城市大型地下空间结构顶进施工法
【摘要】本文提出了城市大型地下空间结构施工的板、墙、柱顶进施工工法。同时指出该工法具有较好的技术经济性和施工实用价值。井以地铁五号线灯市口车站主体结构施工为例，从施工方法、施工工序、以及工期和造价等方面介绍了板、墙、柱顶进施工工法的过程。
【关键词】顶进 箱涵 结构地下空间 板、墙、柱工法
1 引 言
随着城市化进程急速加快，城市人口高度集中，交通量迅猛剧增，有限的城市空间“负载累累”，城市环境问题日益严重。开发地下资源，建设地下工程，向地下要空间，已成为解决城市用地严重不足的一个发展趋势。一些专家曾预言，21世纪将是地下空间大发展的世纪。尽管人们已认识到超前规划，合理开发地下空间资源非常重要，但受近期经济发展的制约，地下工程总是首先从城市繁华地区或地段开始建设。因而，开发城市地下工程暗作施工技术是加快地下工程建设的重要途径之一，也是我们土木工程建设者的—个重要任务。目前暗作施工法一般有矿山法、顶管法、盾构法等等，但按每个工程项目所在的地区与特点又派生出浅埋暗挖法、PBA法、钻爆—顶管复合隧道施工法、盖挖法等各具特色的施工方法。随着城市地下空间的深度开发，为有效的利用地下空间资源，大深度、大断面的地下工程不断被设计人员所采用，并成为一种发展趋势。对于大型地下空间的施工而言，采用上述单一工法，技术上或经济上总有一定局限性，应研究在现有技术水平的基础上，经过技术扩展，可进行大型或超大型地下空间的施工方法。
日本是开发地下空间较超前的国家之一，在20世纪80年代末期，仅地下商业街的使用面积就已超过82万平方米，地下工程施工技术相当发达。20世纪90年代，笔者在日就职期间参与过采用“管棚法”技术施工大断面隧道的施工管理(该隧道开挖面积约90平方米，长度近100m）。此外，还跟随原在日本国铁研究所工作过的著名盾构专家植野老先生(现已去世)，共同研究过利用小型矩形盾构施工大型地下空间的施工技术。此项技术现经日本其他企业研究和开发，已应用到实际工程中。如东京高速川崎纵横线KJ125工区(B，C)通风道即采用该工法(Multi-MicroShieldTunnel简称MMST工法)施工。其过程可简述为采用纵横各一台小型矩型多刀盘盾构机，先施工通风道框架结构，再挖弃通风道框架结构内土体，最后完成通风道施工。小型矩型多刀盘盾构机刀盘外形和“MMST工法”施工顺序示意图如下。
采用“MMST工法”可施工超大型地下空间建筑，是大型地下工程暗作施工的—个好工法，特别是节点处理技术构思极为巧妙。但是该工法设备投入过多，施工占地面积大，而且地下空间结构断面不足够大时，经济性不理想，因而目前在我国较难推广。
笔者由日本回国后，一直没有放弃对城市地铁车站、地下存车场、地下商场以及地下影剧院等大型地下空间暗作施工工法的研究。一个具有生命力的地下空间结构暗作施工工法，必须是技术超前可行，施工安全可靠，经济符合国情。针对北京地铁五号线和四号线均位于城市繁华地区，掘胭难，地面交通和商业活动干扰严重，而车站(隧道也如此)埋深不大，地下水位较低等特点，笔者提出车站暗作施工的板、墙、柱顶进施工工法的设想。认为采用此工法施工地铁车站有较好的技术经济性，符合我国国情。
2 板、墙、柱顶进施工工法概要
2．1 板、墙、柱顶进施工工法概述及工法特点
板、墙、柱顶进工法吸收了“管棚法”和日本“MMST工法”的原理及节点处理技术，利用“顶管技术”施工设备小巧灵活，操作简便的特点，同时引入地面建筑物结构受力体系的一些概念与技术，拓宽了暗作法施工地下空间结构的范围。此外，采用钢筋混凝土预制构件作为围护结构，大大提高了地下工程的施工质量。本工法的基本原理和做法是：采用顶进施工技术水平顶进顶板箱涵，构成顶板初期结构，进而在水平箱涵内垂直向下顶进箱涵(即边墙和中柱)，然后按梁板(井字梁)结构体系完成钢筋混凝土顶板结构施工。顶板和边墙、中柱均为刚结，共同组成空间结构受力体系。在此结构体系的支护下，挖弃结构内部土休和按内部分隔空间要求进行混凝土结构施工。顶进的箱涵采用节点处理技术施工(包括顶板与边墙结构)后形成的空间结构体系，在设计上考虑其能够承受初期和永久荷载，因此不需要在开挖土体之后再在边墙内侧及顶板底部施做内衬。奉工法具有以下特点：
(1)结构体系受力明确，体系转换简单；
(2)所有的顶进施工和开挖土体均在完整结构的保护下进行，故施工安全可靠；
(3)工程质量易于控制，结构可靠性大大提高；
(4)可避免对地面交通的干扰和减少对周边环境的影响；
(5)虽然最终完成地下空间结构断面较大，但由于采用小断面顶进施工，地面沉降值较小；
(6)施工设备投入较少，同时几乎没有废弃物，具有较好的技术经济性；
(7)适合结构长度不大于300m、结构埋深不超过30m的多层多跨地下工程施工。
2．2 本工法所适用的结构体系
如前所述，奉工法适用于多层多跨框架结构体系的施工，其一般结构体系见图7、图8。
2．3 本工法应用于实际工程的基本条件
本工法是在下列几个基本问题均得到较好解决的基础之上提出的，可在实际工程中应用，并在实际施工中不断完善和提高。
(1)整个空间框架结构体系的结构可靠性(含顶皈结构、墙体结构以及中柱结构)得到确认；
(2)工程结构的防水陛能满足设计要求；
(3)施工操作可行，即便于施工，施工效率高；
(4)有较好的经济效益；
(5)施工工期合理。
3 工程举例
为说明本工法的技术特点，现以北京市地铁五号线灯市口站车站主体结构施工为例，将本工法应用地铁暗挖车站的施工过程介绍于后。
3．1 工程基本参数设定
灯市口站位于北京市东四南大街中部，是北京有名的商业繁华地区之一。车站原设计为明挖法施工，后因商业、交通以及拆迁等原因，改为暗挖法施工。根据地铁五号线可行性研究报告，车站的基本参数设定如下：车站为岛式双层双跨框架结构，长180m，宽20m，建筑面积为7 200平方米。共设有4个出人口，2个通风道。平面布置与结构形式见图9、图10。
如车站结构示意图所示，地层分布由地面向下依次为杂填土、粉质粘土、中细砂、砂卵石。进—步查资料可知地下水位大致位于轨顶以上1～2m，无承压水。
3．2，车站主体结构施工顺序及施工网络图
3．2．1 车站主体结构施工平面图
利用4个出人口作为工作竖井，先施工顶进水平导洞，利用导洞水平双向顶进顶板箱涵，然后在箱涵内垂直顶进边墙和中柱，同时在顶板箱涵内施工钢筋混凝土梁板结构(井字粱)，最后逆作首层楼板和底板混凝土结构。车站主体结构施工平面布置见图11。
3．2．3 板、墙、柱顶进施工工序示意图
灯市口车站主体结构板、墙、柱顶进施工工序示意图见图13。
3．2．4 施工网络图
灯市口车站主体结构施工工期为18个月，详见地铁五号线灯市口车站主体结构施工网络图，见图14。
3．2．5施工工力计划
施工总工力为33650工，详见工力需求计划图，见图15。
3．3 主要工序施工方法及简要说明
3．3．1工作竖井施工
选择车站出入口作为工作竖井，可最大限度减少地面拆迁和对路面交通、商业的干扰。同时竖井作为顶进顶板箱涵水平导洞施工和出土之用，竖井深度不超过6．0m即可满足要求。竖井的施工方法为目前北京常用的钢格栅喷射混凝土逆作法。
3．3．2水平导洞施工
水平导洞作为水平顶进顶板箱涵之用，必须满足顶进箱涵的需要(包括空间尺寸、结构受力等)。因此在考虑采用钢架喷射混凝土支护结构的同时，辅以“管棚法”增强结构承溯自力。水平钢管棚施工采用水平定向钻技术，管径为φ159。
3．3．3顶板箱涵水平顶进
顶板箱涵作为车站主体顶扳结构，要求满足以下4个条件：
(1)顶板最终结构既能承担施工荷载，又能承担永久荷载；
(2)便于顶板钢筋混凝土井字梁的施工；
(3)箱涵涵体之间经过节点处理之后，可确保顶扳不渗不漏，满足防水要求；
(4)钢箱涵内空间足够垂直顶进边墙和中柱之用。
本工法采用特为地下空间结构体顶进使用的专用顶进设备系统。该系统除设备紧凑，占用空间小之外，对涵体的制导及顶进涵体空间相互连接均有特殊的考虑和设计。顶板箱涵除边箱涵与中箱涵为钢结构外，其余箱涵均采用钢筋混凝土结构。箱涵纵向接口采用钢承口(即F型)接口形式。
3．3．4 垂直顶进边墙箱涵和中柱
边墙箱涵与中柱均在水平钢箱涵内部垂直向下顶进。由于地下水位较低，车站结构仅有不到3m的深度位于地下水位之下，故采用涵体内部降水的方法，随出土随降水。边墙结构与顶板同样要求必须不漏不渗，但其防水设计及施工要比顶板容易得多。边墙和中柱的纵向接口也采用钢承口接口形式。
3．3．5 首层楼板和底层底板混凝土施工
首层楼板和底层底板混凝土的施工皆为普通钢筋混凝土施工，技术上没有难点，仅需在与箱涵体预留口连接时加以留心即可。
3．3．6土体开挖
3.3.6 土体开发
由于土体开挖均在混凝土框架结构内部进行，给开挖土体提供了很大自由度。实际施工时可根据施工组织需要，安排人工开挖或机械开挖均可。
3．4 车站主体结构工程造价估算
经测算，灯市口车站主体结构土建总费用为5147万元，折合每延米造价28．6万元。板、墙、柱顶进施工工法的实用价值
随着居住人口的急剧膨胀，为满足城市居民生活与工作的需要，除了轨道交通以外，北京还规划了大量的各种用途的地下工程。如“王府井”地区地下空间的开发规划，已进行到设计阶段。其单项工程的结构单元一般空间断面较大，且长度不大于200m，因而特别适宜采用本工法施工。此外，为最大限度地利用大型商业大厦的客流资源，一些有商业头脑的企业家已正在策划或正在实施利用商业大厦地下空间作为汽车专卖城。如西单明珠大厦已完成地下结构的土建改造并正在招商，可望近期正式营业。此类型大空间地下工程也比较适合采用本工法施工。可以预计，板、墙、柱顶进施工法将在以下施工领域得到广泛应用：
(1)地铁车站；
(2)地下交通枢纽；
(3)地下存车场；
(4)地下综合管廊；
(5)地下商业城；
(6)地下文化娱乐城；
(7)地下人防工程；
(8)地下物流中心。
对于城市大断面地下工程暗作施工，板、墙、柱顶进施工法的提出，为地下工程技术人员增加了一种新的途径。板、墙、柱顶进施工工法的特点是采用小断面隧道施做大断面地下空间的承载结构体，通过节点处理等技术，将其组合成稳定的地下空间结构支护体系，并在此支护体系下开挖结构内土体，最终形成完整的可供使用的工程结构。该工法对于城市繁华地区地下工程的施工有较强的实用价值，必将与其他城市暗作施工法在各自适宜的范围内得到应用和发展。
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