揭秘北京城市副中心三大超级工程：黑科技助力剧院、图书馆、博物馆建设
涵盖剧院、图书馆、博物馆在内的城市副中心三大建筑工程是城市副中心建设的一大超级工程。超级工程之所以“超级”，一方面体现在规划和建造的体量上。在这些引人瞩目的宏大工程背后，有着许多不被人知晓的高精尖“黑科技”。这些“黑科技”助力工程成功突破了重重技术难关，使其成为全市相关技术领域的“吃螃蟹”者，也成为全国乃至全球相关技术领域的“吃螃蟹”者。记者品味城市副中心建设中令人叹服的科技魅力。
首创工艺 自主创新技术强
全球首家“超高玻璃幕墙”森林书苑
北京城市副中心的剧院、图书馆、博物馆这三大建筑以及共享配套设施项目在 2019 年 10 月 28 日开始动工。目前，该项目正在有序地向前推进。北投集团三大建筑项目部的总经理陈宏达透露，此项目已经进入到主体结构的施工阶段，并且全面超出了“地平线”。预计在 2022 年 12 月底能够实现工程竣工。
城市副中心站综合交通枢纽项目的工地上，大型机械像树林一样矗立着。巨型钢柱将会撑起站房的主体结构。
城市副中心图书馆的建筑面积大概是 7.5 万平方米。它的设计理念是以中国传统文化符号“赤印”为基础。屋顶的建筑结构像树一样，宛如森林的伞盖。筑起这片“森林”的，是一款玻璃幕墙，这款幕墙无龙骨且全通透，是超高的。
该项目为使整体效果通透、造型新颖且个性鲜明，以打造地标性建筑，会采用高度方向无分格的超高玻璃幕墙，从而为读者提供更明亮的读书环境。“图书馆项目即将投入使用的超高玻璃幕墙，从外形方面来看属于国内首创，从受力体系方面来看在国际上也无先例。中铁建工集团图书馆项目的总工程师李勇进行介绍，这座超高玻璃幕墙是由 276 块玻璃环绕形成的。其中，最高的玻璃高度为 15.05 米，最大的板块重量达到 10.77 吨。
李勇介绍，工程的一大亮点是幕墙的无龙骨设计。幕墙板块形成互为支撑的体系，板块之间是锯齿形设计，板块夹角也在不规则地变化。通过互相支撑，能够承受水平荷载。其中最大的玻璃板块宽 2.5 米，高 15.05 米，这么大的玻璃板块需要进行切角和开豁处理，这种玻璃加工工艺在国内只有少数厂家能够进行，并且玻璃板块的总厚度达到了 132.6 毫米。板缝需使用分缝打胶的养护技术。这项工程的实践，会在一定程度上促使我国玻璃原片制造技术进入国际一流水平，也会促使高大玻璃深加工及胶合技术进入国际一流水平，还会促使超高幕墙施工技术进入国际一流水平。
目前，图书馆的地下室钢结构已经大致完成了。同时，地上的钢结构完成了百分之二十。今年 6 月，“超高玻璃幕墙”将开始进行作业。到那时，设计独特的大型现代公共图书馆将会迅速地矗立起来。
中国超大直径盾构隧道施工
结束依靠国外品牌时代
东六环改造工程的长度约为 16.3 公里。该项目包含直接加宽以及入地改造这两个部分。在其中，入地段是从京津公路南侧一直到潞苑二街北侧，其隧道的长度达到了 9.2 公里。而隧道采用的是明挖与盾构相结合的工法，盾构掘进的长度为 7.4 公里。
当前，“京华号”盾构机已调试完成且开始试运转。“运河号”盾构机也已组装完毕，进入了调试阶段。“京华号”始发一个半月之后，它将开始始发。两台盾构机在未来将会间隔 200 米，一个在前一个在后地挖掘隧道。
在项目施工现场，记者见到了这两台超大直径复合泥水平衡盾构机。“京华号”的最大开挖直径是 16.07 米，整机长度为 150 米，总重量是 4300 吨。“运河号”的最大开挖直径也是 16.07 米，整机总长约 145 米，总重量约 4500 吨。这两台“大家伙”开始投入使用，意味着中国在超大直径盾构隧道施工方面，不再依赖国外品牌，而是实现了自主。
中铁十四局东六环改造工程项目部工程部副部长陈建介绍说，“京华号”盾构机是中国到目前为止研制出来的直径最大的泥水平衡盾构机，并且拥有完全自主的知识产权，它的高度比 5 层楼还要高。之所以会选择这么大直径的盾构机，是为了能够满足该项目高速公路 80 公里时速的三车道通行设计标准，同时还不会受到天气的影响，这样就可以更好地发挥出自动化智能化的优势。
“京华号”盾构机装有高精度测量和导航系统，目的是确保在地表下能够精准走位、准确施工。该系统可以动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，并且准确度能够精准到毫米级。
在开掘时，隧道要穿越由粉细沙、中粗沙以及黏性土交互形成的地层等地质情况。从表面听来这些地质像是“软”的，但实际上却是很难攻克的“硬骨头”。工程专家向记者介绍，中粗沙里的石英含量较高，就像日常生活中常用的磨刀石那样，磨刀石能够“磨钢”。这次盾构机的刀盘需要比钢还要硬，它是含有锰、铬等元素的特殊合金刀具，这样能减少磨损。刀足够硬，更换刀具也需要足够快。目前，“京华号”盾构机所采用的是第三代常压换刀技术，这种技术更为安全且效率更高。
陈建介绍，地层中富含水分且压力较高。以前工作人员只能在带压的情况下换刀，就如同“潜水员”一般，在压力环境中进行操作。换一次刀具需要历经繁琐的加压以及减压等过程，常常需要花费一天的时间。而现在采用了常压换刀的方式，即在刀盘内部设置一个刀箱，工作人员钻入其中，最快 40 分钟就能够轻松地更换刀具，这种方式更加安全且高效。
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“运河号”是“京华号”的兄弟，它也是完全由中国自主研发设计制造的最大直径泥水平衡盾构机。它首次运用了全球首创的长距离掘进不换刀技术，能够连续掘进 4800 米而无需换刀，这样就极大地降低了工程风险。
国内首次地下减隔震 源头保护文物安全
城市副中心的首都博物馆（东馆）宛如镶嵌在城市森海中的“古韵风帆”，也被称作“运河之舟”。它具备收藏保管、开放式展陈、科学研究、社会教育、文保修复等多种功能，被定位为智慧型综合博物馆。该项目的建筑面积约为 9.97 万平方米，建筑高度为 35 米，最高点达到 48 米，日接待量约为 6000 人次。目前，项目处于混凝土结构施工阶段，局部混凝土结构封顶。
常规施工之外，这里存在一项“隐藏”的技术难点。为了确保馆藏文物的安全，该项目运用了先进的减隔震技术，这样能有效降低地震作用对上部结构所产生的作用效应，从而对文物起到保护作用。
据介绍，博物馆的隔震层处于地下一层的下方。这里设置了 242 个隔震支座。隔震支座的类型包括无铅芯橡胶支座、铅芯橡胶支座以及弹性滑板支座等。隔震支座的最大直径为 1500 毫米。在罕遇地震作用下，这些隔震支座能够达到 600 毫米的变形且不会被破坏。
博物馆挨着地铁。地铁在运营时会产生一定的振动。通过隔震层的设计，能够降低地铁运营期间的振动对上部工程的影响。这样可以提高工程使用的舒适度。北京城建集团博物馆项目副经理彭志勇为记者揭开了该建筑的抗震秘诀。隔震层是特别设置的，它能显著降低地震对上部结构的作用效应。北京地区上部结构的抗震设防烈度为 8°，采用隔震层的方案，能够在设计阶段降低计算抗震设防烈度，进而降低上部结构工程的建造成本。
“三超”地下工程作业门道多
北京城市副中心站综合交通枢纽规模宏大，属于亚洲最大的地下综合交通枢纽。此项目的地下总建筑面积约为 128 万平方米。其建设内容包含接驳场站等诸多方面，还有综合交通枢纽配套以及公共服务空间等，同时也包括市政配套设施等。预计到 2024 年底，该枢纽将具备通车的条件。
该项目属于超深的地下工程，属于超大的地下工程，属于超长的地下工程。它存在着大跨的不利结构条件，存在着大开洞的不利结构条件，存在着咽喉区柱网变化大的不利结构条件。并且它处于富水砂层，周边紧临既有运营的国铁，周边紧临既有运营的地铁，周边紧临既有运营的道路，周边紧临重要管线。整体工程风险很高，实施难度是可以想象得到的。
该工程采用了很多超常规的工程技术措施，其中有 T 型地下连续墙。还有砂土地层大直径扩底桩。以及扩大头可回收预应力锚索。同时有高精度桩柱定位。另外还有缓粘结预应力抗拔桩、挤扩支盘桩、超级旋喷桩封底加固等工艺。这些技术措施在北京应用得比较少。
50米长扩底桩打进城际车站区域
桩基工程是交通工程建设的基础。该工程具有埋深大以及区域抗浮水位高的特点。因为面临突出的抗浮问题，所以城际车站区域主要采用逆作工法，这样一来一柱一桩就成为了必须。因此工程桩的桩径和桩长规格较多，桩基数量达到了 1 万余根，规模很大，工程设计也很复杂。
一名工人在施工现场操作吊车，把 50 米长的扩底桩钢筋笼慢慢往地下送。我们使用的是大直径工程桩，其头部桩的直径在 2 米到 2.6 米之间，桩长为 40 米到 50 米，扩底直径在 3 米至 3.7 米不等。京投枢纽公司副总经理何刚介绍说，钻孔扩底桩是一种在等直径钻孔灌注桩基础上发展起来的桩型。它主要是通过压力或者机械的方式，在桩底形成一个扩大头，这样就能增大桩端的有效承载面积。
扩底桩能够提高承载力以及桩基的变形控制能力，还能降低造价并且改善桩基的受力性能等。这种工艺的施工难度较大，在国内工程中能够做到的数量并不多。此外，这些大直径扩底桩的施工机械头部安装了可视设备和传感器，能够实时回传数据。工程人员通过吊车内的电脑就可以清晰地了解地下扩底成孔的情况。
局部最深80米 T型地连墙省料又结实
地下连续墙是基础工程中在地面上使用的一种挖槽机械，在大型深基坑工程中应用广泛，它可以作为截水、防渗、承重、挡水的结构。但 T 型地下连续墙并不常见，这与城市副中心车站超深、超大的工程特点存在关联。
城市副中心车站的施工在地下进行。其最深的基坑达到地下 48 米，地连墙局部的最深处达 80 米。由于主体结构在 B3 轨道层的层高为 13 米，所以地连墙承担的水土压力很大。倘若采用等厚度截面的地连墙，那么厚度需达到 1.8 米。为此，工程组想出了一个创意，即应用 T 型地连墙。这种地连墙的支护刚度比常规 1.2 米厚地连墙有了很大提高。同时，总体的混凝土方量仅相当于约 1.36 米厚地连墙。这样就有效降低了工程的经济成本。
目前，该项目建设了 216 幅 T 形地连墙。这些地连墙总长度达到 1064 米。它们主要分布在临近运营国铁正线的部位。其目的是提高稳定性和安全性。
最新工艺超级旋喷封底
地下52米做4米厚隔水层
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何刚介绍起这项新技术，超级旋喷封底工艺是项目最新的技术工艺，并且目前该工艺还在开展试验。
基坑开挖影响范围内存在多层地下水，并且在个别地段，隔水层不连续，存在“天窗”的情况。基于此，项目打算运用超高压旋喷工艺来实施封底加固补强的措施。具体而言，就是要在地下 52 米深的位置，对砂层进行局部的强化，打造一个 4 米厚的人工隔水层，其技术难度极高，常规的加固工艺无法达成，都需要借助新的技术手段来提供支持。
“盖挖逆作”法“先盖屋顶、后建地面”
项目为地下三层结构，基坑周边靠近大量市政管线和建筑物，所以需要将常规的地下结构施工方法的次序进行颠倒。“盖挖逆作”指的是先搭建柱子和房顶，最后进行地面和墙面的施工。北京城建集团技术质量部部长刘全军对城市副中心站综合交通枢纽采用的“盖挖逆作”施工法进行了形象的解释，并且该施工法的支护结构实现了永临结合。
刘全军介绍，目前该工程的负一层土方开挖已完成。当下作业面的槽深为 8 米。完成桩基施工之后，会依次建设负二层和负三层。开挖至坑底的深度将会达到 32 米。并且基坑东西长 1.8 公里，宽 300 米，土方开挖量预计能达到 1400 多万立方米，这相当于挖出 7 个昆明湖的土方量。
逆作法有增加施工难度这一情况。它用正式的主体结构替代了传统基坑工程里的临时内支撑结构。这样做既减少了因临时支撑而产生的废弃结构，又提升了工程实施的安全性。
城市副中心站综合交通枢纽工程使用的大直径扩底桩。
智慧施工 云上模拟监测准
全息投影、四折幕裸眼3D BIM立体查看现场进度
BIM 通过 3D 建模，能使工人和管理人员对项目的基本流程以及施工难度有更直观的了解。在城市副中心站综合交通枢纽项目中，有 BIM 的存在。在城市副中心剧院项目中，也有 BIM 的身影。
借助 BIM 平台实现了疫情的管理等功能。
北京建工集团剧院项目技术主管朱丹江介绍，大家用手机去扫这个二维码，就能够查看项目的整体情况。BIM 应用能够模拟剧院项目的进度，并且每周三会更新现场进度。它不仅可以辅助现场进度，还通过云技术把项目的整体情况进行渲染，然后制成了二维码，这样便于项目人员进行查看。
全息投影具有效果，四折幕裸眼 3D 也有其效果，传统的二维 CAD 图纸被转换为三维模型。剧院项目的 BIM 技术可视化效果很精彩，它能对施工场地布置模型进行表达，既直观又形象且准确，能将施工现场实际场地布置表达出来，还能验证方案的合理性，并且可以随时进行优化调整。
BIM 应用除了可以实时监测项目进展之外，还能实现智能化人员管理。此项目实行了劳务实名制，能够对人员的流动性以及用工情况进行现场管理，包括实名认证、人脸识别以及体温检测等。在疫情期间，这些措施成为了防控疫情的好帮手。
55米深地下止水帷幕墙 创北京纪录
在首都博物馆东馆等三大建筑工程当中，存在一道深度为 55 米的地下止水帷幕墙。北京地区的基坑工程此前未曾设计过如此超深的止水帷幕，此次首次进行了这样的设计，并运用 TRD 工法将其成功实施，从而创造了北京地区地下止水帷幕深度的新纪录。
“止水帷幕”在项目施工中用于处理地下水。通州区处于“九河下梢”，地下富水且水位较高，传统降水方式会对基坑周围沉降产生较大影响。所以项目选用了“止水帷幕”这种方式，既能确保施工的安全性，又能实现对水资源的保护。
基坑周边设置了深度在 49 米到 55 米之间的等厚水泥土搅拌连续墙止水帷幕。这道帷幕全长 2135 米，把基坑给封闭了起来，就如同一个“水盆”一样。北投集团三大建筑项目部工程管理部的负责人曾宪锋进行介绍，在 55 米深的地下建造止水帷幕墙这件事并不容易，经过多次论证，该项目最终决定运用国内先进的 TRDⅢ型工法机，成功地完成了 55 米深的止水帷幕施工，达到了国际领先的水准。
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