北京城市副中心站综合交通枢纽工程、东六环入地改造工程，以及涵盖剧院、图书馆、博物馆在内的城市副中心三大建筑工程，被视为城市副中心建设的三大超级工程。超级工程之所以“超级”，不仅体现在规划和建造体量上，在这些备受瞩目的宏大工程背后，更有许多不为人知的高精尖“黑科技”，助力其成功突破重重技术难关，成为全市、全国乃至全球相关技术领域的“吃螃蟹”者。
日前，记者先后探访了三大工程的施工现场，带您一起掀开这些“黑科技”的面纱，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
北京城市副中心剧院、图书馆、博物馆三大建筑及共享配套设施项目于2019年10月28日开工，目前正在有条不紊地推进中。北投集团三大建筑项目部总经理陈宏达透露，项目已进入主体结构施工阶段并全面冲出“地平线”，预计于2022年12月底实现工程竣工。
城市副中心站综合交通枢纽项目工地大型机械矗立如林，巨型钢柱将撑起站房的主体结构。
城市副中心图书馆的建筑面积约7.5万平方米，其设计理念源于中国传统文化符号“赤印”。屋顶的树状建筑结构宛如森林伞盖，而筑起这片“森林”的，是一款无龙骨全通透的超高玻璃幕墙。
为了使项目整体效果更通透、造型新颖、个性鲜明，打造地标性建筑，该项目将采用高度方向无分格的超高玻璃幕墙，为读者提供更加明亮的读书环境。“图书馆项目即将投入使用的超高玻璃幕墙无论从外形还是受力体系上，都属国内首创，在国际上也并无先例。”中铁建工集团图书馆项目总工程师李勇介绍，这座超高玻璃幕墙由276块玻璃围绕而成，最高的玻璃高达15.05米，最大的板块重量达到10.77吨。
李勇介绍，幕墙的无龙骨设计是工程的一大亮点，“幕墙板块互为支撑体系，板块间为锯齿形设计，板块夹角也在不规则变化。”通过互相支撑，承受水平荷载。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切角、开豁，这种玻璃加工工艺在国内只有少数厂家可以做，且玻璃板块总厚度更是达到132.6毫米。板缝需采用分缝打胶的养护技术，这项工程的实践也将在一定程度上推动我国玻璃原片制造、高大玻璃深加工及胶合、超高幕墙施工等技术进入国际一流水平。
目前，图书馆地下室钢结构已基本完成，地上钢结构完成了20%。“超高玻璃幕墙”将于今年6月开始作业，届时，设计独特的现代大型公共图书馆将拔地而起。
中国超大直径盾构隧道施工
结束依靠国外品牌时代
东六环改造工程全长约16.3公里。项目分为直接加宽与入地改造两部分，其中入地段为京津公路南侧至潞苑二街北侧，隧道长度9.2公里。隧道采用明挖与盾构结合工法，盾构掘进长度7.4公里。
当前，“京华号”盾构机调试完成并试运转，“运河号”盾构机也已组装完成进入调试阶段，待“京华号”始发一个半月后，也将始发。两台盾构机未来将间隔200米一前一后挖掘隧道。
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”最大开挖直径16.07米，整机长150米，总重量4300吨。“运河号”最大开挖直径同样为16.07米，整机总长约145米，总重量约4500吨。这两台“大家伙”的投用，标志着中国超大直径盾构隧道施工依靠国外品牌时代的终结。
“‘京华号’盾构机是中国迄今研制的最大直径、拥有完全自主知识产权的泥水平衡盾构机，高度超过了5层楼。”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，之所以选择如此大直径盾构机，是为满足该项目高速公路80公里时速的三车道通行设计标准，且不受天气影响，可更好发挥自动化智能化优势。
为了确保在地表下精准走位、准确施工，“京华号”盾构机装有高精度测量和导航系统，动态显示当前位置相对于隧道设计轴线的位置偏差，准确度精准到毫米级。
在开掘过程中，隧道需穿越粉细沙、中粗沙及黏性土交互层等地质，听上去“软”，实际却是“硬骨头”。工程专家告诉记者，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‘磨钢’。这次盾构机刀盘就要比钢更硬，是含有锰、铬等元素的特殊合金刀具，减少磨损。”刀够硬，换刀也要够快。目前，“京华号”盾构机采用的是更安全、更高效的第三代常压换刀技术。
陈建介绍，地层中富水高压，以前工作人员只能带压换刀，要像“潜水员”一样，在压力环境下操作。换一次刀具需要经过繁琐的加压、减压等过程，常要花上一天时间。现在采用了常压换刀，就是在刀盘内部设置一个刀箱，工作人员钻到里面，最快40分钟就能轻松更换刀具，更加安全高效。
“京华号”的兄弟“运河号”，同样是完全自主研发设计制造的中国最大直径泥水平衡盾构机，首次采用了全球首创长距离掘进不换刀技术，可连续掘进4800米不换刀，极大降低工程风险。
国内首次地下减隔震 源头保护文物安全
城市副中心首都博物馆（东馆）是镶嵌在城市森海中的“古韵风帆”，又名“运河之舟”，集收藏保管、开放式展陈、科学研究、社会教育、文保修复等功能于一体，定位为智慧型综合博物馆。项目建筑面积约为9.97万平方米，建筑高度35米，最高点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。
除了常规施工外，这里还有一项“隐藏”技术难点——为了保证馆藏文物的安全，该项目采取先进的减隔震技术，有效减小地震作用对上部结构的作用效应，保护文物。
据介绍，博物馆的隔震层位于地下一层下方，设有242个隔震支座，支座类型有无铅芯橡胶支座、铅芯橡胶支座、弹性滑板支座等，隔震支座最大直径1500毫米，可在罕遇地震作用下达到600毫米变形不破坏。
“博物馆紧邻地铁，地铁在运营过程中将产生一定的振动，通过隔震层的设计，可降低地铁运营期间振动对上部工程的影响，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秘该建筑的抗震秘诀。特别设置的隔震层可显著降低地震对上部结构的作用效应，上部结构的北京地区抗震设防烈度为8°，采用隔震层的方案，可在设计阶段降低计算抗震设防烈度，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是亚洲最大的地下综合交通枢纽。该项目地下总建筑面积约128万平方米，建设内容包括接驳场站、综合交通枢纽配套、公共服务空间、市政配套设施等，预计2024年底具备通车条件。
该项目属于超深、超大、超长地下工程，不仅存在大跨、大开洞、咽喉区柱网变化大等不利结构条件，同时还处于富水砂层且周边紧临既有运营国铁、地铁、道路和重要管线，整体工程风险高，实施难度可想而知。
该工程创新采用很多超常规工程技术措施，包括T型地下连续墙、砂土地层大直径扩底桩、扩大头可回收预应力锚索、高精度桩柱定位，以及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少有应用。
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。由于该工程埋深大、区域抗浮水位高，面对突出的抗浮问题，城际车站区域主要采用逆作工法，一柱一桩成为了必须。所以工程桩的桩径、桩长规格多，桩基数量达到1万余根，规模庞大，工程设计复杂。
在施工现场，一名工人正在操作吊车，将50米长的扩底桩钢筋笼缓缓深入地下。“我们采用的大直径工程桩，头部桩直径2米到2.6米，桩长40米到50米，扩底直径3米至3.7米不等。”据京投枢纽公司副总经理何刚介绍，钻孔扩底桩是在等直径钻孔灌注桩基础上发展起来的一种桩型，主要通过压力或机械的方式在桩底形成一个扩大头，以增大桩端有效承载面积。
扩底桩具有提高承载力及桩基变形控制能力，降低造价、改善桩基受力性能等优势。这种工艺施工难度大，在国内工程中能够做到的并不多。而且，这些大直径扩底桩施工机械头部还安装了可视设备和传感器，实时回传数据。工程人员在吊车内的电脑上就能清晰了解地下扩底成孔情况。
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在地面上采用一种挖槽机械，在大型的深基坑工程中应用广泛，作为截水、防渗、承重、挡水的结构。然而，T型地下连续墙却并不常见。这与城市副中心车站超深、超大的工程特点有关。
城市副中心车站的施工全部在地下，最深的基坑达到地下48米，地连墙局部最深处达80米。因主体结构在B3轨道层的层高达到13米，地连墙承担的水土压力特别大。如果采用等厚度截面的地连墙，厚度需要达到1.8米。为此，工程组想出了应用T型地连墙的创意，支护刚度较常规1.2米厚地连墙大大提高，而总体的混凝土方量仅相当于约1.36米厚地连墙，有效降低了工程经济成本。
目前，该项目共建设T形地连墙216幅，总长度达1064米，主要分布在临近运营国铁正线的部位，以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
“超级旋喷封底工艺是项目最新的技术工艺，目前还在开展试验。”何刚介绍起这项新技术。
在基坑开挖影响范围内存在多层地下水，且个别地段隔水层不连续，存在“天窗”问题。为此，项目拟采用超高压旋喷工艺进行封底加固补强措施。简单来说，就是要在地下52米深的部位，对砂层进行局部加强，做一个4米厚的人工隔水层，技术难度非常高，常规加固工艺实现不了，都需要新技术手段支持。
“盖挖逆作”法“先盖屋顶、后建地面”
“由于项目是地下三层结构，基坑周边临近大量市政管线、建筑物，需要将常规的地下结构施工方法次序颠倒过来。所谓‘盖挖逆作’，就是先支柱子搭房顶，最后是地面和墙面施工。”北京城建集团技术质量部部长刘全军形象地解释了城市副中心站综合交通枢纽采用的“盖挖逆作”施工法，支护结构实现永临结合。
刘全军介绍，目前该工程已完成负一层的土方开挖，现作业面槽深8米，完成桩基施工后，会陆续建设负二和负三层，开挖至坑底深度将达到32米，加之基坑东西长1.8公里，宽300米，土方开挖量预计达到1400多万立方米，相当于挖出7个昆明湖。
逆作法虽然增加了施工难度，但用正式的主体结构代替了传统基坑工程中的临时内支撑结构，不仅减少临时支撑所带来的废弃结构，也提高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是通过3D建模，让工人和管理人员更直观地了解项目的基本流程和施工难度。在城市副中心站综合交通枢纽和城市副中心剧院项目中，都有BIM的身影。
城市副中心剧院项目建筑面积约12.53万平方米，包括歌剧院、音乐厅和戏剧院三处场地。项目在实施过程中借助BIM平台，实现场地布置方案优化、进度模拟、现场综合管理和疫情管理等功能。
“用手机扫一下这个二维码，大家就都能查看项目的整体情况。”北京建工集团剧院项目技术主管朱丹江介绍，BIM应用可模拟剧院项目进度，每周三更新现场进度，不仅能辅助现场进度，还通过云技术将项目整体情况进行渲染并制成二维码，便于项目人员查看。
全息投影、四折幕裸眼3D效果，传统的二维CAD图纸转换为三维模型……剧院项目BIM技术的可视化效果精彩，对施工场地布置模型，直观、形象、准确地表达施工现场实际场地布置，验证方案合理性，随时优化调整。
除了实时监测项目进展，BIM应用也能实现智能化人员管理。该项目实行劳务实名制，对人员流动性及用工情况进行现场管理，实名认证、人脸识别、体温检测……疫情期间，成为防控疫情的好帮手。
55米深地下止水帷幕墙 创北京纪录
包括首都博物馆东馆在内的三大建筑工程中，有一道55米深的地下止水帷幕墙。这是北京地区基坑工程首次设计超深止水帷幕，并应用TRD工法成功实施，创造了北京地区地下止水帷幕深度新纪录。
“止水帷幕”是项目施工中处理地下水的一种止水方式。“九河下梢”的通州区地下富水，水位较高，传统的降水方式对基坑周围沉降影响大。因此项目采用了“止水帷幕”的方式，既保障了施工的安全性，又实现了水资源的保护。
“基坑周边采用深度49—55米深的等厚水泥土搅拌连续墙止水帷幕，帷幕全长2135米，将基坑封闭起来，相当于一个‘水盆’。”北投集团三大建筑项目部工程管理部负责人曾宪锋介绍，在55米深的地下建止水帷幕墙并非易事，经多番论证，项目最终决定采用国内先进的TRDⅢ型工法机，顺利实现55深米止水帷幕施工，达到国际领先水准。
记者 关一文 刘薇
