我国地下工程施工新技术综述？

总结了近年来我国一批大型基础设施建设项目，如青藏铁路、深圳地铁、上海越江隧道等地下工程。

青藏铁路的修建和顺利实施，为解决高原冻土地区地下工程建设提供了良好的试验基础。同时，城市地铁工程的建设也对解决复杂城市地质环境下的地下工程建设提出了新的挑战；然而，大型桥梁、越江隧道和海上设施的建设，使得水下地下工程建设面临更高的技术要求。一系列大型基础设施的建设和竣工，极大地促进了地下工程建设的技术水平。及时总结和完善这些地下工程施工新技术和其他技术成果，将为今后的地下工程建设提供良好的技术支持和保障，对我国地下工程建设将起到极大的推动作用。本文结合近年来青藏铁路、深圳地铁、上海过江隧道等我国一些大型基础设施工程建设中地下工程施工的技术成果，对该项新技术进行介绍，为今后类似工程提供参考。

1冻土区地下工程施工新技术

青藏铁路格尔木至拉萨段全长1100多公里，穿越世界海拔最高、号称世界屋脊、施工条件恶劣的青藏高原。也是世界上1次在高海拔冻土区修建铁路，没有成熟的施工经验，技术含量高。

1.1多年冻土区钻孔桩施工技术

关键技术是降低施工过程中产生的各种热量，如钻孔的摩擦热、回填土的热量、灌注桩混凝土的水化热等。，以避免桩周地基土温度场的突变，造成桩周地基土在一定范围内升温融化。同时，由于多年冻土地区的季节性变化，地表的季节性融化层会随着季节变化产生冻胀力，消除这些冻胀力也是钻孔桩的一个重点。

为了减少施工热量对冻土区的影响，尽快形成新的热平衡状态，冻土区钻孔灌注桩混凝土浇筑后，必须经过一个阶段的热量交换过程，才能进行承台以上的施工。一般热交换时间为60天，60天后可认为桩基基本稳定。

桩基在使用过程中，由于冻土季节的变化，会产生冻胀力。根据冻胀力作用在建基面上的位置和方向，可分为三种:切向冻胀力、水平冻胀力和法向冻胀力(见图1)。水平冻胀力相互抵消，冻胀对工程的主要破坏是切向力和法向力。在工程建设中，可采取以下措施防止桩基冻胀:①为避免桩基受到正常的冻胀力，将桩基埋入冻土自然上限以下一定深度；(2)将钢膨胀筒埋在冻土上限以下至少0.5m处，套管内径比桩径大10cm，并在套管外围涂上残油，以减少外表面的亲水性，成桩后不用拆套管；③尽量使用高桩承台，在冻胀严重的地区钻扩底桩；④用混有残油的粗粒土回填护筒外侧和低桩承台底部。上述措施可有效减小冻土对套管的切向冻胀力和抬升冻胀力(见图2)；⑤采用旋挖钻机干钻，保证钻孔的正确孔位和垂直度；⑥采用低温早强耐久混凝土，避免了混凝土低温浇筑导致的强度增长缓慢的问题。

1.2冻土隧道施工技术

高原多年冻土隧道建设可供借鉴的经验较少，其核心是最大限度地减少温升对冻土的影响，避免冻土融化、压缩、沉降和冻胀力造成的施工灾害和运营隐患。

冻土的抗压强度很高，其极限抗压强度甚至与混凝土相当。冻土融化后抗压强度急剧下降，导致下一个寒冷季节出现热熔沉降和冻胀，往往导致工程建筑物失稳，难以修复。

含水松散岩土体温度降至0℃时，产生冰体，这是冻结状态的主要标志。水变成冰时，体积增加9%左右，使土壤冻胀。当土壤冻结时，不仅原来位置的水冻结成冰，而且在渗透力(吸力)的作用下，水将从未冻结区转移到冻结前沿，在那里冻结成冰，使土壤的冻胀更加强烈。

在冻结过程中，水变成冰的体积增大，引起水迁移、冰析出、冻胀和土骨架位移，从而改变土的结构。在融化过程中，必然伴随着土颗粒的位移，填充了冰融化排出的空间，产生融化固结，从而引起局部地面的下移，即热熔沉降(热融沉降)。

为了避免隧道施工中的热熔沉降，冻土隧道施工的关键技术是做好保温措施。

隧道保温施工技术主要包括:优化寒冷季节明洞和洞口施工，开挖时增设遮阳保温棚，阻挡太阳辐射能量对冻土的影响。正洞采用弱爆破和光面爆破技术，减少冻土扰动和超挖，开挖后清除拱(墙)夹层内散落的冰块，快速喷射混凝土封闭岩面；采用轨道运输，减少隧道内废气污染，减少通风次数和风量；在温暖季节，采用夜间爆破通风、冷却风机通风等措施，将隧道掌子面温度控制在5℃以下，尽量减少洞室开挖段外的冻土融化圈。隧道全长铺设“防水层、保温板、防水层”，阻隔隧道建成后隧道内温度变化对冻土的扰动，确保运营安全。

影响土体冻胀的主要因素是土的类型、含水量和冻结条件。低温学家经过长期实验证明，粗粒土的冻胀很小甚至没有，而细粒土的冻胀一般很大。当土的含水量较大时，冻胀现象严重。当土的含水量小于一定值时，土的冻胀率为零。为防止冻胀对明洞及洞门工程结构的影响，开挖明洞及洞门边坡冻胀影响范围内的丰富冻土、饱和冻土及含土冰层，采用粗粒土填筑，严格控制粗粒土含水量，填筑后做好防排水设施。

工程实例:青藏铁路霍峰冻土隧道全长65，438+0，338 m，是世界上最高的冻土隧道。多年冻土上限为1 ~ 1.8m，多年冻土层厚度为100 ~ 150m..所有的洞穴都位于冻土中。在施工过程中，充分掌握冻土的工程特性，采用注浆管棚、注浆锚杆、洞内光面爆破等开挖技术，综合利用粗粒土代替明洞的覆盖层，在全长、全断面设置多重保温层，以及保温、温控、供氧、混凝土喷射、信息监测等技术， 从而最大限度地缩短冻土解冻周期，重建新的冻土隧道热平衡体系，满足安全、优质、高效施工的要求。

此外，冻土地区的防温措施还包括抛石通风路基施工技术、高温细粒土路基铺设保温板施工技术、高温细粒土热棒路基施工技术等。这些措施可以大大减少地基承载力对冻土的影响。

2地铁和越江隧道施工新技术

随着我国城市化的快速发展，大城市的交通压力日益增大，大规模的城市地铁建设不可避免。长江沿线规划的城市越江隧道越来越多。这类工程建设往往规模庞大，施工环境恶劣，施工工艺复杂。下面简单介绍几种新的施工技术。

2.1地铁施工中的桩基托换技术

桩基托换工程在地铁建设中不可避免。深圳地铁百货广场大轴力桩基托换技术的研究，解决了大轴力桩基托换的主要关键技术问题，丰富了桩基托换工程的施工技术。

桩基托换是我国托换技术应用的一种常见形式。桩基托换的核心技术在于新桩与旧桩之间的荷载转换，要求转换过程中托换结构和新桩的变形限制在上部结构允许的范围内。鉴于上述变形控制，托换机构可分为主动托换和被动托换。主动托换主要是在旧桩切断之前，对新桩和托换结构进行加载，以消除部分新桩和托换结构的变形，使托换后桩和结构的变形限制在允许范围内。该技术应用于轴力大、结构变形要求严格的情况。被动托换是在拆除旧桩的过程中将荷载转移到新桩上，托换后桩和结构的变形难以控制。该技术适用于吨位小、结构变形控制不严的情况。深圳地铁国茂老街段百货广场大厦桩基托换工程具有托换桩多(6根)、轴力大(18000kN)、桩径大(2000mm)、地质条件差、地下水头高、托换位置深(地下2层)、使用环境复杂(中间穿越地铁时振动影响)等特点。目前国内外还没有类似的大轴力托换。

由于方向和最小半径(Rmin=300m)的限制，深圳地铁一期线路必须从百货广场大厦裙楼下穿过。因此，桩基托换问题就产生了。百货广场主楼22层，裙楼9层，地下室3层。为框架梁剪力墙结构，基础为端承桩独立桩基础。桩端持力层(强风化层)标准承载力2700kPa，桩身最大直径2000 mm，根据楼层估算托换桩最大设计轴力约为18900kN。

区间隧道穿越百货广场、深南东路、华中大酒店。由于受开挖隧道及其上部结构位置的影响，部分桩在隧道内或靠近隧道，需对百货广场9楼6根裙房桩进行托换(桩径2000mm，桩基持力层全部在隧道结构面以下的基岩中)，最大轴力为18000kN。

根据百货广场的结构、基础形式和操作空间，百货广场桩基托换采用梁式托换构造柱形式，新增托换桩为人工挖孔桩。整个托换工程在地下三层进行。

根据高层结构的变形要求，裙房桩基采用主动托换。托换时，在托换梁和新桩之间设置加载千斤顶，利用千斤顶加载，使上部结构有少量的顶进位移，同时顶进时预加载新桩的大部分沉降位移，通过主动加载将作用在原结构桩上的荷载通过托换梁传递给新桩，原桩(柱)的顶部增值和新桩的沉降也得到了有效控制。人工挖孔至托换梁底后，逐步进行截桩。截桩后开挖隧道，衬砌变形稳定(期间及时调整千斤顶装置)，托换梁与新桩连接形成永久结构，完成托换。桩基托换和隧道施工全过程严格监控量测，确保了结构安全。

通过严格的计算和施工操作，通过技术攻关，解决了桩基开挖与支护、托换与换梁、桩基截桩、软弱地层中力的转换等技术难题，确保了高层建筑和商场、广场等地下管线的安全和正常使用。

本工程桩基托换原理如图3所示。

2.2越江隧道施工中的水平冻结法

地下隧道联络通道冻结法施工是一种特殊的施工方法，利用人工制冷技术将地层中的水变成冰，将天然土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下构筑物的联系，在冻结壁的保护下进行联络通道施工。

制冷技术由三个以氟利昂为制冷剂的循环系统完成。这三个循环系统是氟利昂循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统。三个制冷循环系统构成一个热泵，将低温盐水中的地热能通过冷冻孔输送到氟利昂循环系统，再通过氟利昂循环系统输送到冷却水循环系统，最后通过冷却水循环系统输送到大气中。随着低温卤水在地层中的不断流动，地层中的水逐渐冻结，形成以冻结管为中心的冻土柱，不断膨胀，最后相邻的冻土柱连成整体，形成具有一定厚度和强度的冻土墙或冻土帷幕。水平冻结加固原理如图4所示。

实际施工中，水平钻冻结孔，架设冻结管，以盐水为传热介质进行冻结。一般在施工现场设置冷冻设备，将未冻结的液体(一般为盐水)冷却到-22 ~-32℃。其主要特点是:

(1)能有效隔绝地下水，含水量>:10%含水、松散、不稳定地层可用冻结法施工。

(2)冻土帷幕的形状和强度可根据施工现场条件和地质条件灵活布置和调整。冻土强度可达4 ~ 10 MPa，可有效提高工作效率。

(3)冻结法对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音低。

(4)影响冻土强度的因素很多。冻土是一种流变性质，其强度既与冻土成因有关，也与应力特性有关。影响冻土的主要因素有冻结温度、土壤含水量、土壤颗粒组成、荷载作用时间和冻结速度。

冻结法施工的关键技术包括:

(1)确定冻结的主要技术指标，即根据实际工况确定主动冻结期和维持冻结期的盐水温度、冻土壁平均温度和冻土强度。

(2)冻结孔布置与施工，即根据联络通道的平面尺寸和结构受力特点，进行冻结孔布置设计，并根据管片配筋图对冻结孔的偏转进行微调，孔径向外偏转角度控制在0.5 ~ 10范围内。

(3)设计冷冻站，积极冷冻维护冷冻施工，计算冷冻能力，根据制冷量的需要选择冷冻机组。

(4)联络通道开挖和施工的施工方法和顺序。

(5)施工监控。

上海大连路过江隧道工程由东西两条隧道组成，两条隧道之间有一条连接通道，两条隧道均位于黄浦江底，相距约400m。联络通道(1)位于浦西西岸，东西线隧道中心间距35.705m，隧道高差3.565m，联络通道净距约25.665m连接通道(2)位于浦东岸边，东西线隧道中心距为27.575米，隧道高差为0.345米，连接通道净距为17.175米..两条联络通道所在地层为砂质粉土和粘质粉土，渗透系数大，承压水头高。为了保证通道的施工安全，采用了冻结法。工程实践表明，联络通道冻结施工技术具有冻结速度快、冻土强度高、帷幕均匀性好、抗渗漏性能高、与隧道管片结合紧密、施工安全可靠等优点。能够保证长距离、大深度、高承压水条件下河底联络通道施工的安全性和可靠性。融沉是冻结法施工中不可避免的情况，可以通过及时在隧道和联络通道预留注浆孔来补偿融沉，减少融沉。在几条连接通道的建设中，其优越性和社会经济价值得到了充分的展示。

2.3地铁车站三拱两柱结构暗挖中间洞施工技术。

随着我国城市地铁和快速轨道交通的发展，越来越多的大城市正在修建地铁。由于地铁经过的路段多为繁华商业区，部分路段受拆迁成本、交通占用、地下管线保护、古代文物保护、环境保护等影响。，而地铁站的明挖(盖挖)又受到限制，所以只能采用暗挖法进行施工，导致暗挖地铁站的出现。

北京地铁5号线磁器口站、天坛东门站、崇文门站采用三拱两柱暗挖法综合配套施工技术，保证了工程质量和安全，按期完成了施工任务，取得了良好的社会效益。该技术适用于地下停车场、地下商场、大跨度公路和铁路隧道的建设，如大跨度双层地下暗挖车站、围岩自稳能力差的连拱隧道等。

车站施工中暗挖法的技术特点:

(1) CRD(横隔板)工法完成了中隧道的开挖，形成了安全中隧道的初期支护体系。

(2)完成中洞底板、底梁、钢管柱、中板、顶梁和中拱，形成稳定的中洞支护体系，承担围岩的主要荷载，为边洞开挖提供安全条件。

(3)采用CRD法对称完成侧洞开挖。

(4)拆除临时初期支护系统，完成侧洞二次衬砌施工。

(5)系统改造过程中，合理确定节段长度，同时增设钢支撑。

(6)充分发挥监控量测的作用，用信息指导施工。

地下暗挖车站隧道施工方法的技术原理:将地质不良的大跨度隧道分成三部分，每部分分成条块，保证开挖时的安全。先在隧道初期形成临时结构，在临时结构中应用永久衬砌结构，形成中部稳定支撑，承担围岩主要荷载。然后，对称开挖侧洞部分的各个块体，最终形成整体结构。系统改造过程中，根据监测情况增加钢支撑。其工艺流程为:施工准备→超前管棚→注浆加固→中洞各部位开挖→铺设防水层→中洞底板和底梁→立柱→中洞中板→顶梁和中拱→超前管棚→注浆加固→边洞各部位开挖→拆除临时隔墙→铺设防水层→边洞底板→边墙和中板→边拱→二次衬砌背后注浆。三拱两柱地铁车站采用暗挖法施工，如图5所示。

磁器口站是北京地铁5号线与规划中的北京地铁7号线的换乘站。车站长180米，宽21.87米，高14.933米。车站建筑面积为12244.2m2，车站主体覆盖深度为9.8 ~ 10.3m..车站为双层岛式结构，三拱两柱。车站地下1层为站厅层，预留通道实现与7号线换乘，地下二层为站台层。车站施工中采用了这种方法，保证了工程施工的安全和质量，取得了成功。

3水下基础施工技术

3.1海上基础工程施工

随着基础设施的建设，跨海大桥等海上工程越来越多，一批规划和在建的桥梁，如渤海湾跨海工程、长江口跨海工程、杭州湾跨海工程(在建)、珠江口伶仃洋跨海工程、琼州海峡工程等，给海上基础设施建设带来了新的挑战。大型跨海、跨河工程采用大直径、长基桩是必然趋势，结构钢管桩、临时钢护筒和海上平台临时钢管桩将得到广泛应用。这些都对打桩机提出了新的要求。配备高桩架、强大的吊桩动力系统、高能打桩锤和先进的海上打桩GPS测量定位系统的打桩船，可以顺利完成海上锤沉桩任务。

从广义上讲，海上沉桩系统包括打桩船、运桩船、起锚船、拖船和交通艇等船舶组合。从钢管桩的沉桩过程来看，打桩船是钢管桩的主体，主要由以下几部分组成:船体系统(包括船体、锚固系统和动力系统)、桩架及其悬挂系统、锤沉系统(包括打桩锤和置换打桩)、海上沉桩GPS测量定位系统等。特别是GPS可以实现施工船舶远离岸边定位过程中数据的自动采集和处理，以图形和数字的形式反映打桩的当前和设计位置，方便操作人员调整船舶位置进行施工打桩，同时可以自动生成打桩报告和回放数据，为海上打桩带来便利。

海上沉桩定位通过“海上沉桩GPSRTK测量定位系统”实现，如图6所示。

安装在打桩船上的三个GPS接收机接收建立在陆地上的参考站和海中的参考站发射的固定频率数据链，作为定位的参考数据。其工作原理:定位时，通过固定在打桩船上的GPS移动台以RTK方式控制船体的位置、方向和姿态，同时用固定在船上的两个免棱镜测距仪确定某一标高处的桩身相对于船体桩架的位置，从而计算出设计标高处的桩身实际位置，并显示在系统的计算机屏幕上。通过与设计坐标的比较，移动船舶并进行校正，直到偏差符合要求。桩体的倾斜度由桩架控制。根据无棱镜测距仪发射的红色水平光束在桩身上画出的刻度，系统计算出桩顶标高。具体定位前，将待定位桩的设计中心坐标、标高、平面扭转角等参数输入电脑。定位时，显示屏上可显示实时桩位数据和图形，也可显示设计沉桩位置和偏差。打桩船的指挥员可以根据显示的相关信息指挥打桩船正确定位。

该技术适用于海洋、江河水下平台的结构钢管桩、临时钢护筒、临时钢管桩的沉放施工，具有以下明显优势:①可在海况恶劣的海域作业；(2)能适应超长大直径钢管桩的沉桩施工；③能满足不同倾角和平面偏角的斜桩沉桩施工；④钢管桩可以穿过不同的土层；⑤测量定位简单快捷，精度符合要求；⑥工期短(直径1.6m，长80m的单根钢管桩整个施工过程仅需2.5h)。这在正在建设的杭州湾大桥工程中得到了实践。

3.2无导向船双壁钢围堰下沉施工技术

基础施工中有两个影响工程进度的薄弱环节，即钢板桩围堰钻孔桩基础和沉井下沉至基层基础，沉井下沉至基层安装在沉井顶部的防水围堰普遍薄弱，围堰内抽水工序的安排受施工水位限制；(2)沉井基础嵌入岩层清除风化岩石非常费工费时，特别是在深水急流中，工程进度直接制约着整个基础的安全渡洪。相比较而言，双壁钢围堰钻孔桩基础采用双壁钢围堰防水结构，吸收了上述两种施工结构的优点。本质上是一种圆形浮轴与防水围堰相结合的建筑结构，可以承受更大的向内或向外的水压。一般来说，基础施工工序的安排不受外界季节性水位变化的影响。

双壁钢围堰由内板墙和外板墙组成，内板墙和外板墙通过刚性支撑连接。由于两板壁之间有空腔，底部由环形叶片脚封闭，具有自浮能力。当底段上浮时，可根据设备的提升能力，逐段抬高板墙，将配重注入空腔内，用吸泥机抽吸，促使其下沉，直至钢围堰下沉至设计位置，通过灌注水下封底混凝土保持稳定，然后按设计要求进行钻孔桩施工。

采用无导向船的双壁钢围堰下沉施工，由于取消了巨大的导向船和连接梁系统，锚碇系统承受的风力和水流力大大减小，从而简化了锚碇设备的配置和施工，加快了施工进度，节约了钢材和水设备。同时，双壁钢围堰结构为浮式沉井，不仅便于浮到位，还能承受较大的水压，还能克服下沉时底部翻砂的缺点。而且围堰吸泥下沉到位时间短，施工安全。特别适用于通航条件高、施工区域狭窄、砂质粘土和卵石土层、无法设置导向船的水上施工工程。

该技术应用于四川龙南铁路泸州长江大桥水下基础施工中，圆满完成了深水基础施工任务，确保了大桥的按期建成。对于类似的深水基础施工，具有广泛的推广应用价值。

4结论

我国地大物博，幅员辽阔，自然地理环境不同，土质不同，地下工程地域性强，使得地下工程建设具有很大的差异性和复杂性。结合不同工程特点不断创新是提高地下工程施工技术的基础。本文介绍了近年来我国完成的几项地下工程施工新技术，希望对地下工程施工有所启发。在此基础上，一方面积极推动这些新技术的应用，更重要的是在应用的基础上不断创新，使我国地下工程建设不断迈上新台阶。

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