城市地下空间工程施工特点及面临的机遇与挑战

冯鸿宽

(辽宁有色勘察研究院, 辽宁沈阳 110013)

城市地下空间工程施工特点及面临的机遇与挑战

冯鸿宽

(辽宁有色勘察研究院, 辽宁沈阳 110013)

随着社会经济发展，我国城市正在进行大规模地下空间建设(如地铁、地下管廊、地下商场、地下车库、人防地下室和地下蓄水池等)。城市地下空间的利用也必将由现在的浅层空间向中浅层空间(地面以下30m)发展。我国在深度较大的城市地下空间开发涉及的地下工程建设的复杂理论和关键技术还缺乏深入、系统的研究。为此，进行超深复杂地下工程的综合技术研究成为必然，其研究成果对今后中浅层空间地下工程的设计、施工必将起到重要指导作用。由于地下空间工程的复杂性和特殊性，给岩土工程师带来极大挑战，岩土工程师不仅要知识丰富，掌握地下空间工程施工的多种技术，还要在工程实践中不断创新探索新方法、新技术，使地下空间工程的勘察、设计、施工更科学、安全、节省成本和缩短工期。

岩土工程师； 地下空间； 深基坑； 支护体系

进人20世纪20年代以来，世界各国城市化进程加快，城市用地紧张，基础设施落后，环境恶化等问题日渐突出。为了解决这些问题，世界上一些发达国家就开始大规模利用地下空间，开发利用较早的是欧美和日本。其中欧洲国家对地下空间开发利用较好，广泛修建过街通道、地铁、商场、仓库和地下综合服务区等。进入21世纪后，随着我国城市化进程的加快以及经济的迅猛发展，大城市的交通、环境以及文物保护问题日益突出。为了满足城市功能的需要，我国的城市地下空间开发利用工程建设已逐渐进入高潮。世界发达国家的发展经历表明，人均GDP在3 000～10 000美元是城市地下工程快速发展的阶段。可以预见，在今后数十年内我国将处于城市地下工程建设的高潮，成为地下空间开发利用的大国。随着社会经济发展，我国城市正在进行大规模地下空间建设(如地铁、地下管廊、地下商场、地下车库、人防地下室和地下蓄水池等)。城市地下空间的利用也必将由现在的浅层空间向中浅层空间(地面以下30m)发展。我国在深度较大的城市地下空间开发涉及的地下工程建设的复杂理论和关键技术还缺乏深入、系统的研究。为此，进行超深复杂地下工程的综合技术研究成为必然，其研究成果对今后中浅层空间地下工程的设计、施工必将起到重要指导作用。

1 城市地下空间工程及施工特点

城市地下工程是一个复杂的系统工程，涉及多个学科的交叉。其工程特点表现为地下工程理论在软弱地层和极复杂环境下的应用，因此包含了地下工程经验性的特点，而且又遇到软土地层施工影响大以及复杂环境控制要求高的制约因素。由于城市地下工程所处地质环境的复杂性和不确定性、地面及地下建(构)筑物密布并且工程活动频繁，使得城市地下工程建设中存在着很大的安全风险。如在勘察阶段，规模和基坑深度的不断加大，在水位埋藏浅、多个透水土层和弱透水土层交互成层的复杂水文地质条件以及环境效应问题日益复杂的情况下，基坑工程开挖势必引起周围环境发生变化，导致周围地基土体的变形，对周围建(构)筑物和地下管线产生影响，严重的甚至会危机其正常使用或安全。同时在施工中，施工工艺以及施工组织是否合理对支护体系是否成功具有重要作用。不合理或不恰当的施工步骤可能导致钻探结构变位、过大变形，甚至引起支护体系整体失稳而导致破坏。因此，随着基坑工程向着大深度、大面积发展，对深基坑开挖设计理论和施工等均提出了更高的要求，要求必须不断改进设计计算理论，提高设计水平，改善施工工艺。

根据地下工程的特殊性，地下工程的施工作业和地面工程的施工作业具有一定的差异。主要表现在施工环境条件差、施工工艺复杂、施工监测全面、施工危险性大，可以从4个方面来把握。

1.1 基本作业

地下工程基本作业=开挖+支护+内衬砌。(1)开挖方法选择的考虑因素；(2)地下工程开挖方法；(3)隧道开挖方法；(4)支护与内衬砌技术。

为确保地下工程开挖的安全，必须对其进行支护。一般分临时支护与永久支护两大类，形式上有木支撑、格栅支架、钢支架、锚杆、喷射混凝土及其组合。内衬砌技术，一般有现浇混凝土与预制混凝土两大类。

1.2 辅助作业

地下工程辅助作业是配合基本作业的必须环节。一般包括风、水、电的设计、安装与供给，施工场地的规划与布置，出渣运输计划与设备配置等。

1.3 环境监控

主要研究解决施工过程中的安全问题及其对周围环境的影响。如洞室开挖位移过大引起塌方，支护结构位移太大引起结构失稳与倾斜，地表沉陷过大对地面建筑或设施造成破坏甚至倒塌事故、地下水控制等。

主要技术手段是量测监控，发现异常情况应及时通报，并采取相应的加固措施(辅助施工手段)更改施工方案。

1.4 施工管理

科学施工组织与管理是保障安全施工和高质量完成建设目标的前提。主要途径有：编制科学合理的施工组织设计；加强施工现场的监督与指导；充分协助现场施工管理部门与监理机构的关系；搞好施工过程的“四大控制”，即质量控制、进度控制、成本控制及安全控制，使四大控制点相互约束相互协调，以期达到工程施工在保证安全的前提下，高质量、低成本、最短的工期内完成。

2 地下工程主要施工技术

我国在地下工程施工技术与方法上取得了较大发展，先后采用了明挖法、逆作法、暗挖法、沉井法、盾构法、顶管法、沉管法等施工技术方法。

2.1 明挖法

明挖法也称基坑开挖技术，优点是具有施工简单、快捷、经济、安全的优点，其缺点是对周围环境的影响较大。明挖法适用于地面开阔和地下地质条件较好的情况。明挖法主要运用于工程实践中所出现的大量的深基坑工程，并形成了种类齐全的多种基坑围护开挖技术。

2.2 逆作法

逆作法是以地下结构本身作为挡墙，同时又作支撑体系，从上往下分步依次开挖和构筑地下结构体系的施工方法。因为它与传统的先支档后开挖的顺序施工方法呈反向作业，故称为逆作法。逆作法的原理是以结构本体(楼盖体系)作为支撑，其刚度相当大，也减少了支护结构整体变形，显示了明显的优点。逆作法需先设置临时立柱及立柱桩，要增加一些费用，且在混凝土浇筑的各个阶段都分先浇和后浇工序，其交接处对施工带来不便。

2.3 暗挖法

暗挖法施工技术是在地表下面进行施工，优点是对人们生活无干扰，但技术要求和造价较高。主要有新奥法、浅埋暗挖法、管幕法3种工法。

(1)新奥法。所谓新奥法，即“新奥地利隧道施工法”(国际上简称为NATM),是一种在岩质、土砂质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支撑环结构为目的的隧道设计施工方法。

(2)浅埋暗挖法。浅埋暗挖法是以加固和处理软弱地层为前提，采用足够刚性复合衬砌(由初期支护和二次衬砌及中间防水层所组成)为基本支护结构的一种用于软土地层近地表修建各种类型地下洞室的暗挖施工方法。

(3)管幕法。管幕法是以单管顶进为基础，各单管间依靠锁口在钢管侧面相接形成管排，并在锁口间注浆，形成密封的止水管幕，然后对管幕内的土体进行加固处理，最后边内部开挖边支撑，直到管幕段贯通再浇筑结构体。

2.4 沉井法

沉井法又称沉箱凿井法，是适用于不稳定含水地层中建造竖井的一种特殊施工方法。在不稳定含水地层掘进竖井时，在设计的井筒位置上预先制作一段井筒，井筒下端有刃脚，借井筒自重或略施外力使之下沉，将井筒内的岩石挖掘出的施工方法。

2.5 盾构法

盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进，并在机内拼装管片形成衬砌实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构的适用范围很广，掘进隧道允许在纵长的地下结构以下施工，覆盖层浅，在不稳地层和含地下水的地层都不会引起地表断裂或较大的沉陷。它可以用于很松散的土质或高压强的地层中，如在软塑性的或流动的地层，在暂时稳定的地层中也实现了有效的应用，起到了顶部保护作用，因而盾构法有着很广阔的应用范围和前景。

2.6 顶管法

顶管法是采用液压千斤顶或是具有顶进、牵引功能设备，以顶管工作井作承压壁，在地层土体开挖的同时，将预制好的地下管道(或隧道)一起沿着设计路线分节向前推进，直达目的地。它是隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。

2.7 沉管法

沉管法也称预制管段沉放法，即在船坞内预支钢筋混凝土结构，然后放水浮运，沉埋到设计位置，建成水下工程。这种方法容易保证隧道施工质量，工程造价较低，在隧道现场的施工工期短，操作条件好，施工安全，适用水深范围较大，断面形状、大小可自由选择，断面空间可充分利用，但缺点在于技术要求高。

3 岩土工程师面临的机遇与挑战

随着国内城市化进程的快速推进，土地资源的迅速减少给人们的生活带来的一系列问题，而城市地下空间的开发有利于缓解城市交通问题，提高城市的综合防灾能力，改善城市地面环境，因此合理开发利用城市地下空间已成为必然趋势。这也为岩土工程师带来极大的机遇。

同时，由于地下空间工程的复杂性和特殊性，地下工程是规划、勘察设计、施工、管理、维修的综合性应用科学技术，是土木建筑工程是一个分支。地下工程的规划、设计与施工需要运用工程测量、岩土力学、工程力学、工程设计、建筑材料、建筑结构、建筑设备、工程机械、技术经济及管理科学等学科门类，也需计算机应用及工程测试方面是技术知识。因此地下工程是一门涉及广泛的综合性学科。

由于受地质、水文条件的影响及作业空间与环境的限制，地下工程施工与地面工程施工相比，前者复杂多变、工程难度大、成本高、工期长，在特殊的地质与水文地质条件下显现的更为突出。

以上因素给岩土工程师带来极大挑战。岩土工程师不仅要知识丰富，掌握地下空间工程施工的多种技术，还要在工程实践中不断创新探索新方法、新技术，使地下空间工程的勘察、设计、施工更科学、安全、节省成本和缩短工期。

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[定稿日期]2016-08-30

[作者信息]冯鸿宽(1963～)， 男， 本科， 高级工程师。