結構分割轉換工法在地下空間開發(fā)中的應用及設想

高 毅， 馮超元， 程 鵬

(中鐵工程裝備集團有限公司地下空間設計研究院， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國城市化進程的加深，人口膨脹、交通擁堵、環(huán)境惡化等“城市病”逐漸顯現(xiàn)，城市地下空間的開發(fā)需求越來越高。

在城市已建成區(qū)的地下空間開發(fā)利用中，有著非常獨特復雜的邊界條件，采用現(xiàn)有的技術難以最大限度地有效利用土地資源進行地下空間綜合開發(fā)。同時在現(xiàn)階段開發(fā)過程中，常采用的明挖建造方法仍存在對周邊建(構)筑物、交通、景觀、管線等的巨大影響，給城市的正常生活秩序帶來了較大的困擾。而已有的暗挖法主要應用于斷面簡單、跨度在一定范圍內(nèi)的地下工程，如地鐵區(qū)間隧道、地下通道等，對于大跨、多跨、斷面復雜的大型地下空間，如地下停車場、地鐵車站、地下商場等，采用已有的暗挖建造方法難度大、風險高、造價高、效率低，均不能有效滿足大型地下空間的開發(fā)需求。

城市地下空間開發(fā)常面臨著極為嚴苛的工程條件，傳統(tǒng)工法難以滿足開發(fā)需求，因此，國內(nèi)外學者研發(fā)了多種新型工法并進行工程實踐，取得了大量成果。佐藤拓也等[1]、清水満等[2]日本學者開發(fā)出HEP & JES工法，在下穿既有交通線工程中得到了廣泛應用。多圓盾構工法(MF工法)由日本學者開發(fā)并成功運用到地下工程領域，楊國祥等[3]、孫統(tǒng)立等[4]國內(nèi)學者依托上海地鐵6、8號線工程，研究了MF工法的關鍵施工技術及周邊土體位移特征。張光權等[5]、王安東[6]國內(nèi)學者通過工程實踐研究了拱蓋法在地鐵車站中的應用，同時結合車站工程特點提出更加安全可靠的疊合初期支護拱蓋法。國內(nèi)首臺U型盾構(長×寬×高為12.9 m×9.2 m×9.4 m)在海口地下管廊工程中成功運用，工期縮短近30%[7]。趙文等[8]、關永平等[9]國內(nèi)學者研究了STS管幕結構的受力性能，并將STS管幕工法成功運用到地鐵暗挖車站。李兆平等[10]、陳久恒[11]國內(nèi)學者學習國外地下工程預制建造技術，解決了拼裝吊運、定位糾偏、裂縫控制、抗震、構件連接等技術難題，提出預制裝配式地鐵車站施工技術，并成功運用到長春地鐵2號線多個地鐵車站工程。綜上，國內(nèi)外學者在城市地下工程領域做了大量創(chuàng)新性研究，并取得了良好的工程實踐成果，但目前新工法的研究主要集中在“線”型地下空間領域。

與此同時，彭立敏等[12]、高毅等[13]、賈連輝[14]國內(nèi)學者吸收國外先進經(jīng)驗，研究了矩形掘進機在城市地下空間開發(fā)中的應用，通過工程實踐提出了地下空間工程的結構分割轉換工法(structural cut and convert method，簡稱“CC工法”)，為城市地下空間開發(fā)提供了新的解決思路。

本文基于CC工法的概念，結合對實際工程建造過程的研究，探討CC工法的內(nèi)涵與拓展應用的可能性。

1 CC工法

CC工法繼承了多種工法的優(yōu)勢，是一種適用于城市大型地下空間開發(fā)的新工法。CC工法的內(nèi)涵： 根據(jù)地下空間的建筑功能需求及目前的建造技術，將大型地下空間結構分割為若干易于機械化施工的小型單元，逐個分部實施，再通過結構改造將諸多小型結構轉換為大型結構、小型空間轉換為大型空間，最終形成整體大型地下空間。

CC工法的核心內(nèi)容為地下工程結構的分割與轉換。目前，機械化暗挖是地下空間開發(fā)的發(fā)展趨勢，也是實現(xiàn)CC工法的主要途徑，適用于CC工法小型分部單元機械暗挖建造的方法主要有頂管法和盾構法。

非圓斷面的異形掘進機目前僅能在軟土地層中有較好的適應性，故CC工法目前主要適用于軟土地層。大型整體結構和小型分部單元結構及轉換過程在設計過程中均需滿足特殊荷載要求，如地震荷載；根據(jù)工程實踐，可采取相應措施，如特殊結構或輔助止水措施，在結構轉換過程中及形成最終大型整體結構后，在富水地層中也能有較好的適應性。

以圖1所示的地下2層3跨結構為例，介紹利用頂管法建造分部單元的CC工法。

圖1 地下2層3跨結構斷面示意圖 (單位： mm)

Fig. 1 Cross-section of underground two-floor three-span structure(unit： mm)

1.1 結構分割

采用頂管法或盾構法密貼施工建造單元空間，其斷面分割方案種類較多，其中一種方案如圖2和圖3所示，將地下空間結構斷面劃分為8個小型單元，其中①④⑤⑧為Ⅰ型單元，②③⑥⑦為Ⅱ型單元。

圖2 斷面分割示意圖 (單位： mm)

(a) Ⅰ型單元 (b) Ⅱ型單元

圖3小型分部單元示意圖(單位： mm)

Fig. 3 Divided element (unit： mm)

1.2 建造過程

CC工法采用矩形頂管建造地下2層3跨結構，其建造方案如圖4所示。

(a) 實施各小型分部單元

(b) 施作內(nèi)部結構

(c) 形成大型整體地下空間

1.3 節(jié)點處理

CC工法采用矩形頂管建造地下2層3跨結構時，主要涉及3類節(jié)點的處理，如圖5所示。

圖5 3類節(jié)點示意圖

1)A類節(jié)點。單元管節(jié)中鋼筋混凝土構件與臨時型鋼構件的連接節(jié)點。可處理措施： 螺栓連接。

2)B類節(jié)點。相鄰管節(jié)間預制鋼筋混凝土構件連接節(jié)點。可處理措施： 鋼筋連接，后澆帶處理。

3)C類節(jié)點。管節(jié)預制鋼筋混凝土構件與后期主體結構構件連接節(jié)點。可處理措施： 鋼筋連接現(xiàn)澆混凝土處理。

2 工程實踐

為驗證CC工法的可行性，選擇一個單層多跨的結構進行實踐，分別從方案選取、結構分割轉換過程、經(jīng)濟效益等方面展開分析。

2.1 工程背景

該地下停車場工程主要特點為單層、多跨、直線、無水、軟土。建筑面積約3 288 m2，設計停車位93個，平面尺寸為85.8 m×34.2 m(長×寬)，為地下單層6跨結構，如圖6所示。

圖6 地下停車場平面示意圖 (單位： m)

項目場地開闊，主要影響區(qū)內(nèi)無建(構)筑物。施工范圍內(nèi)僅埋設少量管線，對施工無影響。

2.2 巖土參數(shù)

場地地下水位埋深約18 m，地層主要由人工填土、粉砂、粉土和粉質黏土組成，主要巖土參數(shù)詳見表1，具備暗挖條件。

表1 主要巖土參數(shù)

2.3 方案比選

為盡量減少施工對地面的影響(包括地面交通、停車等)，該地下停車庫采用機械化暗挖建造，可選用矩形頂管或盾構施工，根據(jù)該試驗項目的長度，最終選取頂管進行施工。

該工程兩端工作井采用明挖法施工，中間段采用暗挖(頂管)法施工，如圖6所示。東端為頂管始發(fā)井，寬12.00 m；西端為頂管接收井，寬11.15 m，工作井深9.50 m；頂進長度62.70 m，頂管段埋深3.00 m。根據(jù)頂管段斷面分割方式的不同，提出了2種方案。

2.3.1 斷面分割方案1

柱頂接縫臨時鋼管片支撐結構和主體結構體系如圖7和圖8所示，方案1的主要特點是柱頂設縫。

2.3.1.1 優(yōu)點

1)頂推單元只有1種，只需1臺設備；

2)柱頂設縫，可將頂、底板鋼筋連接在現(xiàn)澆鋼筋混凝土頂、底縱梁內(nèi)，結構受力特性較好；

3)接頭可采用干接，接頭處理簡單；

4)需頂進6次，相對跨中接縫少1次，工期易保證，經(jīng)濟性較好。

2.3.1.2 缺點

1)頂縱梁施工需臨時支撐，需進行2次受力轉換；

2)接頭為鉸接，整體性不如濕接的剛性連接好；

3)跨距與頂管尺寸控制不靈活。

圖7 柱頂接縫臨時鋼管片支撐結構體系圖 (單位： mm)

Fig. 7 Structure system supported by temporary steel sheet when joints are set on column top (unit： mm)

圖8 柱頂接縫主體結構體系圖 (單位： mm)

Fig. 8 Structure system of mainbody when joints are set on column top (unit： mm)

2.3.2 斷面分割方案2

跨中接縫臨時鋼管片支撐結構和主體結構體系如圖9和圖10所示，方案2的主要特點是跨中設縫。

2.3.2.1 優(yōu)點

1)受力轉換只需1次，結構整體性好；

2)跨距與頂管尺寸控制靈活；

3)組合管節(jié)鋼側壁可拆卸倒用，降低成本；

4)結構布置靈活，可更好的滿足建筑需求。

2.3.2.2 缺點

1)頂推單元有2種，中跨及邊跨，需要2臺頂管設備或者改裝設備；

2)接頭采用鋼筋連接(剛接)，施工難度較大，質量不易保證；

3)接縫在跨中位置，結構受力相對復雜。

圖9 跨中接縫臨時鋼管片支撐結構體系圖 (單位： mm)

Fig. 9 Structure system supported by temporary steel sheet when joints are set in mid-span (unit： mm)

圖10 跨中接縫主體結構體系圖 (單位： mm)

Fig. 10 Structure system of mainbody when joints are set in mid-span (unit： mm)

2.3.3 方案選取

綜上2種方案，從建筑、結構、施工及后期維護等角度綜合考慮，該地下停車場工程采用跨中設縫結構體系。

CC工法示意圖如圖11所示，大型地下空間由7個頂管隧道組成，采用1臺5.00 m×5.70 m頂管頂推中間5跨，其余2個邊跨待頂管改裝斷面為5.00 m×2.85 m，再分別從東往西頂進。

(a) 斷面示意圖

2.4 施工工序

運用CC工法分割與轉換的思想，同時采用跨中設縫的方案，該地下停車場的施工工序如圖12所示。

2.5 跨中節(jié)點處理措施

工法最初研發(fā)時跨中頂、底板節(jié)點的處理方式如圖13所示。在頂進過程中，相鄰隧道之間難免形成錯臺，導致連接鋼筋長度不一，難以加工，且相鄰鋼筋混凝土構件之間預留間距較小，致使跨中節(jié)點按照工法最初的設想進行連接較為困難。

為此，結合國內(nèi)外針對此類情況下鋼筋混凝土構件連接方式的調查研究成果，對該類節(jié)點的連接方式進行優(yōu)化，在設計規(guī)范允許的范圍內(nèi)，對鋼筋進行適當彎折，并全部采用機械連接一級接頭，對不同長度的鋼筋進行分類統(tǒng)計和批量加工，實現(xiàn)結構主筋的有效連接。

(a) 1#洞施工完成

(b) 2#洞施工完成

(c) 綁扎鋼筋完成1#、2#洞梁柱施工

(d) 拆除1#、2#洞鋼管節(jié)并完成節(jié)點處理，3#洞施工完成

(e) 拆除1#、3#洞鋼管節(jié)并完成節(jié)點處理，4#洞施工完成

(f) 拆除2#、4#洞鋼管節(jié)并完成節(jié)點處理，5#洞施工完成

(g) 拆除3#、5#洞鋼管節(jié)并完成節(jié)點處理，6#洞施工完成

(h) 拆除4#、6#洞鋼管節(jié)并完成節(jié)點處理，7#洞施工完成

(i) 拆除5#、7#洞鋼管節(jié)并完成節(jié)點處理

(j) 完成鋪裝層施工

圖13 B類節(jié)點原始處理措施

2.6 建造成果

CC工法的建造過程和以往工法大不相同，目前，該地下停車場工程已建造完成并投入使用，關鍵施工工序的現(xiàn)場實景如圖14所示。

(a) 施工現(xiàn)場圍擋

(b) 分部結構單元施工

(c) 逐步形成連通的地下空間

(d) 最終斷面

(e) 實景

2.7 經(jīng)濟效益分析

本項目地下車庫土建工程單位造價為： 3 200萬元/3 288 m2=0.97萬元/m2；而采用傳統(tǒng)暗挖法施工時，土建工程單位造價為1.5萬元/m2，采用本工法節(jié)省總投資1 743萬元。

在項目施工期間不影響上部廣場正常使用，提高了施工效率，縮短了施工工期，主體結構土建工程用時約8個月，節(jié)約大量人工投入，減少了能源和資源的消耗，降低了工程成本，達到了節(jié)能降耗、保護環(huán)境的目的。

3 CC工法的應用拓展

通過實踐，驗證了CC工法在無水軟土大型單層地下空間工程中的可行性；對于多層及斷面復雜的地下空間工程，如地鐵車站、綜合管廊、過街通道、公路隧道等，通過合理的結構分割與轉換，均能有較好的適應性；在特定的工程條件下，CC工法也具有與其他先進工法結合應用的價值。

3.1 富水地層中的應用

在相鄰分部單元相鄰處外側可以設置特殊防水構件滿足整體防水要求，在轉換過程中特殊部位可以采取輔助防水措施(如注漿、局部冷凍)以滿足在富水地層中的適應性。在特殊工況要求下，可以局部施作二次襯砌以滿足整體結構的可靠性及防水等要求。常用的止水結構如圖15所示。

(a) 相鄰分部單元間的止水結構(淺埋)

(b) 相鄰分部單元間的止水結構(深埋)

3.2 型鋼混凝土與CC工法結合

型鋼混凝土主要應用在高層建筑梁柱構件中，在地下結構中的應用尚且不多。取圖1所示的2層3跨結構為例進行論述，斷面分割方式與前文不同，采用如圖16和圖17所示的分割方式。

型鋼混凝土與CC工法的結合類似于日本的“口琴工法”，以型鋼構件作為小型分部單元的初期支護，通過對型鋼單元的空間結構改造，現(xiàn)澆混凝土實現(xiàn)最終斷面。

(a) 斷面分割

(b) 分部施工

(d) 形成大型地下空間

圖17 小型分部單元示意圖 (單位： mm)

3.3 明挖法與CC工法結合

CC工法應用于周邊環(huán)境條件約束苛刻的工程，但在特定的工程條件下，場地也具有一定的部分開挖條件時，可考慮明挖法與CC工法結合的建造方案。以圖18所示的單層地下空間為例進行論述。

1)方案1。首先通過CC工法進行結構的分割與轉換，之后采用分部明挖的方式進行建造，如圖19所示。本方法可以利用移動式圍護結構分別施作兩側預制拼裝分部單元，再施作中部現(xiàn)澆部分，工效快、斷面靈活，可以節(jié)省大量圍護結構費用。

圖18 單層地下空間

(a) 明挖施作左側部分 (b) 明挖施作右側部分、覆土轉移 (c) 明挖順筑中間部分、覆土轉移

(d) 明挖順筑完成中間部分 (e) 拆除型鋼構件形成地下空間

圖19方案1——明挖法與CC工法結合

Fig. 19 Open cut method combined with CC method (Scheme 1)

2)方案2。首先通過CC工法進行結構的分割與轉換，與方案1的不同之處在于方案2采用局部暗挖的方式建造左右兩側的預制拼裝結構，如圖20所示。本方法可以利用左右側暗挖結構作為中部現(xiàn)澆結構的基坑圍護結構，節(jié)省大量圍護結構費用及減少暗挖占地范圍。

(a) 逐個暗挖施作兩側部分(b) 明挖順筑施作中間部分

圖20方案2——明挖法與CC工法結合

Fig. 20 Open cut method combined with CC method (Scheme 2)

3.4 傳統(tǒng)暗挖法與CC工法結合

傳統(tǒng)暗挖方式主要有淺埋暗挖法、CRD工法、導洞法和臺階法等。本節(jié)主要結合傳統(tǒng)暗挖中常見的曲線管幕支護方法，采用CC工法的結構分割與轉換理念，進行簡要論述，如圖21所示。

3.5 地面裝配式結構的應用

地面裝配式結構興起于近年來我國大規(guī)模的“造城”運動，其底板標高一般位于現(xiàn)狀地面以下，頂板標高位于現(xiàn)狀地面以上、設計地面標高以下，主要特點為半開挖性質的淺埋地下工程。

CC工法具備的施工便捷與工期優(yōu)勢可較好地配合地面裝配式結構的設計與施工。地面裝配式結構的建造思路如圖22所示。

(a) 曲線管幕施作

(b) 逐步完成主體結構、拆除臨時構件

(a) 地面裝配式結構斷面圖

(b) 結構分割與轉換

(c) 形成最終斷面與覆土轉移

4 結論與討論

CC工法是專為地下空間開發(fā)研發(fā)的新技術，繼承了多種傳統(tǒng)工法的優(yōu)勢，具有較強的安全性、靈活性及適用性。本文以該工法的首次工程實踐為背景，通過對該工法的實際建造方案和內(nèi)涵進行闡述，并結合多種新工法進行應用拓展研究，得出如下結論。

1)CC工法的內(nèi)涵。根據(jù)地下空間的建筑功能需求及目前的建造技術，將大型地下空間結構分割為若干易于機械化施工的小型單元，逐個分部實施，再通過結構改造將諸多小型結構轉換為大型結構、小型空間轉換為大型空間，最終形成整體大型地下空間。

2)CC工法的核心內(nèi)容為結構的分割與轉換；現(xiàn)階段，CC工法主要通過機械暗挖的形式實現(xiàn)，通常采用頂管或盾構施工。

3)CC工法是地下空間開發(fā)領域的創(chuàng)新性研究成果，通過工程實踐驗證了CC工法在無水軟土大型單層地下空間工程中的可行性。

4)在特定的工程條件下，CC工法可與明挖法、暗挖法、型鋼混凝土、地面裝配式結構等工法結合使用，通過結合多種工法的優(yōu)點，具有較大的拓展應用價值。

5)通過采取相關特殊結構和輔助措施能滿足富水地層中的應用。隨著更多的工程實踐以及工程裝備技術的進步，CC工法具有應用在軟硬不均勻土層、硬土層、超大埋深、斷面復雜等更為復雜的工程中的可能性。

綜上，本文以CC工法實踐為背景，對該工法的內(nèi)涵及應用推廣進行探討，希望為城市地下空間開發(fā)提供更為合理的方案選取思路。