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地下工程静力挤入技术探讨


欧阳牧虎,欧阳甘霖,崔浩

青岛静力工程股份有限公司

山东青岛 266071

﹝摘要﹞地下工程浅埋暗挖技术是利用国外新奥法原理创造式发展起来的一种比较成熟的时空效应式施工法。但此方法对于临海区域饱和软土等复杂地质条件下的既有建筑地下空间开发而言,仍存在风险元素较多、工期趋长、造价偏贵的弊端。 采用适度锥形或梯形的大型几何体(内空) 挤入土体时, 会对周边一定范围的土体产生一种与周边土体松弛应力方向相反的挤压应力。实验证明, 一定条件下的挤压应力与松弛应力基本相等,如果将挤压应力引用抵抗或大部对冲松弛应力,将对减少土层位移导致的地面沉降具有非常积极的意义。

﹝关键词﹞地下工程 浅埋暗挖法 新奥法 静力挤入法 开发应用

1.国内外地下工程技术应用发展状况

目前,地下工程施工方法主要有明挖法(盖挖法) 和暗挖法两大类。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浅埋暗挖法﹝1﹞。 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﹝2﹞。之后,又成功应用于在北京复兴门地铁站折返线以及西单车站、长安街地下通道等众多地下工程中, 同时还配套发展一系列辅助工法如“注浆固结法”,“冷冻法”、“管棚超前支护法”、“锚喷法”等等配合实施之,形成了一套完整的综合配套技术 。

近年来,国内开发出多种新的地下空间施工技术与设备, 由于没有从根本上跳出传统机理范围,市场空间受到约束。 特别我国的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。 尽管前述施工技术,通过大量工程检验是比较成熟的。但对于临海区域复杂地质条件下的既有建筑地下空间开发而言,仍存在风险元素较多、工期趋长、造价昂贵的弊端。 对于人均土地资源世界排名 110 位以后的我国现状, 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。但如何克服高风险、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。

1.1、 现有地下工程技术的复杂和费用高昂主要体现在必须被动支护方面: 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开(暗) 挖施工法。理论计算的岩土时空效应,正常情况下还是可靠的。但由于地质的复杂多变,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, 又成为地下工程事故的主要风险源。 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。于是, 现有地下工程施工技术“三高” 的弊端尚无法完全避免。

1.2、时空效应式地下工程施工法,使地面沉降始终贯穿整个施工过程。 其变化规律如下﹝3﹞:

1.2.1 微小变形阶段。当掌子面开挖到与测点间距离 1~1.5 倍洞径地方时,开挖使地面产生一定范围的沉降。此段沉降量 S1 占总沉降量 S 的 15%~20%。

1.2.2 变形急剧增加阶段。开挖面与测点间距离等于 1 倍洞泾,至开挖面越过测点,与测点距离等于 3 倍洞径范围内,地面变形速率增大,该段沉降量 S2 约占总沉降量 S 的 50%~60%。

1.2.3 变形缓慢阶段.当开挖面越过测点与测点距离等于 3~5 倍洞泾时,变形速率变缓,该段沉降量 S3 约占总沉降量 S 的 15~20%。

1.2.4 变形基本稳定阶段当开挖面越过测点与测点距离大于 5 倍洞径后,沉降增长缓慢,沉降曲线趋于平缓,该段沉降量 S4 约占总沉降量 S 的 5-10%。软土中隧道上方地面变形常常是较长期的,如果地层具有明显的黏塑性,则该段时间 T4 会更长,通常该阶段历时达半年以上;但若处在饱和黏土中或地下水, T4 可长达一年以上, S4 也可能占到 20%。

2、地下工程静力挤入技术

2.1、 静力挤入技术原理。 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——土体变形位移,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%, 见对比表 1。

静力挤入法与传统工法沉降对比表 

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2.2、 静力挤入方法。 简单说就是利用一种专用液压顶推装置对需要埋入预定土层的构件施加一种水平顶推力(称之为静力), 这个力一般>20000KN, 可以将长×宽×厚=4000mm×8000mm×1500mm 的整体式预应力中空构件, 顺利挤入预定土层目标。 这种施工方法有如下不可比拟的优势:

1)除开挖进出竖井外,水平方向空间不需要开挖,靠顶推力将单元构件逐个挤入,并将单元构件之间采取防水套接方式连接成符合设计要求的预定空间。挤入过程中构件外围基本不存在土体损失。

2)挤入应力与松弛应力基本平衡, 可有效削减地面变形的发生。

3)取消大部分主要用于安全防护的各种支撑(固结) 措施, 有利于节省大量施工辅助费用。

3、 静力挤入技术若干问题的探讨

3.1 挤入锥度或梯形。 如何更好地做到既减少阻力又能产生足够法向应力籍以抵抗土体的松弛应力。

3.2 挤入构件与土体接触面积大小、运动速度快慢、土体物理力学指标的各异、超孔隙水压力等而产生不同的侧摩阻力和前端阻力,称为挤入总阻力 P。 P 值直接影响挤入距离L(包括面积) 的大小。 如何在条件许可范围让 P 值适宜, L 值最大?

3.3 挤入运行中,黏性土极易粘附构件外侧壁、顶部并附随行进而形成土体小量损失,这种损失同样使构件侧壁特别是顶部产生一定空隙, 此空隙将造成地面变形, 在覆盖层较薄的洞口上方一定范围内, 地面有可能产生较大沉降。必须有防止顶进过程中结构外侧壁不粘附可以造成空隙的土体的技术。

3.4 挤入装置的反力 Pi的设置也是影响 L 值得重要因素。任何土层,提供的 Pi值不可能无限大。而地下工程诸如地下共同管沟、地下汽车通道、大型建筑等都有大空间要求, 增加竖井又受到环境制约的前提下。这就需要挤入装置有足够大的顶推力 F 而且必须满足如下条件: Pi≥F。但挤入装置提高顶推力比较容易, Pi 值增加受到土体承载力的限制。 要使挤入的构件空间尽量大、 距离尽量长, 除增加推力和反力外,必须配套减少构件摩阻的有效技术。

3.5 在肉眼不能直接观察的地下挤入构件,存在精确导向问题。 该制导装置能施时有效地纠正偏离现象,防止累积偏差造成的矢准。

3.6 在饱和水中施工, 挤入技术不需要采用大面积降水, 但如何防止超孔隙水压力对施工的影响和扰动后产生的固结引起地面沉降的后效应问题也是亟需解决的关键技术。

4、 静力挤入技术应用前景

4.1 我国城市现有地下管道相互交叉影响、相互侵蚀,城市路面像拉链一样今日被挖开明日被填补后天又被挖开…。资源的严重浪费,市容的人为破坏,安全隐患令人担忧的现状,迫使修建城市地下共同管沟已经提升到关乎民生的重要程度。

挤入技术可以在不开挖前提下, 应用于城市地下共同管沟的施工,即将符合设计要求尺寸的预应力混凝土单体构件逐个挤入,将构件段之间采用防水措施相互套接起来就形成具有足够空间和长度的永久性共同管沟。 在预应力混凝土构件空间内壁设置有预埋件,不同管道可以方便安装其上。 加之造价适宜,有将成为城市地下管沟施工的首选技术。

4.2 该技术用于城市地下汽车通道,可减少市区高架桥的设置,避免城市空间环境拥挤,缓解市区行车难问题。

4.3 用于城市地下商业的开发,可以扩大市区商业中心面积,促进市场繁荣和就业。

4.4 用于地下多层公墓群, 有效缓解死人与活人争地的尴尬。

总之,由于完善后的静力挤入技术可以在住户不搬迁、安全有保障的前提下实施地下空间规模化开发,且造价相对低廉,对促使城市地下空间商业性开发具有非常积极的现实意义。

5、展望

静力挤入技术原则上取消前期土体开挖以及管棚支护,挂网锚喷支护、小管超前支护、模筑支护等大量主要用于安全防范的支护措施, 有效防止因开(暗) 挖造成土体损失带来的应力松弛或难以预测的潜在流砂、管涌以及周边突发事件或无法精确掌控的施工变异问题而导致地面变形的风险发生;施工也将变得方便快捷。

静力挤入技术弥补了其它地下工程施工方法在饱和软土中的缺陷, 但该技术在坚硬砂土层中, 仍需配备切削钻进装置方可进行。

21 世纪,中国地产的最大市场是地下,如果没有发现新的星球能接纳人类的大迁移,在相当长的历史时期内,恐怕没有比这更好的出路.经测算, 全国范围理论节省泊车位所需土地平面资源约 43 万公顷; 国内开发产值约 250 万亿以上,其延续期至少 50 年, 全国年均产值 5 万亿元/年。

参考文献:

﹝1﹞王梦恕,地下工程浅埋暗挖技术通论,安徽教育出版社 , 2004.12, CIP(2004)第 132199 号

﹝2﹞王梦恕,地下工程浅埋暗挖技术通论,安徽教育出版社 , 2004.12, CIP(2004)第 132199 号

﹝3﹞王梦恕,地下工程浅埋暗挖技术通论,安徽教育出版社 , 2004.12, CIP(2004)第 132199 号

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