城市大型地下空间结构顶进施工法

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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

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