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技术创新促发展  行业改革谱新篇_中国信息报
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更新时间:2010年12月17日 08:08:32

技术创新促发展  行业改革谱新篇

——记一种用于基坑施工的新技术及发明人
□ 付梦晨/文
 
    所谓技术创新,就是一个从新思想的产生,到产品设计、试制、生产、营销和市场化的过程,也是知识的创造、流通和应用的过程。技术创新在西方国家已被视为经济增长的发动机,甚至新的工业宗教。正所谓,“创新是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力……一个没有创新能力的民族,难以屹立于世界先进民族之林。”一个行业的长久发展,在很大程度上取决于它依靠科技进步进行产品开发和创新的能力。放眼当今世界科技创新的潮流已席卷了全球,各国争先恐后地加入科技创新的大军中,希望能在彼此的竞争中抢占有利的位置甚至是领先或垄断地位。这是一条我们必须前进的道路,不能落后,更不能被淘汰。
    近20年,尤其是本世纪以来,基坑工程数量与体量规模急剧增加,技术上也有了长足的进步。上世纪70年代末以前,国内只在少数大型工程项目中有开挖深度10米以上的基坑工程,且处在较少或没有相邻建筑或地下结构物的地区。到1996年,10层以上的高层建筑累计达1亿多平方米,多数高层建筑都有1~3层地下室,基坑开挖深度通常为6~15米。进入21世纪后出现了更多的超高层建筑和大型的地下空间工程,特别是北京、上海、广州、深圳等30多个城市轨道交通的全面展开更带来了大量的超深基坑工程。基坑工程与其隶属的岩土工程学科一样,是实用性、经验性极强的学科,是随着工程实践不断提高技术水平的学科。在基坑工程中既有大量成功的经验,也有不少失败的教训。
    目前基坑工程的设计和施工仍然存在着许多的问题,以及困难点。例如,岩土本构关系的模糊性离散性、地下工程的隐蔽性、施工过程对基坑稳定与变形的时空效应关联性等,非常复杂,基坑稳定与变形计算中不易精确计算出施工参数对基坑变形的影响,这样在设计时就不得不考虑因局部最不利因素而大大增加了整体安全系数,其设计结果虽然保证了安全但也相当浪费资源。即便如此利用现有技术,进行基坑施工中还时常有各种各样的意外发生而导致灾难性的基坑事故。
热点之中诸多难点
    由于我国近年来开发地下空间的迅猛发展,基坑工程成为了土木工程研究的热点学科。据广州市工程师丁慈鑫先生介绍,基坑工程是我国近20年来土木工程的热点、难点问题。说其热是因由此引发的话题多,涉及的利益群体多,介入的相关部门多。说其难是因其引发的技术经济环境难题不少,且不轻易解决。丁慈鑫先生长期以来从事大型电力基建工程及大型房地产工程的项目、技术、经济管理工作,既有大型基建工程的组织工作经验,又有多年工程技术与项目经济的整体协调工作经验。对于基坑工程问题,他曾进行了长期深入的探索思考。
    针对基坑工程的相关问题,丁慈鑫介绍说,基坑工程存在许多不可回避的问题,主要涉及以下几个方面:
    首先是安全问题,近几年来基坑事故频繁发生,它的恶劣影响已经越发引起人们的高度关注。中国如此,外国亦如此。重大基坑事故的发生将涂炭生灵,救援极其困难,政府形象严重受损。
    其次是工期问题与质量问题,基坑工程由于技术上的困难,其施工工期在整个项目建设总工期中所占比例不小,在地下空间工程项目中往往基坑工期大大超过坑内结构本体工期。在地铁车站、高层建筑深基坑、以及高水位软黏土地区表现的尤其典型。同时,基坑工程由于受岩土工程的复杂性,地下工程的隐蔽性,坑内施工环境的恶劣性影响,往往工程质量瑕疵较多,局部危险较多,质量指标波动离散性较大,人们多以增大设计安全度和增大经济投入来补偿与掩盖。
    再有就是造价问题和环保问题,基坑工程的施工造价不菲,摊销后往往能使地下结构均方造价大增至翻一番,极个别甚至翻两番;同时,基坑工程不仅对近邻周边环境造成威胁与破坏,而且基坑工程大量的消耗建筑材料以及大量的搬运土方和抽取地下水,从而导致资源能源增耗,排放增加,环境破坏,无疑是耗能增排“恶劣的贡献大户”。
    最后总结来说就是社会代价问题,由于上述因素从而导致资源、能源、环境、资金、时间、空间、发展速度、社会经济、社会代价巨大。因此基坑工程成为热点、难点问题则顺理成章,不难理解。
困难领域的突破口
    长期从事工程技术指导和管理的丁慈鑫对此项工程难题也非常困扰。他在对基坑工程存在的诸多问题进行了长期研究之后,提出了一种可以解决现有基坑工程问题的新技术--沉井可控下沉法。
    丁慈鑫说:“广大的土木工程师致力于基坑工程学术研究及工程实践,大大推动了我国基坑工程的水平。遗憾的是部分基坑研究者似乎遗忘了沉井围护是基坑支护的重要及特殊手段之一,一些标准、专著、教科书甚至未将沉井围护列为基坑支护的技术手段之一,我国至今尚未有关于沉井技术的正式国家标准。然而在基坑研究学术领域有一个极其微弱的声音,为数不多的学者希望将传统的沉井技术应用于一般建筑基坑工程,并进行了有益的尝试。但时至今日尚未在技术理论与工程实践规模或广泛应用上获得重大突破,个别成功的案例却不具有普遍推广的意义。其根本原因是传统沉井技术的致命缺陷未得到彻底消灭,导致其特殊的优势不能得到充分的发挥,限制了沉井技术的广泛应用。”
    由于传统沉井技术的特征优势与致命缺陷并存,基坑工程迫切需要沉井技术有创新突破,才能广泛适用于垂直明挖的地下工程。丁慈鑫长期从事电力基建工程与房地产土建工程的项目、技术、经济管理工作,历经长期的工程经历与积累,为了致力于解决一般基坑工程施工的安全、工期、质量、造价、环保诸问题,丁慈鑫潜心研究构思了“狭义沉井可控下沉法”的技术理念,并以此为核心,提出与之相配套的支撑技术体系,使得沉井施工技术完全可以应用于一般的大面积基坑工程。新颖的“广义沉井可控下沉法”技术使传统的沉井技术理论具有实质性的创新突破与发展前景。
弃旧扬新 突破传统
    沉井作为一种特种结构或特殊的施工方法,传入中国至少有100年以上的历史了,当初主要是为了建造桥梁的桥墩基础而发展起来的。1894年由我国铁路工程先驱詹天佑主持建造的天津滦河大桥桥墩得以应用之后,20世纪30年代我国的桥梁泰斗茅以升主持建造的浙江钱塘江大桥桥墩再次发展应用。沉井结构及施工方法扩展应用到现代土木工程地下空间的开发,建筑结构的深基础,以及基坑支护方法等各方面,特别是南海一号古沉船的完整打捞,充分展示了沉井技术的特殊功能以及崭新的应用领域。
    沉井作为地下空间构筑物或高层建筑深基础或深基坑支护施工的一种结构,有其独特的工程应用条件范围。比如,一般在较好的硬土地质条件下,可不采用沉井技术,而采用其它基坑施工技术方法则更为便捷经济。然而在软土地区,由于地质疏松,稳定性差,因此采用一般的基坑支护结构则将导致高昂的支护费用,同时导致施工的工期变长,此外,施工的风险也较大。
    因此,沉井大量地应用于江河湖海边冲积层软土地质条件下施工。但沉井在软土地质条件下施工应用,若设计与施工操作不当,极易发生突沉、超沉、中心偏移、平面旋转、竖向倾斜、变形断裂、井内涌土与井外塌陷等重大安全与质量事故。这主要是目前的沉井结构及相应的施工方法不能保证沉井在工程意义上的平稳下沉且准确终沉所导致的。因此,实际施工过程中,绝大多数沉井均是东倒西歪、摇摇晃晃地往下沉,施工险情极易发生,在下沉过程中,必须不断地纠偏、扶正,尽量保持沉井的平衡,从而导致施工难度加大,施工工期延长,成本不断攀升。这些传统技术的致命缺陷是沉井施工中长期需要解决但一直未能解决的技术难题。
    用沉井施工方法进行大面积深基坑支护的施工,是工程界研究的方向之一,但目前最大面积的沉井仅相当于中小规模面积的基坑。而要做出更大平面积、更大圆形直径或更大矩形单边长度、更大的内分格尺寸、更复杂的异形不对称平面形状的沉井则目前在工程界极为困难。这是目前的沉井结构及相应的施工方法不能保证沉井在工程意义上的平稳下沉且准确终沉的特点所决定的,从而限制了沉井朝着面积更大型化、平面更复杂化、造价更经济化方向发展的速度,进而限制了沉井用途的扩展;这也是沉井设计与应用中长期未决的难题。
    归根到底,沉井技术具有两大特征优势:沉井结构具有强大的三维空间刚度可直接作为基坑围护结构使用、工程实例已有下沉超过200米的纪录。沉井技术具有四大致命缺陷:沉井结构空间姿态极难精确控制、施工期井内外土层变形极大、靠结构自重下沉与抗浮耗材极高、井内施工开挖出土极为困难。正因为沉井技术的特征优势与致命缺陷并存,限制了沉井技术的广泛应用及单体大规模的应用。
    丁慈鑫和丁树东先生共同开发研究的沉井可控下沉法突破了传统的思维定势,从消灭沉井技术的致命缺陷入手,达到充分发挥沉井技术的特征优势之目标。其核心理念是:①在群桩及千斤顶上制作沉井结构,借助相互交换荷载传递路径的方法并利用千斤顶的机械可调性能,精确地控制沉井平稳下沉且准确终沉;②采用在井内设置钢板桩墙、在井壁底设置钢板刃脚、在井外设置螺旋锚,完全切断土层变形滑移的运动及应力传递路径,并减少土层变形与滑移的原动力;③综合应用螺旋锚技术、钢板刃脚技术、双向千斤顶技术、抗拔桩技术,实现对沉井结构加载、减阻、减摩、拖拽、抗浮效果,达到减轻沉井设计自重的目的;④采用运输设备直接进入沉井内部运输出土的技术方法,实现快速开挖出土的效果,以支持超大面积超大体量沉井项目的施工建造;⑤沉井支撑体系采用标准化工具化的方法,以方便设计与施工,以支持工程应用的可操作性与经济性。
    这种新技术的突破创新使得沉井应用的困难得以根本解决,而将沉井技术应用于一般基坑工程中的困难亦得以彻底解决。沉井技术的特征优势将得到充分发挥。
新技术:沉井可控下沉法
    由丁慈鑫等人研发的这种“狭义沉井可控下沉法”意即:对沉井结构的空间姿态实时控制,消灭施工风险,是一个原始理念,也是本专利技术群的核心概念与技术的起点。他由以下两件专利技术申请构成:一种沉井结构(实用新型专利号ZL 200820043370.3)、沉井结构及将沉井结构平稳准确沉入地面的方法(发明专利申请号200810026012.6)。其中后一件申请提交了PCT申请(国际阶段申请号PCT/CN2009/070038)。
    “广义沉井可控下沉法”意即:对传统沉井技术的致命缺陷实施综合治理,是多个技术方案的集合,是一个由多件专利技术组成的专利族的统称,它由14件专利技术申请组合构成。除上述两件专利申请外,还有如下:一种提高基坑施工安全度的装置(实用新型专利号ZL 200920051549.8)、一种提高基坑施工安全度的装置及其方法(发明专利申请号200910037341.5)、一种在沉井施工中用于支撑沉井结构的内支撑桩(实用新型专利号ZL 200920055349.x)、一种在沉井施工中用于支撑沉井结构的内支撑桩(发明专利申请号200910038968.2)、用于支撑沉井结构的外支撑体系(实用新型专利号ZL 200920059234.8)、用于支撑沉井结构的外支撑体系及其施工方法(发明专利申请号200910040575.5)、用于沉井结构的刃脚(实用新型专利号ZL 200920061116.0)、一种具有二次支护装置的沉井(实用新型专利号ZL 200920263600.1)、一种具有二次支护装置的沉井及其施工方法(发明专利申请号200910194279.0)、沉井的下沉装置(实用新型专利号ZL 201020026819.2)、沉井的下沉装置及具有该装置的沉井的下沉方法(发明专利申请号201010019420.6)、一种进入沉井内部运土的施工方法(发明专利申请号 201010279280.6)。其中两件(发明专利申请号200910038968.2、 200910040575.5)提交了PCT申请。
    “广义沉井可控下沉法”将导致沉井技术理论及应用条件的一系列改变:沉井的构件截面尺寸大量削减,适用于无内隔墙、薄壁、轻型化沉井结构;沉井的设计不再主要考虑靠自重下沉与自重抗浮;而主要靠基桩拖拽下沉与抗浮;沉井的平面及空间形状、面积及体量规模、形心与重心重合度、不再受限制;沉井将普遍的适用于各种地质条件和各种环境条件下施工;沉井设计将不再考虑被动土压力的状态,从而修正设计计算理论。
    沉井的施工设计可以大量的减少地基处理工程量;可以更轻易的灵活选择一次制作一次下沉或多次制作多次下沉的方案;可以更轻易的灵活选择排水下沉或不排水下沉实施方案。同时,沉井的施工还可以引入动态逆作法理念,沉井结构下沉与上部结构施工将同时进行;它可以引入小流水节拍的理念,沉井结构的多次制作过程与多次下沉作业过程可交叉进行或平行进行;沉井的施工设计可以在沉井结构顶部和内部大量布置一般的各种土方开挖机械,实现连续开挖出土作业,提高效率加快施工速度;改变传统的土方开挖施工设计方案。
    这种施工方法可以更普遍的推广预应力技术在地面制作沉井,发挥沉井结构井壁自防水的优势,同时更有效的控制沉井及基坑工程在施工阶段时土层变形及施工安全,同时,他还适用于高精度定位、高质量结构体型与表面要求的沉井结构,可以使沉井项目施工得到更快的制作速度与下沉速度,大幅度缩减工期。
    广义沉井可控下沉法包含的14件专利的原理是:首先对沉井结构的空间姿态实施全寿命期的有效控制,然后对沉井的内外土层变形实施有效控制,再对沉井的设计自重实施有效控制,并对开挖出土技术及支撑体系方案进行改进。从而实现沉井技术的安全、质量、工期、造价等技术经济指标的全面优化,最终产生节能减排,降低社会经济代价等社会效果。
    使用沉井可控下沉法逐步替代一般的基坑支护技术方案,可以减少工程建设资金、减少工程项目资金成本,最关键的是能够在大幅度提高工程安全性的基础上,还能大量地节材降耗、节能减排,将为我国的低碳经济作出贡献,将为国民经济又好又快发展作出贡献。
传统产业蕴含商机
    丁慈鑫和丁树东先生发明设计的这种沉井可控下沉法专利族涉及到我国的土木工程建筑行业。土木工程建筑行业是我国国民经济的重要物质生产部门,它与整个国家经济的发展、人民生活的改善有着密切的关系。
    从1978年到2010年,国内生产总值由0.3645万亿元增长到将超过37万亿元,年均实际增长9%以上。我国建筑业也发生了翻天覆地的历史巨变,全行业总产值已从1980年的287亿元增加到了2010年的将超过9万亿元,增长313倍。2010年建筑业增加值将达到2.6万亿元以上,占全国GDP的7.0%,实现行业利润将超过3000亿元,2010年房屋建筑在建施工面积将达到35亿平方米,海外承包业务已发展到200多个国家和地区,并有54家企业进入全球最大的225家国际承包商行列,完成合同金额从1979年的3000万美金增加到2009年的777亿美元。更值得庆幸的是近些年来,我国建筑业取得重大科技成果达8500余项,在16个行业类中排名第五,专利授权数平均以每年12%的速度增长,建筑业为国民经济做出的巨大贡献也使得建筑业的支柱产业地位不断巩固和加强。遍布大江南北数以万计的重大工程项目不仅记载着祖国城乡建设面貌天翻地覆的变化和建筑业的辉煌业绩,而且也展现了4000万建设者和广大科技工作者锐意改革,艰苦奋斗,无私奉献的时代风采,同时极大地凝聚了行业上下始终努力追求和实践科技进步、管理创新,全面推进行业又好又快发展的智慧结晶。未来50年,中国城市化率将提高到76%以上,城市对整个国民经济的贡献率将达到95%以上。都市圈、城市群、城市带和中心城市的发展预示了中国城市化进程的高速起飞,也预示了工程建筑行业更广阔的市场即将到来。
    纵观我国工程建筑行业的整体状态,丁慈鑫和丁树东先生研究发明的这种沉井可控下沉法专利族有着非常大的市场需求,存在着需求量大,供应量没有,该专利技术其市场需求潜力极大,存在着广阔的市场空间,主要有以下几个原因:首先,现当今,我国正处于国民经济建设的大力发展时期,(说明:西部地区非软土地区,应用沉井技术可能性很小,而东南沿海及中部地区为大平原及软土地区,人口密集,城市地下空间开发量巨大,这才是应用沉井技术的主要地区。)国家中长期发展规划以及实现小康社会发展目标,带动了我国工程建设尤其是基坑工程的大发展,为沉井可控下沉法提供了广阔的应用空间。其次,我国对建筑施工 “沉井技术”的改良设计起步晚,现有沉井施工技术存在着致命的设计缺陷,在施工存在着极大风险,应用技术面比较窄,不易大力推广。然后,部分技术施工效果达不到用户的要求,使用单位不得不放弃更新计划,相关企业也就丢失了这个商机。最后,还有一个很重要的价格问题。现有技术的施工工期与成本远远高于本专利族项目,很大一部分具有发展潜力的项目,因为资金问题或技术障碍而无法实施。如果采用丁慈鑫先生等人发明的这种沉井可控下沉法专利族,将使很多因资金问题或技术障碍而无法实施的项目可以得到启动开发。
经济和社会效益的双赢
    沉井技术的技术经济效果如此独特,势必将取代一般基坑基护技术方案,带来建设项目经济效益和社会效益的双赢。据沉井可控下沉法专利族的设计人丁慈鑫介绍,这种可应用于基坑工程的新技术对特定的具体的土木工程建设项目动态投资总额影响将达到10%~25%左右。他认为,这项新技术必将带来巨大的投资项目经济效益。他这一想法的支柱基于,此项技术可以直接取消或大幅度降低一般工程基坑支护的费用,可加快工程建设速度,减少资金成本;减少安全与质量事故,降低风险支出;减少工程资金总量需求,滞后资金投入的时间点;能够充分利用土地资源,提高城市地下空间的开发利用率,促使项目的提前投产,提前增加盈利收入;降低项目启动门槛,提高项目启动的成功率;提高商业(或项目)投资的资金流转效率。
    据资料统计估算:广州市每年基坑工程的造价总额约为50亿元。以此推算广东省每年约为250亿元,全国每年约为3000亿元。基坑工程若能够安全、快速、经济的完成施工,对全社会建设项目动态投资总额的削减量将可能超过1万亿元。因此沉井可控下沉法的广泛应用必定会带来巨大的社会经济效益。
    如果利用沉井可控下沉法替代一般的基坑工程技术方案,将直接减少工程建设资金、降低工程项目资金成本,提前实现工程项目的财务收益,极大地降低建设项目的财务成本;将会受到投资业主和广大施工企业的欢迎。此外,沉井可控下沉法能够实现:节材降耗,节能减排,节约时间,节约土地,节约资金,减少事故,保护环境,净化地下空间即可持续发展的技术经济效果!符合国家的基本政策导向、符合社会与人们的一般价值观需求。同时,沉井可控下沉法对特定土木工程建设项目的动态投资总额削减量将达到10%~25%左右。它能够降低房地产项目的建造成本与资金成本,为拉动房价回落奠定了空间基础。最后,它能够强有力地支持中国的建筑工程承包企业在国际建筑市场投标、中标、夺标能力,增加我国劳务输出与劳务收入,带动建筑材料与机电产品相关出口,为国家赚取外汇,促进中国人口跨出国门就业率的提高。
    丁慈鑫介绍说,目前沉井技术在基坑工程中的应用比例是极少的,一旦广义沉井可控下沉法的广泛应用,将使得沉井技术在基坑支护行业中占据主流地位。全国每年的基坑支护工程总额约为3000亿元人民币,含有1800亿元的建材消耗。其中消耗了2000万吨的钢材,消耗了6000万吨水泥,消耗了3.5亿吨的混凝土,产生了超过1万亿吨公里的物流运输周转量。其最终碳总计是消耗了超过3000万吨的标准煤,产生了超过1亿吨的二氧化碳等温室气体排放量。推广普及沉井可控下沉法,能够大量地节材降耗、节能减排,将为我国的低碳经济作出贡献。 
    科技进步是技术创新之源;技术创新就是科技成果转化为生产力的过程。因此,技术创新不仅是建筑行业建立创新体系的核心,也是一个建筑企业提高自身竞争力的必由之路,更是推动我国整体建筑行业更上一层楼的核心源动力。
    目前建筑市场上还没有与此沉井可控下沉法专利族功能相同的发明出现,因此作为先行进入市场的一方很容易在市场扩展上占据主导地位,取得垄断优势。此项创新型技术具有投入资金少、技术门槛低、实施周期短、利润率高、竞争力强、市场前景广阔等优点,是市场所需的专利发明。专利发明人丁慈鑫先生等人希望能够与有识之士合作,通过各种合作方式早日将沉井可控下沉法专利技术族推向市场,使这族专利技术为国民经济又好又快的发展做出贡献,为我国的低碳经济战略目标的实现作出贡献。
 
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