城市大型地下空间暗挖建造与地下水渗流控制关键技术研究_高文生.pdf

104 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）城市大型地下空间暗挖建造与地下水渗流控制关键技术研究城市地下空间开发是国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）重点领域“城镇化与城市发展”高文生1，2杨斌3，2 杨秀仁4(1.国家建筑工程技术研究中心，北京 1 0 0 0 1 3；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 1 0 0 0 1 3；3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 1 0 0 0 1 3；4.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 1 0 0 0 3 7)摘要 针对我国城市地下空间开发建设存在的问题，结合国内外地下空间建设技术现状和城市化发展需求，本项目重点进行了城市大型地下空间暗挖建造与地下水渗流控制关键技术研究，包括：一次扣拱暗挖逆作法建造大型地下结构关键技术研究、浅埋暗挖大直径管幕法地下结构建造技术研究、地下空间建造设计过程中的地下水渗流控制技术研究等，形成了拥有自主知识产权的地下空间开发技术成果和体系，并通过一系列有代表性的城市地下空间工程示范应用，促进了科技成果的转化和应用，有效提升了我国城市地下空间可持续开发能力和建造技术集成化水平。关键词 一次扣拱暗挖逆作法；导洞内条形基础地基承载力；浅埋暗挖大直径管幕；机场跑道沉降控制与监测技术；地下水渗流控制 Research on Key Technology of Underground Excavation Construction and Groundwater Seepage Control of Urban Large-scale Underground SpaceGao Wensheng12,Yang Bin32,Yang Xiu Ren 4(1National Engineering Research Center of Building Technology,Beijing,100013；2.China Academy of Building Research,Beijing,100013；3.State Key Laboratory of Building Safety and Built Environment,Beijing,100013；4.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.,Ltd.,Beijing,100037）Abstract:In view of the problems existing in the development and construction of urban underground space in China,combined with the present situation of underground space construction technology at home and abroad and the demand of urbanization development,this project focuses on the study of the key technology of underground excavation construction and groundwater seepage control in large-scale urban underground space,including the study of key technology of constructing large underground structure by one-time buttress arch subsurface excavation,the study of underground structure construction technology by shallow subsurface excavation with large diameter pipe curtain,the study of groundwater seepage control technology during the construction and design of underground space,etc.,which have developed technological a series of achievements and systems for the underground space development with independent intellectual property rights.The transformation and application of scientific and technological achievements have been promoted through a series of representative demonstration applications of urban underground space projects,which effectively promotes the sustainable development ability of urban underground space and the integration level of construction technology in China.Keywords:method of subsurface excavation of buckled arch,bearing capacity of strip foundation,inside pilot tunnel，large diameter pipe curtain of shallow buried subsurface excavation,control and monitoring technology of airport runway settlement,groundwater seepage control中“城市功能提升与空间节约利用”优先主题的重要研究内容。随着城市地下空间工程大规模的开发建设，以DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.024建设科技 105一 等 奖设计建造示范为技术路线，针对我国城市地下空间建设存在的问题，开展系统的地下空间关键技术研究，对保障城市地下空间建设快速、有序、高质量的发展具有十分迫切和重要的意义。在城市大型地下空间结构设计与建造方面，环境保护、安全风险控制和工期等问题也异常突出，已有暗挖设计与建造技术的应用受到越来越多的局限和挑战。另外，目前地下空间开发中的降水、截水帷幕等地下水控制技术，虽然已积累了很多工程经验，但针对地下水渗流控制技术的研究还较少，理论技术研究落后于工程实践。因此需要在已有的设计施工基础之上，对新型的浅埋暗挖设计和建造技术、以及地下水渗流控制技术开展深入研究，并通过不同建造技术的工程示范和总结，为今后复杂大型地下结构的建造提供技术储备和技术支撑。1 一次扣拱暗挖逆作法建造大型地下结构关键技术研究图 1 一次扣拱暗挖逆作法施工步序示意图一次扣拱暗挖逆作法是在浅埋暗挖分部开挖侧洞法技术的基础上演绎形成的一种新的隧道开挖技术（施工步序如图1所示）。本文通过理论分析、数值模拟、室内模型试验及现场测试等方法，研究了隧道开挖、地层变形和结构力学转换机理，提出了一种新的隧道分离式开挖和桩柱式支护理论，形成了一套完整的一次扣拱暗挖逆作法技术理论体系；首次对导洞内条形基础地基承载力进行了研究，并给出了导洞内条形基础承载能力的设计方法和关键指标；研发并应用了多种型式的暗挖隧道进洞技术，显著提高施工工效；提出了针对大型暗挖地下结构多项施工新技术，包括地质CT技术、超长管棚施工精确定位技术、一种逆作法侧墙接头处的混凝土浇筑方法、一种围护桩与暗挖隧道拱顶和底板结构的槽口式铰接构造、马头门进横洞施工新方法、砂性地层掌子面的稳定性控制技术等，解决了工程技术难题，有效控制了地表沉降，提升了工程施工作业的安全性。一次扣拱法施工地面沉降贡献率相关规律见图2所示。图 2 一次扣拱法施工地面沉降贡献率相关规律示意图 国内外首次开展“一次扣拱暗挖逆作法”模型试验研究（如图3所示），揭示和验证了施工过程中结构体系的变形、受力和因施工引起的地面沉降规律，进一步验证了关键作业环节和对地面沉降的贡献率。图 3 一次扣拱法室内模型试验照片 2 浅埋暗挖大直径管幕法地下结构建造技术研究本项目构建了飞行区不停航跑道下特大断面超浅埋106 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊隧道超长管幕精准顶进及多导洞开挖建造技术体系，首次提出了不停航主跑道下穿越工程道面沉降变形控制标准及分级预警机制，研发并应用了微型盾构机测控智能系统，完成了以抗震理论为基础的隧道长期安全性评价，研发了不停航跑道下飞机跑道远距离自动化实时沉降监测技术和基于数字视频的隧道收敛变形监测系统，研发了飞机动载作用下隧道施工的动力响应分析技术，提出了利用上排管幕内向跑道下填充注浆控制跑道沉降技术。在示范工程中利用该技术首次实现了232m管幕微扰动、超长距离的精准顶进施工（如图4所示）。图 4 超长管幕高精、低阻、微沉顶进施工技术 本项目建立了成套的飞机跑道远距离自动化监测系统（见图5所示），监测项目包括地面沉降、地层变形、结构变形等技术和方法，对道面实时监测，及时掌握沉降数据，为道面沉降控制提供有力数据支撑。采用由上层管幕预留的未填充混凝土的钢管内钻孔向道面下土体进行稳压式注浆（如图6所示），避免了传统脉冲式压力注浆由于压力过大而引起地面隆起的缺点，保证跑道在实时监测条件下进行微量填充和顶升，使道面沉降始终控制在10mm以内，确保了飞机跑道的正常运营。图5 跑道外自动监测塔 图6 上排管幕内向抬升注浆 本项目研发了针对特大断面超浅埋隧道的成套管幕预支护与多导洞开挖技术，包括平顶直墙隧道周边管幕设置技术、开挖及支护技术、施工注浆技术和衬砌施工拆除中隔壁时增设顶支技术，顺利完成了机场跑道路段的施工（如图7所示），满足了跑道不停航、跑道总沉降控制在30mm以内和1平整度的要求。图 7 管幕保护下十导洞法暗挖施工 3 地下空间建造设计的地下水渗流控制技术研究课题研发了地下空间开发的渗流场分析、地面沉降计算、渗透破坏控制等问题的方法和技术；提出了一定条件下基坑地下水渗流控制的设计计算方法；根据土中渗流的初始水力作用机理，结合测得的土中渗流初始水力梯度，提出了一种基坑降水引起地面沉降的计算方法。图 8 自主研制的基坑渗流模型箱示意图 通过自主研制的基坑渗流模型箱(如图8所示)进行了两种类型的模型试验，采用编写的软件程序对基坑地下水渗流场模型进行分析计算(如图9所示)，得出最终稳定状态时的渗流场，通过模型实验，验证所提计算程序的适用性。图 9 研发的计算软件的运行界面 为解决降水引起地面沉降的理论分析问题，采用（下转109页）建设科技 109二 等 奖运行策略与动态需求不匹配的问题，建立了耦合随机运行的建筑群短期负荷精准预测方法。针对管网流量的监测难度大、监测成本高的问题，研发了实时流量数据采集技术。针对无法实现基于供需实时匹配的综合能源系统协同精准调控问题，建立了综合能源系统“源-网-用”协同精准调控系列模型及“分散控制、集中管理”的综合能源调度系统平台，实现了实时优化调度（见图3）。图3 基于供需实时匹配的综合能源精准调控系列模型与系统4 示范项目集成应用项目成果在华北、华东、西北、华中、华南等地区17个城市的22个能源系统优化设计及运行项目中得到成功应用，包括上海大厦、大兴机场等国家重大工程、以及北方供暖、医院、高校等重要民生工程。应用项目建筑面积约514.04万平方米、供热面积 7790万平方米、园区占地面积224.2平方公里。同时，项目成果支撑了7项行业标准和4项地方政策的编制，有效推动了低碳综合能源系统的标准化发展。项目研发的综合能源系统快速设计软件和精准管控系统，促进了行业产品的优化升级。完成单位近三年取得项目利润1.11亿元；应用工程中通过系统优化设计减少投资和设计人力成本，节支8003万元；运营项目投入使用以来（2015年至今），运行费用节省1.1亿元；共计经济效益3.01亿元。上述成果有效促进了规划设计、综合能源服务行业的创新发展，取得了显著的经济和社会效益。基于供需精准匹配的综合能源系统优化设计及运行技术体系将积极推动公共建筑能耗提升示范城市、低碳/零碳园区建设等国家重点工作，为“碳达峰、碳中和”的国家战略提供有效技术方案。（上接106页）GDS高级固结仪完成了共20组试验，研究了不同粘性土在不同固结压力下考虑初始水力梯度的孔压消散规律和渗透规律，证明了粘性土中存在初始水力坡度，得到了初始水力坡度值与土性、孔压及有效压力的关系。根据土中渗流的初始水力机理，结合试验测得土中渗流的初始水力梯度，提出了一种基坑降水引起地层变形和地面沉降的计算方法。4 示范项目“一次扣拱暗挖逆作法”以北京地铁14号线大望路车站和长春地铁1号线解放大路车站项目作为示范工程。其中北京地铁14号线大望路车站为地下双层三跨岛式站台，车站总长215.5米，结构总宽24.7m，总高16.57m，覆土9.049m；长春地铁1号线解放大路车站也为地下双层三跨岛式站台，全长235.6米，宽23.4米，覆土8-9米。两项工程已顺利完工交付，经济、社会和环境效益显著，起到了示范作用。“浅埋暗挖大直径管幕法”以北京首都机场T3E-T2旅客捷运联络线及汽车通道为示范工程，该项目是我国第一座横穿中央主跑道的超浅埋隧道，利用浅埋暗挖大直径管幕法地下结构建造技术在跑道不停航的前提下进行施工，管幕长度232米，暗挖断面为宽23.9米 高9.1米，最大埋深5.6米，该工程已顺利完工,且满足了跑道不停航、跑道总沉降控制在30mm以内和1平整度的要求。地下水渗流控制的设计计算方法成功应用于云南安宁新城雅樾基坑工程、盘龙区金刀营城中村改造项目A4地块基坑支护工程等多个项目。安宁新城雅樾项目基坑深度约20m，止水方式采用悬挂式止水帷幕，取得了较好的技术、经济效果。项目成果形成了具有自主创新特色的城市地下空间开发技术，有效提升了我国地下空间可持续开发能力和建造技术集成化水平，并在一系列工程中得到成功应用，取得了显著的社会效益。CC