为城市敏感区地下空间开发利用提供技术保障

文/中铁十四局集团有限公司

获奖等级：一等奖

项目名称：城市敏感区地下大空间管幕预筑结构一体化建造关键技术与装备

山西省太原市迎泽大街下穿火车站通道建设工程是迎泽大街东延项目的控制性工程，也是太原市向东拓展的主通道之一。该项目的主要工程为两座车行通道，通道总长度为463米，其中管幕段总长为210.1米（北侧车行通道管幕段长102.5米，南侧车行通道管幕段长107.6米），为国内首例采用管幕结构下穿特等火车站的工程。

作为百年老站，太原火车站属于特等火车站，联接石太客运专线、大西高速线、南北同蒲铁路、石太铁路等，每天有140多次列车经此发往全国各地。在施工期间，为不影响太原火车站的正常运营，以中铁十四局集团有限公司作为总体牵头单位，联合高等院校、科研单位、设计院等多家单位共同开展了科技攻关，并最终成功完成了“城市敏感区地下大空间管幕预筑结构一体化建造关键技术与装备”项目。

新需求带来新挑战

我国城市地下空间开发与利用需求旺盛，地下空间建设逐渐向网络化、大空间、高品质方向发展，对建设理念、结构型式、建造技术等提出了更高的要求。但随着跨度增加、覆土厚度减小，地下空间的沉降控制难度也在急剧提升，特别是敏感区浅埋地下大空间建设，施工安全风险加大，成为工程建设的技术难题，处理不当将对城市公共安全造成极大威胁。

受太原火车站地理位置影响，太原市迎泽大街无法实现东西贯通，影响了太原市发展格局，亟需修建下穿火车站通道工程，且沉降要求需控制在10毫米以内。传统浅埋暗挖法采取超前加固、分部开挖、加强支护、适时衬砌等控制变形，可达到沉降厘米级控制水平，但是对于类似下穿太原火车站等城市敏感区地下大空间建设工程，要求沉降控制在毫米级，传统的浅埋暗挖法难以实现。为此，迎泽大街下穿火车站通道工程的建设者们提出了“管幕预筑结构一体化→开挖”建造新方法。

管幕预筑结构一体化安全建造新方法的基本思路为化大为小，通过小直径管群实现大空间施工的地层微扰动；通过大刚度一体化结构实现微变形；在大刚度管幕预筑结构保护下进行土体开挖，施工风险极低。但是管幕预筑结构一体化建造尚存在结构体系不完善、受力转换机理不清楚、变形控制技术不成熟、施工机械化程度不高等问题。

鉴于此，项目团队依托太原市迎泽大街下穿火车站通道工程，针对管幕预筑一体化结构设计、施工变形控制及施工装备三大核心技术难题，创新建造理念，构建管幕预筑一体化新型结构体系，探究承载机理，揭示单管顶进微变形、群管顶进变形叠加、钢管切割焊接变形累积等施工全过程变形动态演化规律，以及浅埋下穿敏感区“毫米级”的沉降控制机理，研发施工关键技术，研制智能化切割、焊接装备，创建了城市敏感区地下大空间管幕预筑结构一体化安全建造新方法和技术体系。

← 城市敏感区地下大空间管幕预筑结构一体化建造工程项目总体思路

新技术实现新突破

为解决浅埋暗挖法不能实现城市敏感区“毫米级”的沉降控制要求，在国家重点研发计划和中国铁建科研计划项目的资助下，项目团队依托太原市迎泽大街下穿火车站通道工程，以“产-学-研-用”联合攻关的模式，围绕城市敏感区地下大空间管幕预筑一体化结构设计、变形控制、智能装备等方面开展了系统研究，攻克了多项技术难题，并形成了三大创新成果。

创新点一：提出了城市敏感区地下大空间管幕预筑结构一体化安全建造新方法

该项建造新方法提出了以结构方式解决岩土问题的理念：化大为小，通过小直径管群实现大空间施工的地层微扰动；通过大刚度一体化结构实现微变形；在大刚度管幕预筑结构保护下进行土体开挖，降低施工风险。项目提出了“管幕预筑结构一体化→开挖”建造新方法，颠覆了传统的“超前支护→开挖→支护→衬砌”建造思路；揭示了单管顶进微变形、群管顶进变形叠加、钢管切割焊接变形累积等施工全过程变形动态演化规律，以及浅埋下穿敏感区“毫米级”的沉降控制机理。

← 组图：顶管掌子面土压平衡原理

← 组图：管幕预筑结构一体化施工方法

创新点二：创建了城市敏感区地下大空间管幕预筑结构一体化安全建造技术体系

项目团队研发了顶拱、底拱长距离锁扣式连续管棚帷幕加固止水技术；研发了高精度始发台架、洞口保压、激光导向、泥浆减阻群管精准顶进技术，实现轴线偏差18毫米、高程偏差19毫米；研发了小型机械管内径向旋喷加固管间土体技术；提出了“环向分层、纵向分段、先下后上、间隔切割”的管内切割、焊接、混凝土浇筑次序及各工序变形控制技术；研发了基于静力水准仪与MCU-32分布式模块化自动测量单元的综合智能化监测技术，开发了静力水准自动化监测系统；提出了分阶段沉降控制指标，即群管顶进、管内作业、土体开挖三阶段变形占比分别为59%、35%、6%；实现地表沉降最大累计值9.7毫米。

此外，依托该项技术，项目团队还编制了《管幕预筑结构设计规范》，形成了《软土地层小直径管幕微扰动顶进施工工法》《管幕支护结构一体化顶管施工工法》《管幕支护结构一体化管间切割加固施工工法》《管幕支护结构一体化钢管内钢筋混凝土施工工法》，构建了城市敏感区地下大空间管幕预筑结构一体化安全建造技术体系。

创新点三：研制了钢管内新型智能化快速切割、焊接装备

项目团队研发了交互式图像取点、线激光选位的切割与焊接轨迹自动生成技术，创建了切割、焊接工艺参数大数据库，发明了智能行走控制系统、切割和焊接操作系统、监控系统，研制了AGV智能小车承载的可视化三维成像焊接及切割机器人，实现了长管道远程控制、狭小三维空间高精度巡线自动切割（切割速度达到每分钟1.89米）、焊接（焊接速度达到每分钟1.54米），综合工效提高8倍，实现了无人化作业，焊接质量合格率达到100%，确保了施工安全。

←组图：管幕预筑结构设计规范

←组图：静力水准自动化监测系统

新成果带来新市场

目前，该项目的研究成果已成功应用于太原市迎泽大街下穿火车站通道工程、山东省济南市市中区DMT项目配套工程、川藏线康定2号隧道工程等多个项目。

其中，采用长距离连续大管棚超前预支护、钢管精准顶进及掌子面障碍物处理、管间土体加固、管内切割焊接、管内混凝土施工等关键技术，保障了太原市迎泽大街下穿火车站通道工程建设质量和施工安全，提高了施工效率，直接经济效益4130万元，确保了太原火车站每天140余对列车的正常运营，社会效益不可估量。

精准顶进技术已成功应用于济南市市中区DMT项目配套工程中，保证了顶管顺利施工，未影响地面交通；实现了地表沉降的有效控制，确保了地面构筑物的稳定；优化取消了施工降水，有效保护了“泉城”地下水环境；确保了施工质量，经济效益达2000万元。

应用于川藏线康定2号隧道工程中的智能焊接装备，明显提高了施工效率，并计划在川藏铁路全线推广应用。

← 敞开式顶管机实物图

← 掘进过程障碍物的现场情况

推广过程中形成的显著成果

确保了敏感区既有建构筑物的安全营运研究成果的最大沉降9.7毫米，保证了既有结构物的稳定，确保了每天140余对列车的安全正常运营。

引领了行业科技进步研究成果为城市敏感区地下大空间安全建造提供了一整套解决方案，拓宽了浅埋暗挖法的适用范围，推动了浅埋暗挖施工技术的进步和革新。

促进了地下空间资源的释放管幕预筑结构一体化安全建造新方法实现了最小净距1.2米的下穿，放宽了既有设施对地下工程规划的约束条件，促进了地下空间资源的释放。

提升了绿色智能建造水平研发的钢管内智能化快速切割、焊接机器人，提升了施工机械化水平，实现了钢管内切割、焊接工序无人化作业，提升了绿色智能建造水平，推动了上下游产业链的发展。

推动了地下空间设计的标准化编制的《管幕预筑结构设计规范》，规范了管幕预筑结构的设计，为其安全可靠、功能合理、经济适用、节能环保、技术先进等提供了遵循，助力城市敏感区地下大空间建造。

培养了专业技术人才项目研究过程中，培养了设计、施工、研发、装备制造等专业技术人才及工匠60余名，打造了管幕预筑结构一体化建造专业团队，对该专业人才培养做出了突出贡献。