双碳背景下地下工程永临结构一体化技术实践

　　O 引言

　　    地下工程结构一般包括临时降止水结构、临时支护结构和永久正式结构，一般情况下临时支护结构设计使用年限1～2年(中华人民共和国行业标准编写组，2012)，永久结构根据不同的使用用途其使用年限为50～100年（中华人民共和国国家标准编写组，2018）。临时支护或降止水结构达到使用年限后仍然残留在地下空间中，造成了极大的材料浪费和严重的环境污染。

　　    2020年，中国宣布了碳达峰、碳中和的目标愿景，习近平总书记强调，要把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局，要推动绿色低碳技术实现重大突破，抓紧部署低碳前沿技术研究，加快推广应用减污降碳技术。在此背景下，地下工程面临的最大挑战就是如何最大程度地实现节能减排？笔者认为，除了采取先进的设计理念和使用绿色的建筑材料以保证地下工程在运营过程中的低能耗之外，最大的可能就是减少地下工程临时结构的浪费，采取永临结构一体化的理念。

　　1 永临结构一体化的建造理念

　　    永临结构一体化就是在设计施工过程中，将临时降止水结构和临时支护结构同永久结构结合起来一体化设计和一体化施工，以最大程度地发挥临时结构的作用，或者最大程度地减少临时结构的浪费。其设计思路有两种方式：一是临时结构参与永久结构的受力计算，二是将两者合二为一。根据临时结构的种类可以将其技术体系分为止水帷幕和围护桩一体化、围护桩和结构墙一体化、地连墙和结构墙一体化、混凝土支撑和结构板一体化、格构柱和结构柱一体化、初支和二衬结构一体化。

　　    近年来，陈松等(2012)、王卫东等(2012)、王卫东(2002)，杨毅秋等(2020)、李积栋等(2018)广大科技工作者对永临结构一体化做了大量的研究和实践，取得了一定的进步。笔者也曾做过深入的研究，相关成果在实际工程中得到了应用。在此一并提出，并进行系统梳理和总结，以为地下工程的节能减排提供一条可行的思路。

　　2 技术创新与实践

　　2.1 桩墙（两墙）一体化

　　    桩墙一体化和两墙一体化可以作为一大类进行考虑，都是竖向的临时支护结构和永久结构的一体化。从设计和施工一体化的方式不同又可以分为两小类：一是临时支护桩／墙和永久结构墙一体化设计但是独立施工，先施工临时桩或墙时，一般预留接驳措施，后期施工永久结构墙时将两者连在一起，国内研究的学者和成果最多，也有很多的工程进行应用。其设计要点是临时桩墙不但要承受基坑施工期的荷载还要承受建筑运营期的场地荷载，不但要承受水平的水土荷载还要承受竖向荷载，因此其设计使用年限要和主体结构同步，其混凝土标高要相应提高；同时施工时对其垂直度的控制要求非常严格。另外最大的技术难题就是防水问题，常规的复合墙体系，围护结构墙和结构墙是分开的，中间设有柔性的防水层，而叠合墙体系，两者之间有刚性连接，一般不设柔性防水层或防水层不封闭，造成防水问题不易解决或质量不易保证。

　　    另外一类就是两墙合一，就是地连墙和结构墙一体化设计一体化施工，地连墙既是围护结构墙也是永久结构墙。王卫东等( 2012)对此做过详细的研究，并在上海地区的地下车库做过几个工程案例。其最大的技术难点就在于如何保证其施工质量，国内的案例多是直接利用预制地连墙，其优点就是结构施工质量好，施工速度快，但缺点就是幅与幅之间的接缝防水不易保证。

　　2.2梁撑一体化

　　    基于基坑稳定性考虑，国内越来越多的基坑水平支撑采取混凝土撑，但是混凝土撑造价高、拆除非常困难、对环境的影响也非常大。为此可以考虑将临时的水平混凝土撑作为永久的结构梁，实现梁撑一体化：但其中有3个技术难点需要解决：一是混凝土撑与混凝土梁的受力转换，初期的水平混凝土撑是顶在冠梁或腰梁上，主体结构的梁是顶在结构墙和结构柱上，这要求设计时要一体化考虑，将临时的腰梁或冠梁也作为永久墙的一部分，提前做好接驳措施；二是水平撑的设置位置要和结构梁的位置一致，这要求基坑的设计计算要提前考虑结构设计的要求，常规的支撑位置是要高于或低于结构板的位置；三是水平撑要考虑和结构板的连接，可以做成叠合结构，在其上浇筑施工结构板。

　　2.3两柱一体化

　　    在明挖结构施工中，如果基坑跨度太大，中间一般要设置格构柱，以减少水平支撑的竖向弯曲变形，从而保证基坑稳定。这种临时的格构柱虽然后面要拆除，可以重复利用，但施工工序较多，受力转换复杂，因此可以考虑将临时的格构柱与永久的结构柱一体化设计和施工，根据计算结果直接在格构柱外增设必要的钢筋笼，支设模架，浇筑混凝土，形成永久结构柱，这样可以大大减少施工工序，加快施工进度，降低施工成本。其中需要解决的技术难题在于一是设计时要提前考虑和设置格构柱的位置，二是施工时要保证格构柱的垂直度。济南市轨道交通Rl线做了很好的尝试，在几个车站得到了成功应用。

　　2.4初支二衬一体化

　　    地下工程施工中，特别是大断面暗挖隧道需要分步开挖与支护时，由于水土作用的影响和地层的复杂，造成围岩的自我稳定性差，一般先临时施作初期支护（对于大断面隧道来说，初期支护包括型钢拱架或钢筋拱架和喷射混凝土组成的喷锚支护、临时仰拱、临时中隔壁），形成一个暂时稳定的支撵结构，然后在其保护下再施工二次衬砌也就是地下工程的永久结构。国内大部分设计人员认为初期支护不参与后期使用期间的结构受力，因此某种意义上讲初期支护就是一种浪费，加之施工二衬支护时需要拆除部分初期支护如临时中隔壁和临时仰拱，造成极大浪费和环境污染，施工工序也比较复杂。这就迫切需要寻求一种能将初支二衬一体化设计和施工的低碳节能的创新技术，2008年我们从韩国引进了一种新管幕法(NTR)，并结合我国国内的实际设计水平和施工工艺能力，创新了一种预先在地下工程的外轮廓施作一种初支和二衬一体化的结构，然后在其保护下开挖形成地下空间的方法，详见图7，并在沈阳地铁二号线新乐遗址站得到了成功应用，笔者将其命名为“管幕预筑法”，并编制了行业标准《管幕预筑法施工技术规范》(JGJ_T375-2016)。由于这种方法具有安全、快捷、方便的优点，又在太原迎泽大街下穿太原火车站工程得到了推广应用。

　　    如果地层自立性好，又无地下水，如西北黄土地区，可以充分利用其地层的自稳性，在开挖土方后直接施作临时支护和永久支护相结合的一体化结构，明挖法和暗挖法都有成功的案例，有学者称其为“自稳修建法”。当然由于地层的局限性，这种方法不具备普遍推广意义。

　　3 结论

　　    地下工程永临结构一体化是一种新的建造理念，在目前双碳背景下有着极其重要的意义，虽然已经有了不少研究和技术实践，并在实际工程中得到了不同程度的应用，但是仍然需要进行理论上的提升和系统的施工技术研究，相信未来会得到越来越多的应用和实践。

　　                                                                                      摘自：《工程地质学报》2022年第1期

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