这不是危言耸听。很早以前,永定河经常泛滥,多次改道,由此形成了一个冲积扇平原。而天安门地区就坐落在冲积扇平原中部,地下不仅黏土层、砂土层、卵石层交互出现,且含水层充分,既有常见的上层滞水、层间潜水,又有罕见的三层承压水,共5个含水层,因而地下水的压力特别大,而且地下水位还很高。大剧院作为国内基础最深的大型公建,地下大部分埋深为-26米,最深处的歌剧院舞台台仓底部达-32.5米,戏剧场和音乐厅的舞台台仓基础埋深也分别达-29.1米和-27米。经测算,地下水的压力之大,真能把大剧院整个结构浮起来。
怎么办呢?不可能带着水施工,所以只能把地下水抽走。但如果按传统方法大面积抽取地下水,不仅无可靠把握,而且需每天抽10万立方米以上的地下水,对北京这样的缺水地区,水资源浪费太大,最为严重的是会使这一地区的地下水位形成一个面积达5平方公里的“漏斗”,必然造成地面沉降,而大剧院基础边线距大会堂西侧路仅15米,距石碑胡同仅10米,北侧还有长安街和地铁,这样势必给大会堂及周围建(构)筑物、道路带来极大安全隐患,特别是大会堂是浅台基础,根本不能承受如此沉降。
歌剧院剖面图
这一大型超深基础施工是大剧院工程要解决的第一大技术难题,这也是对刚刚正式承担大剧院施工任务的总承包单位,特别是北京城建集团的第一次“大考”。为此,业主委员会于2000年3月16日召开施工方案研讨会,听取了总承包联合体总经理徐贱云关于超深基础施工方案的汇报。大家进行了细致的分析、讨论。万嗣铨要求,超深基础施工及降水作业要确保人民大会堂及其西侧路的安全,决不能发生沉降,3月底召开施工方案专家论证会。
我们将此事向贾庆林做了汇报。贾庆林明确要求,超深基础施工方案要组织专家论证,绝不能影响到大会堂的安全。
在3月底召开的大剧院超深基础施工方案专家论证会上,国内顶级水文地质专家和工程地质专家与业主、总包、监理一同对超深基础施工进行了“会诊”。
鉴于大剧院工程所处地理位置和环境相当特殊和重要,工程地质和水文地质条件又十分复杂,所以如何确定一个安全、经济、环保的基础支护方案,如何解决在多层承压水和巨厚卵石层中顺利进行超深基础施工,如何进行多层承压水的动态控制以确保基础和周围建(构)筑物的安全,就成为摆在业主委员会和施工单位面前困难而又必须解决的三个问题。
在业主委员会的组织下,施工单位对可供选择的几种方案从技术、经济、安全、环境等方面进行分析、比较和评价,经反复研究、多方论证,最后确定,根据大剧院北侧地下设施(201区)、大剧院主体建筑(202区)、大剧院南侧地下设施(203区)基础的不同特点分别采取不同的方法。
大剧院剖面图(壳体左侧为201区,右侧为203区)
因为202区基础最深,所以风险最大,技术难度也最大,因而202区是超深基础施工的重点。对202区采取的是一种全新的方法——对地下水实施“隔离加控制,挡降结合,分级支护”的方案,即对上层滞水、层间潜水和三层承压水按基础不同部位采取不同的地下水动态控制技术。简单说就是:
第一级,在消防环道-13.58米范围,先打护坡桩,再用锚杆锚固,在基坑外设抽渗井降水。
第二级,在大剧院主体建筑地下大面积-26米基础层面按设计周长构筑一堵全长610米、厚度800毫米的椭圆形厚壁地下连续墙,把大剧院主体建筑地下围起来,再用锚杆锚固,在连续墙内设28眼疏干井降水。
第三级,在歌剧院舞台台仓四周构筑一堵全长190米、厚度300毫米的四方形薄壁地下连续墙隔水帷幕,把歌剧院舞台台仓围起来,在帷幕内设疏干井,在帷幕外设24眼减压井减压降水。
所谓地下连续墙,形象地说就是用一个“桶”把大剧院的地下部分围起来。这样,既可阻止外面的水进来,又可把里面的水抽出去;既可开挖基础土方,又可避免地面沉降,同时解决了施工期间结构“上浮”问题。地下连续墙由钢筋混凝土构成,在窄而深的空间施工,难度很大。另外,在地下连续墙施工过程中还需要采取护坡、锚固等技术。这些虽然都是现有技术,但经过科学合理的综合应用,将单项的常规技术进行组合,相当于集成创新。这项技术被称作超深基础综合施工技术。
与会专家对这个方案给予很高评价,认为传统的大面积降水的方法风险很大,社会效益不好,特别是如果一旦失败难以补救。而现在所选择的方案考虑问题全面,能满足工程的需要。但施工难度仍很大,应先试验,再实施。
专家论证会后,徐贱云组织施工单位进行了地下连续墙锚杆支护体系及深水井施工等多项试验;优选了地下连续墙浇筑的泥浆配比;掌握了合理的设备配置等施工数据。
在半年以后的第二次专家论证会上,专家们对施工单位所做的大量技术准备和试验工作给予充分肯定,并提出许多有益的意见和建议。会议形成两点共识:一是传统降水方案由于风险大且经济效益不明显,应予否定;地下连续墙加锚杆方案,经试验证明是可行和可靠的,应予采纳。二是地下连续墙方案还应进一步优化。
2001年4月2日开始构筑地下连续墙。由于超深基础地下连续墙在巨厚卵石层和多层承压水的复杂地质条件下施工在我国毕竟是第一次,为确保“安全、经济、先进”,业主委员会于4月10日又专门召开地下连续墙施工方案专家论证会。来自清华大学、北京市勘察院、中国建筑科研院等单位的著名地质专家和结构专家以科学、严谨、负责的态度,对地下连续墙施工方案进行了论证和完善。
7月10日,地下连续墙劳动竞赛总结表彰大会召开。我和北京城建集团总经理郁志桐及徐贱云等出席并讲话。彭成均代表城建集团大剧院土建工程项目经理部做了前期准备工作小结。大会对获得地下连续墙施工劳动竞赛先进单位和先进个人进行了表彰。朱正林和北京城建集团有关领导出席。
截至7月30日,以地下连续墙为主要内容的超深基础工程经过三个多月的奋战,比计划提前15天完成,共浇筑深度达40多米的地下连续墙610延长米,钻预应力锚杆220根,打护坡桩88根,有效抵御了盛夏的几场大雨。共挖土方25万立方米,局部深度已达-26米,可直接对地下连续墙表面进行检查、清理和修补。
超深基础施工现场
四周地下连续墙已清晰可见
大剧院这项大型超深基础施工的成功具有重要意义。
第一,通过实践,总结出在巨厚卵石层和多层承压水中有效控制地下水的施工技术,并创造了北京地区地下降水最深的纪录。
第二,首次采用了疏干、抽渗、隔离、降压等多种形式联合并用的地下水控制方法,并取得很好效果。
第三,为地下水控制工程中有效保护环境提供了范例,通过有效实施地下水控制方案,比传统方法少抽取地下水上千万立方米,有效保护、节约了北京地区稀缺、宝贵的地下水资源。
201区超深基础施工现场
摄于2001年12月1日
第四,通过隔离加控制,挡降结合的地下水控制技术,有效控制了地下水位,有效解决了工程结构上浮问题。监测表明,结构施工期间工程结构本身未出现上浮。
第五,突破了传统地下水控制的单一方式,拓宽了地下水控制的思路,为巨厚卵石层和多层承压水的深、大基坑施工探索出一条成功途径,对今后类似工程的施工具有广泛的参考意义。
第六,该项工程技术减少了对周围建(构)筑物的影响,监测表明,在工程施工的全过程中,周围建(构)筑物始终处于安全状态。
第七,具有明显的经济性,在确保安全的前提下,总体节约工程成本20%,其中锚杆施工技术和地下水控制技术与国外报价相比,节约工程成本50%~70%。
总之,随着城市建设规模不断扩大和地下空间开发利用日趋充分,地下连续墙作为城市繁华地区超深基础的支护结构,成为必然的发展趋势。从更高层面看,通过大剧院超深基础在复杂地质条件下的施工实践,探索、总结出了巨厚卵石层和多层承压水地下连续墙施工技术,促进了我国超深基础地下连续墙施工技术的发展。
歌剧院舞台台仓施工现场
基坑四周为24眼减压降水井
摄于2001年12月29日
超深基础施工现场工人铺设钢筋
摄于 2001年12月29日
贾庆林12月29日视察大剧院工程时对超深基础综合施工技术给予高度评价。他强调,大剧院工程举世瞩目,在建设中要始终坚持一流标准,注重质量,从基础做起,基础工程更要注重质量,真正做到质量第一。对工程建设中的控制性项目和重点、难点问题,要早做研究、深入研究、技术攻关、反复论证并及时解决。
贾庆林(右四)在听取汇报时讲话
万嗣铨在作汇报
2003年3月28日,北京市科委召开大剧院超深基础综合施工技术研究成果鉴定会。由8位权威专家组成的鉴定委员会通过认真研究,认为大剧院超深基础综合施工技术有效解决了大剧院超深基础的支护、抗浮、防沉降等问题,具有五项明显创新:一是采用护坡桩、地下连续墙和隔水帷幕等多种支护形式联合并用的方法,研究并应用一套地下水控制技术,达到了基础支护和地下水控制的双重要求。二是地下连续墙施工研究总结出“两钻一抓”施工工艺,解决了深厚卵石层条件下地下连续墙的垂直度控制和成槽速度施工难题。三是成功解决了深、大基础施工在高承压水砂卵石地层的锚索成孔与注浆难题。四是地下水动态控制首次采用疏干、抽渗、隔离、降压等多种形式联合并用的方法,大大减少了抽水量和排水量,为地下水控制工程中有效保护环境提供了先例。五是自主开发的监测分析系统实现了数据处理分析、反馈和预警,为深、大基础施工提供了有效监测手段。鉴定委员会一致认为,大剧院超深、超大基础施工,是一个科技含量高、高度综合与优化的系统工程。大剧院超深基础综合施工技术已经达到国际先进水平,取得了显著的经济效益、社会效益和环境效益,可在类似工程中推广应用,同意授予北京市科技进步奖。专家们还建议:该项目并不局限于“施工技术研究”,应改为“综合技术研究”。
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