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地下工程静力挤入技术浅析


    地下工程静力挤入技术浅析

    1.国内外地下空间施工技术发展概述
由于地质的复杂和施工变异性,特别是在密集既有建筑物地下开发大空间一直存在安全高风险、技术高难度、造价高投资的“三高”属性,因此地下工程施工技术(又称方法)至今仍主要以明挖法(盖挖法)和暗挖法两大类为主导。明挖法主要包括敞口明挖法和基坑支护开挖法(盖挖逆作法)。暗挖法主要有盾构法和新奥法、浅埋暗挖法。
20世纪70年代,国外新奥法开始应用于浅层地下工程中,至70年代末期80年代初,已基本形成完整的技术体系。德国是利用新奥法技术于地下工程最多的国家。美国、法国、意大利、韩国、香港等地都有新奥法成功应用案例。1984年,我国将新奥法原理应用于浅埋暗挖法并在大秦线军都山铁路隧道进口黄土段研究实验获得成功之后,又在北京复兴门地铁站折返线及西单车站、长安街地下通道等众多地下工程中成功应用,同时还配套发展了一系列辅助工法如“注浆固结法”、“冷冻法”、“管棚超前支护法”、“锚喷法”等配合实施之,形成了一套完整的综合配套技术。

    2.我国地下空间施工技术存在的不足
    近年来,国内开发出的多种新的地下空间施工技术与设备,尽管通过大量工程检验是比较成熟的,但由于没有从根本上跳出传统的时空效应法,市场应用空间受到限制。特别是我国临海区域除个别城市外,以第四纪地质结构为主的砂土层(软土)饱和水居多,地质条件复杂,前述现有地下工程技术应用于既有建筑地下空间大规模开发,仍存在风险元素较多、工期趋长、技术复杂、造价昂贵的弊端。
现有地下空间施工技术的复杂和费用高昂主要体现在被动支护方面:需要先开挖出一定空间,利用岩土自拱能力来设计支护方式和掌握时机(复杂地质加以辅助工法配合完成)。我们将此类施工方法统称为时空效应式施工法。正常情况下,理论计算的岩土时空效应是可靠的,但地质的复杂多变、资料的局限性、周边突发事件的偶合性、施工过程中的岩土指标变异性,均可能成为地下工程事故的风险源;同时,靠支护结构被动抵抗岩土复杂压应力客观上也存在诸多目前我们尚不能完全掌控的因素。因此,现有地下工程施工技术“三高”的弊端尚无法完全避免。
我国人均土地资源世界排名110位以后,大力开发地下空间特别是既有建筑地下空间已是不可逆转的建设发展方向,但克服高风险、高难度、高造价的“三高”属性,化解制约临海区域地下空间规模性和商业化开发的技术瓶颈,则需要深入的研究和进一步的创新。

3.地下工程静力挤入技术
    地下空间开发技术及工艺的创新,是当前社会和经济发展的迫切需要。静力挤入技术(国家住建部科技计划立项编号:2013-K3-26)简单说就是利用我们发明的特制设备将托换结构或地下连续墙或前端为整体式的梯形楔块作为导入体的预应力大空间,采用不开挖式挤入至预定土层中。原状土属于三维约束状态,一旦打开任意一面,均会造成一定范围内土体应力松弛,松弛的结果会产生物理量变——土体变形移位,这是地下工程施工过程中最不希望出现而又不得不面对的现象。如果这时能及时提供一种与松弛应力方向相对而力基本平衡的抵抗应力,会产生什么结果呢?经初步试验表明,有适度锥形或梯形的几何体型挤入土体时,对土体产生的挤压应力与周边土体松弛应力方向相反,一定条件下挤压应力与松弛应力基本相等。将其引用于抵抗或大部对冲松弛应力,对减少因松弛应力造成的土体变形具有积极意义。根据小模型试验得到,同等软土条件下减少总沉降量S约70%。本研究突破了传统地下空间开发技术的机理,从理论上讲可以达到基本取消前期土体开挖、拱棚支护、挂网锚喷支护、小管超前支护、模筑支护等主要用于安全防范的支护措施,避免了因开挖造成土体损失或难以预测的潜在流砂、管涌以及施工异变等问题而导致关联地基变形移位的风险发生,并使造价大幅度降低,施工更为方便快捷。

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