等等，但按每個工程項目所在的地區與特點又派生出淺埋暗挖法、PBA法、鉆爆—頂管復合隧道施工法、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發，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計人員所采用，并成為一種發展趨勢。對于大型地下空間的施工而言，采用上述單一工法，技術上或經濟上總有一定局限性，應研究在現有技術水平的基礎上，經過技術擴展，可進行大型或超大型地下空間的施工方法。
日本是開發地下空間較超前的國家之一，在20世紀80年代末期，僅地下商業街的使用面積就已超過82萬平方米，地下工程施工技術相當發達。20世紀90年代，筆者在日就職期間參與過采用“管棚法”技術施工大斷面隧道的施工管理(該隧道開挖面積約90平方米，長度近100m）。此外，還跟隨原在日本國鐵研究所工作過的著名盾構專家植野老先生(現已去世)，共同研究過利用小型矩形盾構施工大型地下空間的施工技術。此項技術現經日本其他企業研究和開發，已應用到實際工程中。如東京高速川崎縱橫線KJ125工區(B，C)通風道即采用該工法(Multi-MicroShieldTunnel簡稱MMST工法)施工。其過程可簡述為采用縱橫各一臺小型矩型多刀盤盾構機，先施工通風道框架結構，再挖棄通風道框架結構內土體，最后完成通風道施工。小型矩型多刀盤盾構機刀盤外形和“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—個好工法，特別是節點處理技術構思極為巧妙。但是該工法設備投入過多，施工占地面積大，而且地下空間結構斷面不足夠大時，經濟性不理想，因而目前在我國較難推廣。
筆者由日本回國后，一直沒有放棄對城市地鐵車站、地下存車場、地下商場以及地下影劇院等大型地下空間暗作施工工法的研究。一個具有生命力的地下空間結構暗作施工工法，必須是技術超前可行，施工安全可靠，經濟符合國情。針對北京地鐵五號線和四號線均位于城市繁華地區，掘胭難，地面交通和商業活動干擾嚴重，而車站(隧道也如此)埋深不大，地下水位較低等特點，筆者提出車站暗作施工的板、墻、柱頂進施工工法的設想。認為采用此工法施工地鐵車站有較好的技術經濟性，符合我國國情。
2 板、墻、柱頂進施工工法概要
2．1 板、墻、柱頂進施工工法概述及工法特點
板、墻、柱頂進工法吸收了“管棚法”和日本“MMST工法”的原理及節點處理技術，利用“頂管技術”施工設備小巧靈活，操作簡便的特點，同時引入地面建筑物結構受力體系的一些概念與技術，拓寬了暗作法施工地下空間結構的范圍。此外，采用鋼筋混凝土預制構件作為圍護結構，大大提高了地下工程的施工質量。本工法的基本原理和做法是：采用頂進施工技術水平頂進頂板箱涵，構成頂板初期結構，進而在水平箱涵內垂直向下頂進箱涵(即邊墻和中柱)，然后按梁板(井字梁)結構體系完成鋼筋混凝土頂板結構施工。頂板和邊墻、中柱均為剛結，共同組成空間結構受力體系。在此結構體系的支護下，挖棄結構內部土休和按內部分隔空間要求進行混凝土結構施工。頂進的箱涵采用節點處理技術施工(包括頂板與邊墻結構)后形成的空間結構體系，在設計上考慮其能夠承受初期和永久荷載，因此不需要在開挖土體之后再在邊墻內側及頂板底部施做內襯。奉工法具有以下特點：
(1)結構體系受力明確，體系轉換簡單；
(2)所有的頂進施工和開挖土體均在完整結構的保護下進行，故施工安全可靠；
(3)工程質量易于控制，結構可靠性大大提高；
(4)可避免對地面交通的干擾和減少對周邊環境的影響；
(5)雖然最終完成地下空間結構斷面較大，但由于采用小斷面頂進施工，地面沉降值較小；
(6)施工設備投入較少，同時幾乎沒有廢棄物，具有較好的技術經濟性；
(7)適合結構長度不大于300m、結構埋深不超過30m的多層多跨地下工程施工。
2．2 本工法所適用的結構體系
如前所述，奉工法適用于多層多跨框架結構體系的施工，其一般結構體系見圖7、圖8。

2．3 本工法應用于實際工程的基本條件
本工法是在下列幾個基本問題均得到較好解決的基礎之上提出的，可在實際工程中應用，并在實際施工中不斷完善和提高。
(1)整個空間框架結構體系的結構可靠性(含頂皈結構、墻體結構以及中柱結構)得到確認；
(2)工程結構的防水陛能滿足設計要求；
(3)施工操作可行，即便于施工，施工效率高；
(4)有較好的經濟效益；
(5)施工工期合理。
3 工程舉例
為說明本工法的技術特點，現以北京市地鐵五號線燈市口站車站主體結構施工為例，將本工法應用地鐵暗挖車站的施工過程介紹于后。
3．1 工程基本參數設定
燈市口站位于北京市東四南大街中部，是北京有名的商業繁華地區之一。車站原設計為明挖法施工，后因商業、交通以及拆遷等原因，改為暗挖法施工。根據地鐵五號線可行性研究報告，車站的基本參數設定如下：車站為島式雙層雙跨框架結構，長180m，寬20m，建筑面積為7 200平方米。共設有4個出人口，2個通風道。平面布置與結構形式見圖9、圖10。


如車站結構示意圖所示，地層分布由地面向下依次為雜填土、粉質粘土、中細砂、砂卵石。進—步查資料可知地下水位大致位于軌頂以上1～2m，無承壓水。
3．2，車站主體結構施工順序及施工網絡圖
3．2．1 車站主體結構施工平面圖
利用4個出人口作為工作豎井，先施工頂進水平導洞，利用導洞水平雙向頂進頂板箱涵，然后在箱涵內垂直頂進邊墻和中柱，同時在頂板箱涵內施工鋼筋混凝土梁板結構(井字粱)，最后逆作首層樓板和底板混凝土結構。車站主體結構施工平面布置見圖11。

3．2．3 板、墻、柱頂進施工工序示意圖
燈市口車站主體結構板、墻、柱頂進施工工序示意圖見圖13。
3．2．4 施工網絡圖
燈市口車站主體結構施工工期為18個月，詳見地鐵五號線燈市口車站主體結構施工網絡圖，見圖14。
3．2．5施工工力計劃
施工總工力為33650工，詳見工力需求計劃圖，見圖15。
3．3 主要工序施工方法及簡要說明
3．3．1工作豎井施工
選擇車站出入口作為工作豎井，可最大限度減少地面拆遷和對路面交通、商業的干擾。同時豎井作為頂進頂板箱涵水平導洞施工和出土之用，豎井深度不超過6．0m即可滿足要求。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水平導洞施工
水平導洞作為水平頂進頂板箱涵之用，必須滿足頂進箱涵的需要(包括空間尺寸、結構受力等)。因此在考慮采用鋼架噴射混凝土支護結構的同時，輔以“管棚法”增強結構承溯自力。水平鋼管棚施工采用水平定向鉆技術，管徑為φ159。
3．3．3頂板箱涵水平頂進
頂板箱涵作為車站主體頂扳結構，要求滿足以下4個條件：
(1)頂板最終結構既能承擔施工荷載，又能承擔永久荷載；
(2)便于頂板鋼筋混凝土井字梁的施工；
(3)箱涵涵體之間經過節點處理之后，可確保頂扳不滲不漏，滿足防水要求；
(4)鋼箱涵內空間足夠垂直頂進邊墻和中柱之用。
本工法采用特為地下空間結構體頂進使用的專用頂進設備系統。該系統除設備緊湊，占用空間小之外，對涵體的制導及頂進涵體空間相互連接均有特殊的考慮和設計。頂板箱涵除邊箱涵與中箱涵為鋼結構外，其余箱涵均采用鋼筋混凝土結構。箱涵縱向接口采用鋼承口(即F型)接口形式。
3．3．4 垂直頂進邊墻箱涵和中柱
邊墻箱涵與中柱均在水平鋼箱涵內部垂直向下頂進。由于地下水位較低，車站結構僅有不到3m的深度位于地下水位之下，故采用涵體內部降水的方法，隨出土隨降水。邊墻結構與頂板同樣要求必須不漏不滲，但其防水設計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，技術上沒有難點，僅需在與箱涵體預留口連接時加以留心即可。

3．3．6土體開挖
3.3.6 土體開發
由于土體開挖均在混凝土框架結構內部進行，給開挖土體提供了很大自由度。實際施工時可根據施工組織需要，安排人工開挖或機械開挖均可。
3．4 車站主體結構工程造價估算
經測算，燈市口車站主體結構土建總費用為5147萬元，折合每延米造價28．6萬元。板、墻、柱頂進施工工法的實用價值
隨著居住人口的急劇膨脹，為滿足城市居民生活與工作的需要，除了軌道交通以外，北京還規劃了大量的各種用途的地下工程。如“王府井”地區地下空間的開發規劃，已進行到設計階段。其單項工程的結構單元一般空間斷面較大，且長度不大于200m，因而特別適宜采用本工法施工。此外，為最大限度地利用大型商業大廈的客流資源，一些有商業頭腦的企業家已正在策劃或正在實施利用商業大廈地下空間作為汽車專賣城。如西單明珠大廈已完成地下結構的土建改造并正在招商，可望近期正式營業。此類型大空間地下工程也比較適合采用本工法施工。可以預計，板、墻、柱頂進施工法將在以下施工領域得到廣泛應用：
(1)地鐵車站；
(2)地下交通樞紐；
(3)地下存車場；
(4)地下綜合管廊；
(5)地下商業城；
(6)地下文化娛樂城；
(7)地下人防工程；
(8)地下物流中心。
對于城市大斷面地下工程暗作施工，板、墻、柱頂進施工法的提出，為地下工程技術人員增加了一種新的途徑。板、墻、柱頂進施工工法的特點是采用小斷面隧道施做大斷面地下空間的承載結構體，通過節點處理等技術，將其組合成穩定的地下空間結構支護體系，并在此支護體系下開挖結構內土體，最終形成完整的可供使用的工程結構。該工法對于城市繁華地區地下工程的施工有較強的實用價值，必將與其他城市暗作施工法在各自適宜的范圍內得到應用和發展。

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