董艷輝 油新華

(①中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司， 北京 102600， 中國) (②中建工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司， 北京 103100， 中國)

0 引 言

地下工程結(jié)構(gòu)一般包括臨時降止水結(jié)構(gòu)、臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)和永久正式結(jié)構(gòu)，一般情況下臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限1～2年(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2012)，永久結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的使用用途其使用年限為50～100年(中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組， 2018)。臨時支護(hù)或降止水結(jié)構(gòu)達(dá)到使用年限后仍然殘留在地下空間中，造成了極大的材料浪費和嚴(yán)重的環(huán)境污染。

2020年，中國宣布了碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)愿景，習(xí)近平總書記強調(diào)，要把碳達(dá)峰、碳中和納入生態(tài)文明建設(shè)整體布局，要推動綠色低碳技術(shù)實現(xiàn)重大突破，抓緊部署低碳前沿技術(shù)研究，加快推廣應(yīng)用減污降碳技術(shù)。在此背景下，地下工程面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何最大程度地實現(xiàn)節(jié)能減排？筆者認(rèn)為，除了采取先進(jìn)的設(shè)計理念和使用綠色的建筑材料以保證地下工程在運營過程中的低能耗之外，最大的可能就是減少地下工程臨時結(jié)構(gòu)的浪費，采取永臨結(jié)構(gòu)一體化的理念。

1 永臨結(jié)構(gòu)一體化的建造理念

永臨結(jié)構(gòu)一體化就是在設(shè)計施工過程中，將臨時降止水結(jié)構(gòu)和臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)同永久結(jié)構(gòu)結(jié)合起來一體化設(shè)計和一體化施工，以最大程度地發(fā)揮臨時結(jié)構(gòu)的作用，或者最大程度地減少臨時結(jié)構(gòu)的浪費。其設(shè)計思路有兩種方式：一是臨時結(jié)構(gòu)參與永久結(jié)構(gòu)的受力計算，二是將兩者合二為一。根據(jù)臨時結(jié)構(gòu)的種類可以將其技術(shù)體系分為止水帷幕和圍護(hù)樁一體化、圍護(hù)樁和結(jié)構(gòu)墻一體化、地連墻和結(jié)構(gòu)墻一體化、混凝土支撐和結(jié)構(gòu)板一體化、格構(gòu)柱和結(jié)構(gòu)柱一體化、初支和二襯結(jié)構(gòu)一體化。

近年來，陳松等(2012)、王衛(wèi)東等(2012)、王衛(wèi)東(2002)，楊毅秋等(2020)、李積棟等(2018)廣大科技工作者對永臨結(jié)構(gòu)一體化做了大量的研究和實踐，取得了一定的進(jìn)步。筆者也曾做過深入的研究，相關(guān)成果在實際工程中得到了應(yīng)用。在此一并提出，并進(jìn)行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，以為地下工程的節(jié)能減排提供一條可行的思路。

2 技術(shù)創(chuàng)新與實踐

2.1 樁墻(兩墻)一體化

樁墻一體化和兩墻一體化可以作為一大類進(jìn)行考慮，都是豎向的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)的一體化。從設(shè)計和施工一體化的方式不同又可以分為兩小類：一是臨時支護(hù)樁/墻和永久結(jié)構(gòu)墻一體化設(shè)計但是獨立施工，先施工臨時樁或墻時，一般預(yù)留接駁措施，后期施工永久結(jié)構(gòu)墻時將兩者連在一起(圖 1是樁墻一體化的連接方式，圖 2是兩墻一體化的連接方式)，國內(nèi)研究的學(xué)者和成果最多，也有很多的工程進(jìn)行應(yīng)用。其設(shè)計要點是臨時樁墻不但要承受基坑施工期的荷載還要承受建筑運營期的場地荷載，不但要承受水平的水土荷載還要承受豎向荷載，因此其設(shè)計使用年限要和主體結(jié)構(gòu)同步，其混凝土標(biāo)高要相應(yīng)提高； 同時施工時對其垂直度的控制要求非常嚴(yán)格。另外最大的技術(shù)難題就是防水問題，常規(guī)的復(fù)合墻體系，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻和結(jié)構(gòu)墻是分開的，中間設(shè)有柔性的防水層，而疊合墻體系，兩者之間有剛性連接，一般不設(shè)柔性防水層或防水層不封閉，造成防水問題不易解決或質(zhì)量不易保證。

圖 1 圍護(hù)樁與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的連接方式Fig. 1 The connection method between the retaining pile and the side wall of the main structure

圖 2 地連墻與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的連接方式Fig. 2 The connection method of the ground connecting wall and the side wall of the main structurea. 單一墻； b. 復(fù)合墻； c. 疊合墻

另外一類就是兩墻合一，就是地連墻和結(jié)構(gòu)墻一體化設(shè)計一體化施工，地連墻既是圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻也是永久結(jié)構(gòu)墻。王衛(wèi)東等(2012)對此做過詳細(xì)的研究，并在上海地區(qū)的地下車庫做過幾個工程案例。其最大的技術(shù)難點就在于如何保證其施工質(zhì)量，國內(nèi)的案例多是直接利用預(yù)制地連墻，其優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量好，施工速度快，但缺點就是幅與幅之間的接縫防水不易保證。上海華東醫(yī)院地下停車庫案例用的是后澆樁的接頭方式見圖 3，筆者采用的是三道膠條的斜槽自卡式接頭，詳見圖 4。

圖 3 預(yù)制地連墻后澆樁接頭方式Fig. 3 Post-cast pile joint method of prefabricated ground connection wall

圖 4 斜槽自卡式預(yù)制地連墻Fig. 4 Chute self-clamping prefabricated ground wall

2.2 梁撐一體化

基于基坑穩(wěn)定性考慮，國內(nèi)越來越多的基坑水平支撐采取混凝土撐，但是混凝土撐造價高、拆除非常困難、對環(huán)境的影響也非常大。為此可以考慮將臨時的水平混凝土撐作為永久的結(jié)構(gòu)梁，實現(xiàn)梁撐一體化。但其中有3個技術(shù)難點需要解決：一是混凝土撐與混凝土梁的受力轉(zhuǎn)換，初期的水平混凝土撐是頂在冠梁或腰梁上，主體結(jié)構(gòu)的梁是頂在結(jié)構(gòu)墻和結(jié)構(gòu)柱上，這要求設(shè)計時要一體化考慮，將臨時的腰梁或冠梁也作為永久墻的一部分，提前做好接駁措施； 二是水平撐的設(shè)置位置要和結(jié)構(gòu)梁的位置一致，這要求基坑的設(shè)計計算要提前考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，常規(guī)的支撐位置是要高于或低于結(jié)構(gòu)板的位置； 三是水平撐要考慮和結(jié)構(gòu)板的連接，可以做成疊合結(jié)構(gòu)，在其上澆筑施工結(jié)構(gòu)板，如圖 5。

圖 5 梁撐一體化施工現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 5 Construction site of beam bracing integration

2.3 兩柱一體化

在明挖結(jié)構(gòu)施工中，如果基坑跨度太大，中間一般要設(shè)置格構(gòu)柱，以減少水平支撐的豎向彎曲變形，從而保證基坑穩(wěn)定。這種臨時的格構(gòu)柱雖然后面要拆除，可以重復(fù)利用，但施工工序較多，受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜，因此可以考慮將臨時的格構(gòu)柱與永久的結(jié)構(gòu)柱一體化設(shè)計和施工，根據(jù)計算結(jié)果直接在格構(gòu)柱外增設(shè)必要的鋼筋籠，支設(shè)模架，澆筑混凝土，形成永久結(jié)構(gòu)柱，這樣可以大大減少施工工序，加快施工進(jìn)度，降低施工成本。其中需要解決的技術(shù)難題在于一是設(shè)計時要提前考慮和設(shè)置格構(gòu)柱的位置，二是施工時要保證格構(gòu)柱的垂直度。濟(jì)南市軌道交通R1線做了很好的嘗試，在幾個車站得到了成功應(yīng)用，如圖 6。

圖 6 格構(gòu)柱和結(jié)構(gòu)柱一體化施工現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 6 Integrated construction site of lattice columns and structural columns

2.4 初支二襯一體化

圖 7 管幕預(yù)筑法施工工藝圖Fig. 7 Construction process of pipe curtain pre-construction method施工步序： 1. 頂進(jìn)大直徑鋼管； 2. 鋼管切割焊接與支護(hù)； 3. 施作管幕結(jié)構(gòu)； 4. 開挖土方； 5. 施作現(xiàn)澆底板

圖 8 管幕預(yù)筑法施工現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 8 Construction site of pipe curtain pre-construction method

圖 9 迎澤大街下穿太原火車站工程施工照片F(xiàn)ig. 9 Construction project of Yingze Street under Taiyuan Railway Station

圖 10 明挖豎井二襯逆作施工技術(shù)Fig. 10 Construction technology of double lining reverse working in open-cut shaft

圖 11 暗挖法隧道預(yù)制拱片支護(hù)技術(shù)Fig. 11 Prefabricated arch support technology for undercut tunnels

地下工程施工中，特別是大斷面暗挖隧道需要分步開挖與支護(hù)時，由于水土作用的影響和地層的復(fù)雜，造成圍巖的自我穩(wěn)定性差，一般先臨時施作初期支護(hù)(對于大斷面隧道來說，初期支護(hù)包括型鋼拱架或鋼筋拱架和噴射混凝土組成的噴錨支護(hù)、臨時仰拱、臨時中隔壁)，形成一個暫時穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，然后在其保護(hù)下再施工二次襯砌也就是地下工程的永久結(jié)構(gòu)。國內(nèi)大部分設(shè)計人員認(rèn)為初期支護(hù)不參與后期使用期間的結(jié)構(gòu)受力，因此某種意義上講初期支護(hù)就是一種浪費，加之施工二襯支護(hù)時需要拆除部分初期支護(hù)如臨時中隔壁和臨時仰拱，造成極大浪費和環(huán)境污染，施工工序也比較復(fù)雜。這就迫切需要尋求一種能將初支二襯一體化設(shè)計和施工的低碳節(jié)能的創(chuàng)新技術(shù)， 2008年我們從韓國引進(jìn)了一種新管幕法(NTR)，并結(jié)合我國國內(nèi)的實際設(shè)計水平和施工工藝能力，創(chuàng)新了一種預(yù)先在地下工程的外輪廓施作一種初支和二襯一體化的結(jié)構(gòu)，然后在其保護(hù)下開挖形成地下空間的方法，詳見圖 7，并在沈陽地鐵二號線新樂遺址站得到了成功應(yīng)用(圖 8)，筆者將其命名為“管幕預(yù)筑法”，并編制了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《管幕預(yù)筑法施工技術(shù)規(guī)范》(JGJ_T375-2016)。由于這種方法具有安全、快捷、方便的優(yōu)點，又在太原迎澤大街下穿太原火車站工程得到了推廣應(yīng)用(圖 9)。

如果地層自立性好，又無地下水，如西北黃土地區(qū)，可以充分利用其地層的自穩(wěn)性，在開挖土方后直接施作臨時支護(hù)和永久支護(hù)相結(jié)合的一體化結(jié)構(gòu)，明挖法和暗挖法都有成功的案例，如圖 10和圖 11，有學(xué)者稱其為“自穩(wěn)修建法”。當(dāng)然由于地層的局限性，這種方法不具備普遍推廣意義。

3 結(jié) 論

地下工程永臨結(jié)構(gòu)一體化是一種新的建造理念，在目前雙碳背景下有著極其重要的意義，雖然已經(jīng)有了不少研究和技術(shù)實踐，并在實際工程中得到了不同程度的應(yīng)用，但是仍然需要進(jìn)行理論上的提升和系統(tǒng)的施工技術(shù)研究，相信未來會得到越來越多的應(yīng)用和實踐。