北京城市副中心站綜合交通樞紐工程、東六環(huán)入地改造工程，以及涵蓋劇院、圖書館、博物館在內(nèi)的城市副中心三大建筑工程，被視為城市副中心建設(shè)的三大超級工程。超級工程之所以“超級”，不僅體現(xiàn)在規(guī)劃和建造體量上，在這些備受矚目的宏大工程背后，更有許多不為人知的高精尖“黑科技”，助力其成功突破重重技術(shù)難關(guān)，成為全市、全國乃至全球相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的“吃螃蟹”者。
日前，記者先后探訪了三大工程的施工現(xiàn)場，帶您一起掀開這些“黑科技”的面紗，品味城市副中心建設(shè)中令人嘆服的科技魅力。
首創(chuàng)工藝 自主創(chuàng)新技術(shù)強
全球首家“超高玻璃幕墻”森林書苑
北京城市副中心劇院、圖書館、博物館三大建筑及共享配套設(shè)施項目于2019年10月28日開工，目前正在有條不紊地推進中。北投集團三大建筑項目部總經(jīng)理陳宏達透露，項目已進入主體結(jié)構(gòu)施工階段并全面沖出“地平線”，預(yù)計于2022年12月底實現(xiàn)工程竣工。
城市副中心站綜合交通樞紐項目工地大型機械矗立如林，巨型鋼柱將撐起站房的主體結(jié)構(gòu)。
城市副中心圖書館的建筑面積約7.5萬平方米，其設(shè)計理念源于中國傳統(tǒng)文化符號“赤印”。屋頂?shù)臉錉罱ㄖY(jié)構(gòu)宛如森林傘蓋，而筑起這片“森林”的，是一款無龍骨全通透的超高玻璃幕墻。
為了使項目整體效果更通透、造型新穎、個性鮮明，打造地標性建筑，該項目將采用高度方向無分格的超高玻璃幕墻，為讀者提供更加明亮的讀書環(huán)境。“圖書館項目即將投入使用的超高玻璃幕墻無論從外形還是受力體系上，都屬國內(nèi)首創(chuàng)，在國際上也并無先例。”中鐵建工集團圖書館項目總工程師李勇介紹，這座超高玻璃幕墻由276塊玻璃圍繞而成，最高的玻璃高達15.05米，最大的板塊重量達到10.77噸。
李勇介紹，幕墻的無龍骨設(shè)計是工程的一大亮點，“幕墻板塊互為支撐體系，板塊間為鋸齒形設(shè)計，板塊夾角也在不規(guī)則變化。”通過互相支撐，承受水平荷載。最大的玻璃板塊寬2.5米,高15.05米，這么大的玻璃板塊需要切角、開豁，這種玻璃加工工藝在國內(nèi)只有少數(shù)廠家可以做，且玻璃板塊總厚度更是達到132.6毫米。板縫需采用分縫打膠的養(yǎng)護技術(shù)，這項工程的實踐也將在一定程度上推動我國玻璃原片制造、高大玻璃深加工及膠合、超高幕墻施工等技術(shù)進入國際一流水平。
目前，圖書館地下室鋼結(jié)構(gòu)已基本完成，地上鋼結(jié)構(gòu)完成了20%。“超高玻璃幕墻”將于今年6月開始作業(yè)，屆時，設(shè)計獨特的現(xiàn)代大型公共圖書館將拔地而起。
中國超大直徑盾構(gòu)隧道施工
結(jié)束依靠國外品牌時代
東六環(huán)改造工程全長約16.3公里。項目分為直接加寬與入地改造兩部分，其中入地段為京津公路南側(cè)至潞苑二街北側(cè)，隧道長度9.2公里。隧道采用明挖與盾構(gòu)結(jié)合工法，盾構(gòu)掘進長度7.4公里。
當前，“京華號”盾構(gòu)機調(diào)試完成并試運轉(zhuǎn)，“運河號”盾構(gòu)機也已組裝完成進入調(diào)試階段，待“京華號”始發(fā)一個半月后，也將始發(fā)。兩臺盾構(gòu)機未來將間隔200米一前一后挖掘隧道。
在項目施工現(xiàn)場，記者見到了這兩臺超大直徑復(fù)合泥水平衡盾構(gòu)機。“京華號”最大開挖直徑16.07米，整機長150米，總重量4300噸。“運河號”最大開挖直徑同樣為16.07米，整機總長約145米，總重量約4500噸。這兩臺“大家伙”的投用，標志著中國超大直徑盾構(gòu)隧道施工依靠國外品牌時代的終結(jié)。
“‘京華號’盾構(gòu)機是中國迄今研制的最大直徑、擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的泥水平衡盾構(gòu)機，高度超過了5層樓。”中鐵十四局東六環(huán)改造工程項目部工程部副部長陳建介紹，之所以選擇如此大直徑盾構(gòu)機，是為滿足該項目高速公路80公里時速的三車道通行設(shè)計標準，且不受天氣影響，可更好發(fā)揮自動化智能化優(yōu)勢。
為了確保在地表下精準走位、準確施工，“京華號”盾構(gòu)機裝有高精度測量和導(dǎo)航系統(tǒng)，動態(tài)顯示當前位置相對于隧道設(shè)計軸線的位置偏差，準確度精準到毫米級。
在開掘過程中，隧道需穿越粉細沙、中粗沙及黏性土交互層等地質(zhì)，聽上去“軟”，實際卻是“硬骨頭”。工程專家告訴記者，中粗沙中的石英含量高，“日常生活中的磨刀石常用的就是石英，磨刀石能‘磨鋼’。這次盾構(gòu)機刀盤就要比鋼更硬，是含有錳、鉻等元素的特殊合金刀具，減少磨損。”刀夠硬，換刀也要夠快。目前，“京華號”盾構(gòu)機采用的是更安全、更高效的第三代常壓換刀技術(shù)。
陳建介紹，地層中富水高壓，以前工作人員只能帶壓換刀，要像“潛水員”一樣，在壓力環(huán)境下操作。換一次刀具需要經(jīng)過繁瑣的加壓、減壓等過程，常要花上一天時間?，F(xiàn)在采用了常壓換刀，就是在刀盤內(nèi)部設(shè)置一個刀箱，工作人員鉆到里面，最快40分鐘就能輕松更換刀具，更加安全高效。
“京華號”的兄弟“運河號”，同樣是完全自主研發(fā)設(shè)計制造的中國最大直徑泥水平衡盾構(gòu)機，首次采用了全球首創(chuàng)長距離掘進不換刀技術(shù)，可連續(xù)掘進4800米不換刀，極大降低工程風險。
國內(nèi)首次地下減隔震 源頭保護文物安全
城市副中心首都博物館（東館）是鑲嵌在城市森海中的“古韻風帆”，又名“運河之舟”，集收藏保管、開放式展陳、科學(xué)研究、社會教育、文保修復(fù)等功能于一體，定位為智慧型綜合博物館。項目建筑面積約為9.97萬平方米，建筑高度35米，最高點48米，日接待量約為6000人次。目前，項目處于混凝土結(jié)構(gòu)施工階段，局部混凝土結(jié)構(gòu)封頂。
除了常規(guī)施工外，這里還有一項“隱藏”技術(shù)難點——為了保證館藏文物的安全，該項目采取先進的減隔震技術(shù)，有效減小地震作用對上部結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，保護文物。
據(jù)介紹，博物館的隔震層位于地下一層下方，設(shè)有242個隔震支座，支座類型有無鉛芯橡膠支座、鉛芯橡膠支座、彈性滑板支座等，隔震支座最大直徑1500毫米，可在罕遇地震作用下達到600毫米變形不破壞。
“博物館緊鄰地鐵，地鐵在運營過程中將產(chǎn)生一定的振動，通過隔震層的設(shè)計，可降低地鐵運營期間振動對上部工程的影響，提高工程使用的舒適度。”北京城建集團博物館項目副經(jīng)理彭志勇為記者揭秘該建筑的抗震秘訣。特別設(shè)置的隔震層可顯著降低地震對上部結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，上部結(jié)構(gòu)的北京地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8°，采用隔震層的方案，可在設(shè)計階段降低計算抗震設(shè)防烈度，降低上部結(jié)構(gòu)工程的建造成本。
“三超”地下工程作業(yè)門道多
北京城市副中心站綜合交通樞紐是亞洲最大的地下綜合交通樞紐。該項目地下總建筑面積約128萬平方米，建設(shè)內(nèi)容包括接駁場站、綜合交通樞紐配套、公共服務(wù)空間、市政配套設(shè)施等，預(yù)計2024年底具備通車條件。
該項目屬于超深、超大、超長地下工程，不僅存在大跨、大開洞、咽喉區(qū)柱網(wǎng)變化大等不利結(jié)構(gòu)條件，同時還處于富水砂層且周邊緊臨既有運營國鐵、地鐵、道路和重要管線，整體工程風險高，實施難度可想而知。
該工程創(chuàng)新采用很多超常規(guī)工程技術(shù)措施，包括T型地下連續(xù)墻、砂土地層大直徑擴底樁、擴大頭可回收預(yù)應(yīng)力錨索、高精度樁柱定位，以及緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力抗拔樁、擠擴支盤樁、超級旋噴樁封底加固等工藝。這些技術(shù)措施在北京少有應(yīng)用。
50米長擴底樁打進城際車站區(qū)域
樁基工程是交通工程建設(shè)的基礎(chǔ)。由于該工程埋深大、區(qū)域抗浮水位高，面對突出的抗浮問題，城際車站區(qū)域主要采用逆作工法，一柱一樁成為了必須。所以工程樁的樁徑、樁長規(guī)格多，樁基數(shù)量達到1萬余根，規(guī)模龐大，工程設(shè)計復(fù)雜。
在施工現(xiàn)場，一名工人正在操作吊車，將50米長的擴底樁鋼筋籠緩緩深入地下。“我們采用的大直徑工程樁，頭部樁直徑2米到2.6米，樁長40米到50米，擴底直徑3米至3.7米不等。”據(jù)京投樞紐公司副總經(jīng)理何剛介紹，鉆孔擴底樁是在等直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種樁型，主要通過壓力或機械的方式在樁底形成一個擴大頭，以增大樁端有效承載面積。
擴底樁具有提高承載力及樁基變形控制能力，降低造價、改善樁基受力性能等優(yōu)勢。這種工藝施工難度大，在國內(nèi)工程中能夠做到的并不多。而且，這些大直徑擴底樁施工機械頭部還安裝了可視設(shè)備和傳感器，實時回傳數(shù)據(jù)。工程人員在吊車內(nèi)的電腦上就能清晰了解地下擴底成孔情況。
局部最深80米 T型地連墻省料又結(jié)實
地下連續(xù)墻是基礎(chǔ)工程在地面上采用一種挖槽機械，在大型的深基坑工程中應(yīng)用廣泛，作為截水、防滲、承重、擋水的結(jié)構(gòu)。然而，T型地下連續(xù)墻卻并不常見。這與城市副中心車站超深、超大的工程特點有關(guān)。
城市副中心車站的施工全部在地下，最深的基坑達到地下48米，地連墻局部最深處達80米。因主體結(jié)構(gòu)在B3軌道層的層高達到13米，地連墻承擔的水土壓力特別大。如果采用等厚度截面的地連墻，厚度需要達到1.8米。為此，工程組想出了應(yīng)用T型地連墻的創(chuàng)意，支護剛度較常規(guī)1.2米厚地連墻大大提高，而總體的混凝土方量僅相當于約1.36米厚地連墻，有效降低了工程經(jīng)濟成本。
目前，該項目共建設(shè)T形地連墻216幅，總長度達1064米，主要分布在臨近運營國鐵正線的部位，以提高穩(wěn)定性和安全性。
最新工藝超級旋噴封底
地下52米做4米厚隔水層
“超級旋噴封底工藝是項目最新的技術(shù)工藝，目前還在開展試驗。”何剛介紹起這項新技術(shù)。
在基坑開挖影響范圍內(nèi)存在多層地下水，且個別地段隔水層不連續(xù)，存在“天窗”問題。為此，項目擬采用超高壓旋噴工藝進行封底加固補強措施。簡單來說，就是要在地下52米深的部位，對砂層進行局部加強，做一個4米厚的人工隔水層，技術(shù)難度非常高，常規(guī)加固工藝實現(xiàn)不了，都需要新技術(shù)手段支持。
“蓋挖逆作”法“先蓋屋頂、后建地面”
“由于項目是地下三層結(jié)構(gòu)，基坑周邊臨近大量市政管線、建筑物，需要將常規(guī)的地下結(jié)構(gòu)施工方法次序顛倒過來。所謂‘蓋挖逆作’，就是先支柱子搭房頂，最后是地面和墻面施工。”北京城建集團技術(shù)質(zhì)量部部長劉全軍形象地解釋了城市副中心站綜合交通樞紐采用的“蓋挖逆作”施工法，支護結(jié)構(gòu)實現(xiàn)永臨結(jié)合。
劉全軍介紹，目前該工程已完成負一層的土方開挖，現(xiàn)作業(yè)面槽深8米，完成樁基施工后，會陸續(xù)建設(shè)負二和負三層，開挖至坑底深度將達到32米，加之基坑?xùn)|西長1.8公里，寬300米，土方開挖量預(yù)計達到1400多萬立方米，相當于挖出7個昆明湖。
逆作法雖然增加了施工難度，但用正式的主體結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)基坑工程中的臨時內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，不僅減少臨時支撐所帶來的廢棄結(jié)構(gòu)，也提高了工程實施的安全性。
城市副中心站綜合交通樞紐工程使用的大直徑擴底樁。
智慧施工 云上模擬監(jiān)測準
全息投影、四折幕裸眼3D BIM立體查看現(xiàn)場進度
BIM是通過3D建模，讓工人和管理人員更直觀地了解項目的基本流程和施工難度。在城市副中心站綜合交通樞紐和城市副中心劇院項目中，都有BIM的身影。
城市副中心劇院項目建筑面積約12.53萬平方米，包括歌劇院、音樂廳和戲劇院三處場地。項目在實施過程中借助BIM平臺，實現(xiàn)場地布置方案優(yōu)化、進度模擬、現(xiàn)場綜合管理和疫情管理等功能。
“用手機掃一下這個二維碼，大家就都能查看項目的整體情況。”北京建工集團劇院項目技術(shù)主管朱丹江介紹，BIM應(yīng)用可模擬劇院項目進度，每周三更新現(xiàn)場進度，不僅能輔助現(xiàn)場進度，還通過云技術(shù)將項目整體情況進行渲染并制成二維碼，便于項目人員查看。
全息投影、四折幕裸眼3D效果，傳統(tǒng)的二維CAD圖紙轉(zhuǎn)換為三維模型……劇院項目BIM技術(shù)的可視化效果精彩，對施工場地布置模型，直觀、形象、準確地表達施工現(xiàn)場實際場地布置，驗證方案合理性，隨時優(yōu)化調(diào)整。
除了實時監(jiān)測項目進展，BIM應(yīng)用也能實現(xiàn)智能化人員管理。該項目實行勞務(wù)實名制，對人員流動性及用工情況進行現(xiàn)場管理，實名認證、人臉識別、體溫檢測……疫情期間，成為防控疫情的好幫手。
55米深地下止水帷幕墻 創(chuàng)北京紀錄
包括首都博物館東館在內(nèi)的三大建筑工程中，有一道55米深的地下止水帷幕墻。這是北京地區(qū)基坑工程首次設(shè)計超深止水帷幕，并應(yīng)用TRD工法成功實施，創(chuàng)造了北京地區(qū)地下止水帷幕深度新紀錄。
“止水帷幕”是項目施工中處理地下水的一種止水方式。“九河下梢”的通州區(qū)地下富水，水位較高，傳統(tǒng)的降水方式對基坑周圍沉降影響大。因此項目采用了“止水帷幕”的方式，既保障了施工的安全性，又實現(xiàn)了水資源的保護。
“基坑周邊采用深度49—55米深的等厚水泥土攪拌連續(xù)墻止水帷幕，帷幕全長2135米，將基坑封閉起來，相當于一個‘水盆’。”北投集團三大建筑項目部工程管理部負責人曾憲鋒介紹，在55米深的地下建止水帷幕墻并非易事，經(jīng)多番論證，項目最終決定采用國內(nèi)先進的TRDⅢ型工法機，順利實現(xiàn)55深米止水帷幕施工，達到國際領(lǐng)先水準。
記者 關(guān)一文 劉薇
