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地下工程靜力擠入技術淺析


    地下工程靜力擠入技術淺析

    1.國內外地下空間施工技術發展概述
由于地質的復雜和施工變異性,特別是在密集既有建筑物地下開發大空間一直存在安全高風險、技術高難度、造價高投資的“三高”屬性,因此地下工程施工技術(又稱方法)至今仍主要以明挖法(蓋挖法)和暗挖法兩大類為主導。明挖法主要包括敞口明挖法和基坑支護開挖法(蓋挖逆作法)。暗挖法主要有盾構法和新奧法、淺埋暗挖法。
20世紀70年代,國外新奧法開始應用于淺層地下工程中,至70年代末期80年代初,已基本形成完整的技術體系。德國是利用新奧法技術于地下工程最多的國家。美國、法國、意大利、韓國、香港等地都有新奧法成功應用案例。1984年,我國將新奧法原理應用于淺埋暗挖法并在大秦線軍都山鐵路隧道進口黃土段研究實驗獲得成功之后,又在北京復興門地鐵站折返線及西單車站、長安街地下通道等眾多地下工程中成功應用,同時還配套發展了一系列輔助工法如“注漿固結法”、“冷凍法”、“管棚超前支護法”、“錨噴法”等配合實施之,形成了一套完整的綜合配套技術。

    2.我國地下空間施工技術存在的不足
    近年來,國內開發出的多種新的地下空間施工技術與設備,盡管通過大量工程檢驗是比較成熟的,但由于沒有從根本上跳出傳統的時空效應法,市場應用空間受到限制。特別是我國臨海區域除個別城市外,以第四紀地質結構為主的砂土層(軟土)飽和水居多,地質條件復雜,前述現有地下工程技術應用于既有建筑地下空間大規模開發,仍存在風險元素較多、工期趨長、技術復雜、造價昂貴的弊端。
現有地下空間施工技術的復雜和費用高昂主要體現在被動支護方面:需要先開挖出一定空間,利用巖土自拱能力來設計支護方式和掌握時機(復雜地質加以輔助工法配合完成)。我們將此類施工方法統稱為時空效應式施工法。正常情況下,理論計算的巖土時空效應是可靠的,但地質的復雜多變、資料的局限性、周邊突發事件的偶合性、施工過程中的巖土指標變異性,均可能成為地下工程事故的風險源;同時,靠支護結構被動抵抗巖土復雜壓應力客觀上也存在諸多目前我們尚不能完全掌控的因素。因此,現有地下工程施工技術“三高”的弊端尚無法完全避免。
我國人均土地資源世界排名110位以后,大力開發地下空間特別是既有建筑地下空間已是不可逆轉的建設發展方向,但克服高風險、高難度、高造價的“三高”屬性,化解制約臨海區域地下空間規模性和商業化開發的技術瓶頸,則需要深入的研究和進一步的創新。

3.地下工程靜力擠入技術
    地下空間開發技術及工藝的創新,是當前社會和經濟發展的迫切需要。靜力擠入技術(國家住建部科技計劃立項編號:2013-K3-26)簡單說就是利用我們發明的特制設備將托換結構或地下連續墻或前端為整體式的梯形楔塊作為導入體的預應力大空間,采用不開挖式擠入至預定土層中。原狀土屬于三維約束狀態,一旦打開任意一面,均會造成一定范圍內土體應力松弛,松弛的結果會產生物理量變——土體變形移位,這是地下工程施工過程中最不希望出現而又不得不面對的現象。如果這時能及時提供一種與松弛應力方向相對而力基本平衡的抵抗應力,會產生什么結果呢?經初步試驗表明,有適度錐形或梯形的幾何體型擠入土體時,對土體產生的擠壓應力與周邊土體松弛應力方向相反,一定條件下擠壓應力與松弛應力基本相等。將其引用于抵抗或大部對沖松弛應力,對減少因松弛應力造成的土體變形具有積極意義。根據小模型試驗得到,同等軟土條件下減少總沉降量S約70%。本研究突破了傳統地下空間開發技術的機理,從理論上講可以達到基本取消前期土體開挖、拱棚支護、掛網錨噴支護、小管超前支護、模筑支護等主要用于安全防范的支護措施,避免了因開挖造成土體損失或難以預測的潛在流砂、管涌以及施工異變等問題而導致關聯地基變形移位的風險發生,并使造價大幅度降低,施工更為方便快捷。

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