為城市敏感區(qū)地下空間開發(fā)利用提供技術(shù)保障

文/中鐵十四局集團(tuán)有限公司

獲獎(jiǎng)等級(jí)：一等獎(jiǎng)

項(xiàng)目名稱：城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化建造關(guān)鍵技術(shù)與裝備

山西省太原市迎澤大街下穿火車站通道建設(shè)工程是迎澤大街東延項(xiàng)目的控制性工程，也是太原市向東拓展的主通道之一。該項(xiàng)目的主要工程為兩座車行通道，通道總長(zhǎng)度為463米，其中管幕段總長(zhǎng)為210.1米（北側(cè)車行通道管幕段長(zhǎng)102.5米，南側(cè)車行通道管幕段長(zhǎng)107.6米），為國(guó)內(nèi)首例采用管幕結(jié)構(gòu)下穿特等火車站的工程。

作為百年老站，太原火車站屬于特等火車站，聯(lián)接石太客運(yùn)專線、大西高速線、南北同蒲鐵路、石太鐵路等，每天有140多次列車經(jīng)此發(fā)往全國(guó)各地。在施工期間，為不影響太原火車站的正常運(yùn)營(yíng)，以中鐵十四局集團(tuán)有限公司作為總體牽頭單位，聯(lián)合高等院校、科研單位、設(shè)計(jì)院等多家單位共同開展了科技攻關(guān)，并最終成功完成了“城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化建造關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項(xiàng)目。

新需求帶來新挑戰(zhàn)

我國(guó)城市地下空間開發(fā)與利用需求旺盛，地下空間建設(shè)逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、大空間、高品質(zhì)方向發(fā)展，對(duì)建設(shè)理念、結(jié)構(gòu)型式、建造技術(shù)等提出了更高的要求。但隨著跨度增加、覆土厚度減小，地下空間的沉降控制難度也在急劇提升，特別是敏感區(qū)淺埋地下大空間建設(shè)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)加大，成為工程建設(shè)的技術(shù)難題，處理不當(dāng)將對(duì)城市公共安全造成極大威脅。

受太原火車站地理位置影響，太原市迎澤大街無法實(shí)現(xiàn)東西貫通，影響了太原市發(fā)展格局，亟需修建下穿火車站通道工程，且沉降要求需控制在10毫米以內(nèi)。傳統(tǒng)淺埋暗挖法采取超前加固、分部開挖、加強(qiáng)支護(hù)、適時(shí)襯砌等控制變形，可達(dá)到沉降厘米級(jí)控制水平，但是對(duì)于類似下穿太原火車站等城市敏感區(qū)地下大空間建設(shè)工程，要求沉降控制在毫米級(jí)，傳統(tǒng)的淺埋暗挖法難以實(shí)現(xiàn)。為此，迎澤大街下穿火車站通道工程的建設(shè)者們提出了“管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化→開挖”建造新方法。

管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化安全建造新方法的基本思路為化大為小，通過小直徑管群實(shí)現(xiàn)大空間施工的地層微擾動(dòng)；通過大剛度一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微變形；在大剛度管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行土體開挖，施工風(fēng)險(xiǎn)極低。但是管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化建造尚存在結(jié)構(gòu)體系不完善、受力轉(zhuǎn)換機(jī)理不清楚、變形控制技術(shù)不成熟、施工機(jī)械化程度不高等問題。

鑒于此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依托太原市迎澤大街下穿火車站通道工程，針對(duì)管幕預(yù)筑一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工變形控制及施工裝備三大核心技術(shù)難題，創(chuàng)新建造理念，構(gòu)建管幕預(yù)筑一體化新型結(jié)構(gòu)體系，探究承載機(jī)理，揭示單管頂進(jìn)微變形、群管頂進(jìn)變形疊加、鋼管切割焊接變形累積等施工全過程變形動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，以及淺埋下穿敏感區(qū)“毫米級(jí)”的沉降控制機(jī)理，研發(fā)施工關(guān)鍵技術(shù)，研制智能化切割、焊接裝備，創(chuàng)建了城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化安全建造新方法和技術(shù)體系。

← 城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化建造工程項(xiàng)目總體思路

新技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破

為解決淺埋暗挖法不能實(shí)現(xiàn)城市敏感區(qū)“毫米級(jí)”的沉降控制要求，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)鐵建科研計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依托太原市迎澤大街下穿火車站通道工程，以“產(chǎn)-學(xué)-研-用”聯(lián)合攻關(guān)的模式，圍繞城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、變形控制、智能裝備等方面開展了系統(tǒng)研究，攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題，并形成了三大創(chuàng)新成果。

創(chuàng)新點(diǎn)一：提出了城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化安全建造新方法

該項(xiàng)建造新方法提出了以結(jié)構(gòu)方式解決巖土問題的理念：化大為小，通過小直徑管群實(shí)現(xiàn)大空間施工的地層微擾動(dòng)；通過大剛度一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微變形；在大剛度管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行土體開挖，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目提出了“管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化→開挖”建造新方法，顛覆了傳統(tǒng)的“超前支護(hù)→開挖→支護(hù)→襯砌”建造思路；揭示了單管頂進(jìn)微變形、群管頂進(jìn)變形疊加、鋼管切割焊接變形累積等施工全過程變形動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，以及淺埋下穿敏感區(qū)“毫米級(jí)”的沉降控制機(jī)理。

← 組圖：頂管掌子面土壓平衡原理

← 組圖：管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化施工方法

創(chuàng)新點(diǎn)二：創(chuàng)建了城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化安全建造技術(shù)體系

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)了頂拱、底拱長(zhǎng)距離鎖扣式連續(xù)管棚帷幕加固止水技術(shù)；研發(fā)了高精度始發(fā)臺(tái)架、洞口保壓、激光導(dǎo)向、泥漿減阻群管精準(zhǔn)頂進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軸線偏差18毫米、高程偏差19毫米；研發(fā)了小型機(jī)械管內(nèi)徑向旋噴加固管間土體技術(shù)；提出了“環(huán)向分層、縱向分段、先下后上、間隔切割”的管內(nèi)切割、焊接、混凝土澆筑次序及各工序變形控制技術(shù)；研發(fā)了基于靜力水準(zhǔn)儀與MCU-32分布式模塊化自動(dòng)測(cè)量單元的綜合智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)，開發(fā)了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；提出了分階段沉降控制指標(biāo)，即群管頂進(jìn)、管內(nèi)作業(yè)、土體開挖三階段變形占比分別為59%、35%、6%；實(shí)現(xiàn)地表沉降最大累計(jì)值9.7毫米。

此外，依托該項(xiàng)技術(shù)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還編制了《管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，形成了《軟土地層小直徑管幕微擾動(dòng)頂進(jìn)施工工法》《管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化頂管施工工法》《管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化管間切割加固施工工法》《管幕支護(hù)結(jié)構(gòu)一體化鋼管內(nèi)鋼筋混凝土施工工法》，構(gòu)建了城市敏感區(qū)地下大空間管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化安全建造技術(shù)體系。

創(chuàng)新點(diǎn)三：研制了鋼管內(nèi)新型智能化快速切割、焊接裝備

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)了交互式圖像取點(diǎn)、線激光選位的切割與焊接軌跡自動(dòng)生成技術(shù)，創(chuàng)建了切割、焊接工藝參數(shù)大數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)明了智能行走控制系統(tǒng)、切割和焊接操作系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，研制了AGV智能小車承載的可視化三維成像焊接及切割機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)管道遠(yuǎn)程控制、狹小三維空間高精度巡線自動(dòng)切割（切割速度達(dá)到每分鐘1.89米）、焊接（焊接速度達(dá)到每分鐘1.54米），綜合工效提高8倍，實(shí)現(xiàn)了無人化作業(yè)，焊接質(zhì)量合格率達(dá)到100%，確保了施工安全。

←組圖：管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

←組圖：靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

新成果帶來新市場(chǎng)

目前，該項(xiàng)目的研究成果已成功應(yīng)用于太原市迎澤大街下穿火車站通道工程、山東省濟(jì)南市市中區(qū)DMT項(xiàng)目配套工程、川藏線康定2號(hào)隧道工程等多個(gè)項(xiàng)目。

其中，采用長(zhǎng)距離連續(xù)大管棚超前預(yù)支護(hù)、鋼管精準(zhǔn)頂進(jìn)及掌子面障礙物處理、管間土體加固、管內(nèi)切割焊接、管內(nèi)混凝土施工等關(guān)鍵技術(shù)，保障了太原市迎澤大街下穿火車站通道工程建設(shè)質(zhì)量和施工安全，提高了施工效率，直接經(jīng)濟(jì)效益4130萬(wàn)元，確保了太原火車站每天140余對(duì)列車的正常運(yùn)營(yíng)，社會(huì)效益不可估量。

精準(zhǔn)頂進(jìn)技術(shù)已成功應(yīng)用于濟(jì)南市市中區(qū)DMT項(xiàng)目配套工程中，保證了頂管順利施工，未影響地面交通；實(shí)現(xiàn)了地表沉降的有效控制，確保了地面構(gòu)筑物的穩(wěn)定；優(yōu)化取消了施工降水，有效保護(hù)了“泉城”地下水環(huán)境；確保了施工質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2000萬(wàn)元。

應(yīng)用于川藏線康定2號(hào)隧道工程中的智能焊接裝備，明顯提高了施工效率，并計(jì)劃在川藏鐵路全線推廣應(yīng)用。

← 敞開式頂管機(jī)實(shí)物圖

← 掘進(jìn)過程障礙物的現(xiàn)場(chǎng)情況

推廣過程中形成的顯著成果

確保了敏感區(qū)既有建構(gòu)筑物的安全營(yíng)運(yùn)研究成果的最大沉降9.7毫米，保證了既有結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，確保了每天140余對(duì)列車的安全正常運(yùn)營(yíng)。

引領(lǐng)了行業(yè)科技進(jìn)步研究成果為城市敏感區(qū)地下大空間安全建造提供了一整套解決方案，拓寬了淺埋暗挖法的適用范圍，推動(dòng)了淺埋暗挖施工技術(shù)的進(jìn)步和革新。

促進(jìn)了地下空間資源的釋放管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化安全建造新方法實(shí)現(xiàn)了最小凈距1.2米的下穿，放寬了既有設(shè)施對(duì)地下工程規(guī)劃的約束條件，促進(jìn)了地下空間資源的釋放。

提升了綠色智能建造水平研發(fā)的鋼管內(nèi)智能化快速切割、焊接機(jī)器人，提升了施工機(jī)械化水平，實(shí)現(xiàn)了鋼管內(nèi)切割、焊接工序無人化作業(yè)，提升了綠色智能建造水平，推動(dòng)了上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

推動(dòng)了地下空間設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化編制的《管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，規(guī)范了管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為其安全可靠、功能合理、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)等提供了遵循，助力城市敏感區(qū)地下大空間建造。

培養(yǎng)了專業(yè)技術(shù)人才項(xiàng)目研究過程中，培養(yǎng)了設(shè)計(jì)、施工、研發(fā)、裝備制造等專業(yè)技術(shù)人才及工匠60余名，打造了管幕預(yù)筑結(jié)構(gòu)一體化建造專業(yè)團(tuán)隊(duì)，對(duì)該專業(yè)人才培養(yǎng)做出了突出貢獻(xiàn)。