大型地下空間的結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法研究

高 毅， 于少輝， 李 洋， 程 鵬， 羅雨田， 馮超元

(中鐵工程裝備集團有限公司地下空間設(shè)計研究院， 河南 鄭州 450016)

0 引言

伴隨我國城市的發(fā)展，城市對地下空間開發(fā)利用的需求越來越大。在城市地下空間開發(fā)時，特別是在已建成區(qū)，常常面臨空間狹小、交通流量大、周邊環(huán)境復(fù)雜等特殊的邊界條件，傳統(tǒng)明挖“開膛破肚”式的建設(shè)方式已經(jīng)逐漸不能滿足需求，城市地下空間開發(fā)對新工法的呼聲越來越高。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對城市地下工程的傳統(tǒng)工法(指主要通過人工及設(shè)備進(jìn)行施工的工法)進(jìn)行了大量深化研究，并取得了豐碩成果。其中，淺埋暗挖法在國內(nèi)經(jīng)歷了長足的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在國內(nèi)學(xué)者[1-3]的努力下，淺埋暗挖法正朝著超淺埋、多種地質(zhì)適應(yīng)性等方向發(fā)展。張國亮等[4]、李皓等[5]運用柱洞法(PBA工法)開挖大跨度地下空間，強調(diào)該工法具有沉降控制能力強等工程特點。傳統(tǒng)工法均具有較強的地面沉降控制能力以及經(jīng)濟性，但也有工期長、風(fēng)險高、形成大斷面困難等問題。

在非傳統(tǒng)工法(指主要通過設(shè)備進(jìn)行施工的工法)領(lǐng)域，佐藤拓也等[6]、清水満等[7]日本學(xué)者開發(fā)出HEP & JES工法(high speed element pull method & jointed element structure)，是指在掘削裝置到達(dá)端安裝牽引千斤頂，利用PC鋼索將掘削裝置從始發(fā)端高速牽引至到達(dá)端，然后將一個個構(gòu)件通過JES接頭連接，注漿后形成一個大斷面箱涵結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，在下穿既有交通線工程中得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)學(xué)者[8-13]研發(fā)并解決了地鐵車站預(yù)制裝配新技術(shù)中設(shè)計、施工、防水、節(jié)點處理、裂縫控制、抗震等技術(shù)難題，并將該技術(shù)成功應(yīng)用到長春地鐵2號線多個地鐵車站工程。文獻(xiàn)[14-15]提出地下工程支護(hù)-結(jié)構(gòu)一體管幕預(yù)筑法，并在沈陽地鐵2 號線新樂遺址站中得到成功應(yīng)用。

(a) HEP工法

(b) JES接頭

值得注意的是，彭立敏等[16]在研究現(xiàn)代矩形頂管技術(shù)時，論證了該技術(shù)在地下空間開發(fā)應(yīng)用的可能性，并對該工法的前景進(jìn)行了展望。現(xiàn)代頂管技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市過街通道、地下立交等工程中，但目前尚沒有應(yīng)用到城市大型地下空間開發(fā)的工程實例。

本文依托工程項目，在總結(jié)提煉現(xiàn)有工法優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，展開對新工法的思考探索與實踐研究，最終得出適用于大型地下空間開發(fā)的結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法(structural cut and convert method,簡稱“CC工法”)。

1 大型地下空間的工法探索

傳統(tǒng)工法與非傳統(tǒng)工法均可以形成大型地下空間，傳統(tǒng)工法具有獨特的靈活優(yōu)勢，非傳統(tǒng)工法具有機械化裝配式的特點。針對開發(fā)城市大型地下空間，如何將這2類工法的優(yōu)勢進(jìn)行集成，成為主要的探索方向。

大型地下空間可以通過明挖的方式一次成型，也可以通過小型地下空間群分部成型。就目前城市地下空間開發(fā)的環(huán)境條件與工程技術(shù)水平而言，大型地下空間一次成型難度較大，通過建造小型地下空間群，再進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)改造最終形成大型地下空間的方式更為可行。

1.1 傳統(tǒng)工法(CRD工法)

CRD工法是隧道傳統(tǒng)暗挖工法中最具代表性的工法之一，開挖斷面如圖2所示。為控制對周圍土體的擾動，將開挖斷面分成若干區(qū)，分別獨立開挖，然后拆臨時支護(hù)，最終整環(huán)二次支護(hù)形成完整隧道斷面。

圖2 傳統(tǒng)CRD工法示意圖

目前，國內(nèi)學(xué)者對傳統(tǒng)的CRD工法進(jìn)行了改進(jìn)研究，張建斌[17]、崔小鵬等[18]分別對三臺階七步開挖工法及CRD工法進(jìn)行了研究，提出了結(jié)合2種方法優(yōu)勢的組合工法，并且對CRD工法的開挖步序進(jìn)行了優(yōu)化研究。

就目前城市大型地下空間開發(fā)而言，CRD工法風(fēng)險高、工序復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境差等缺點愈加突出，不是最佳選擇，但傳統(tǒng)CRD工法具有可以借鑒的想法(如圖2所示)： 1)結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換； 2)分部暗挖。

1.2 非傳統(tǒng)工法(Harmonica工法)

Harmonica工法由日本學(xué)者研發(fā)并成功應(yīng)用到日本西大阪延伸線建設(shè)等多處城市地下立交工程，是最具代表性的非傳統(tǒng)地下通道暗挖工法。Harmonica工法主要是將矩形開挖斷面均分為若干個小型矩形斷面，采用機械化施工方式逐個完成小型矩形斷面的臨時型鋼支撐體系，最終在型鋼支撐體系中現(xiàn)澆完成結(jié)構(gòu)的暗挖工法，如圖3所示。

圖3 Harmonica工法示意圖

Harmonica工法具有開發(fā)城市大型地下空間的能力，但浪費了外圈大量型鋼臨時支撐結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟性較差。Harmonica工法直接運用到大型地下空間開發(fā)還不成熟，但其也存在值得學(xué)習(xí)的思路： 1)機械化施工； 2)隧道群密貼施工。

1.3 CC工法的設(shè)想

傳統(tǒng)CRD工法與非傳統(tǒng)Harmonica工法在地下工程領(lǐng)域都有各自獨特的優(yōu)勢，尤其是2類工法均運用到了“小結(jié)構(gòu)→大結(jié)構(gòu)”的思想； 那么，是否可以結(jié)合2類工法的優(yōu)勢研發(fā)適用于城市地下空間開發(fā)的新工法？

綜上，集成2類工法中的機械化施工、隧道群密貼施工、分部暗挖、結(jié)構(gòu)受力體系轉(zhuǎn)換等優(yōu)勢，規(guī)避傳統(tǒng)CRD工法風(fēng)險高、作業(yè)環(huán)境差的缺陷，同時又避免Harmonica工法的材料浪費，提出CC工法的設(shè)想，如圖4所示。

圖4 CC新工法的設(shè)想

2 CC工法的嘗試

CC工法集成了多種工法優(yōu)勢，盡量避免其缺陷，為了驗證其可行性和先進(jìn)性，需要結(jié)合實際工程進(jìn)行驗證。

2.1 依托工程背景

依托中鐵工程裝備集團地下停車場項目進(jìn)行CC工法的首次應(yīng)用。

該地下停車場規(guī)模為34.20 m×85.80 m(寬×長)，為地下單層6跨結(jié)構(gòu)，建筑面積約3 288 m2。設(shè)計停車位約93個，每個建筑面積約占35.35 m2，如圖5所示。

(a) 平面示意圖

(b) 斷面示意圖 (單位： mm)

(c) 結(jié)構(gòu)分割斷面圖

項目場地開闊，北側(cè)為一座6層框架結(jié)構(gòu)辦公樓，南側(cè)為一座2層磚混辦公樓，西側(cè)為工業(yè)廠房，東側(cè)為城市道路。場區(qū)管線埋置較少，僅埋設(shè)少量給排水管、消防管道及電力線路等)，且埋深較淺，對頂管施工段無影響。工程周邊環(huán)境如圖6所示。

圖6 工程周邊環(huán)境示意圖 (單位： m)

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(zhì)黏土組成，主要巖土參數(shù)詳見表1。

本次試驗使用矩形頂管施工。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(jìn)長度62.70 m，頂管埋深3.00 m。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(jìn)。

表1 主要巖土參數(shù)

該工程主要特點為單層、多跨、直線、無水、軟土。

2.2 大型地下空間的形成

在沿用原有工法“拆分→合并”的基礎(chǔ)上，嘗試頂管隧道群的“合并”。地下停車場大型地下空間的形成過程詳見圖7。

CC工法的大型地下空間形成過程和以往工法大不相同。目前，該地下停車場工程已基本完工，新工法得到了成功運用。目前實際形成斷面如圖8所示。

2.3 CC工法的創(chuàng)新

在新工法的研發(fā)與工程實踐過程中，總結(jié)出如下創(chuàng)新點。

1)結(jié)構(gòu)的拆分與合并。設(shè)計斷面的拆分與合并涉及建筑、結(jié)構(gòu)2個范疇。以該地下停車場工程為例，建筑功能一定程度上決定了地下空間的布置，圖5(b)所示斷面為常規(guī)地下停車場的柱網(wǎng)布置。該工法對結(jié)構(gòu)的拆分具有充分的靈活性，相應(yīng)地提出如圖5(c)所示的結(jié)構(gòu)拆分與合并方式，這并不是唯一的方案。調(diào)整拆分單元的尺寸也可以實現(xiàn)圖5(b)所示斷面，這需要根據(jù)不同工程特點來選擇。

在依托工程的工法試驗中特別研發(fā)組合式頂管，可“一分為二”分別獨立頂進(jìn)，如圖9所示。

2)特制的型鋼-鋼筋混凝土組合管節(jié)。在多個頂管隧道獨立成型之后，仍需要進(jìn)行頂管隧道群合并形成大型地下空間。在“合并”的過程中，需要進(jìn)行原生建筑、結(jié)構(gòu)的改造，勢必會造成浪費。因此，該新工法研發(fā)了配套的型鋼-鋼筋混凝土組合管節(jié)，其中鋼側(cè)壁可自由拆裝、重復(fù)利用，如圖10所示。

3)節(jié)點處理措施。采用CC工法施工該地下停車場時，涉及3類節(jié)點的處理，如圖11所示。

①A類節(jié)點。單元管節(jié)中鋼筋混凝土構(gòu)件與鋼側(cè)壁的連接節(jié)點。處理措施： 螺栓連接。

②B類節(jié)點。相鄰管節(jié)間預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件連接節(jié)點。處理措施： 鋼筋連接現(xiàn)澆鋼筋混凝土處理。

③C類節(jié)點。管節(jié)預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件與后期鋼構(gòu)件連接節(jié)點。處理措施： 螺栓連接。

(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8 實際形成斷面

圖9 組合式頂管

圖10 組合管節(jié) (單位： mm)

圖11 3類節(jié)點示意圖

2.4 出現(xiàn)的問題與解決思路

地下停車場新工法試驗項目基本上取得了成功，但是在現(xiàn)場頂進(jìn)施工過程中，也出現(xiàn)了一些問題。通過對現(xiàn)場施工的觀察與研究，針對該類問題也提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1)B類節(jié)點處理。如圖11所示，B類節(jié)點為相鄰隧道管節(jié)鋼筋混凝土部分連接節(jié)點。工法最初研發(fā)時B類節(jié)點的處理方式如圖12所示。在頂進(jìn)過程中，相鄰隧道之間難免形成錯臺，導(dǎo)致連接鋼筋長度不一，難以加工，且相鄰鋼筋混凝土構(gòu)件之間預(yù)留間距較小，致使B類節(jié)點按照工法最初的設(shè)想進(jìn)行連接比較困難。

圖12 B類節(jié)點原始處理措施

為此，結(jié)合國內(nèi)外針對此類情況下鋼筋混凝土構(gòu)件連接方式的調(diào)查研究成果，對該類節(jié)點的連接方式進(jìn)行了優(yōu)化，在設(shè)計規(guī)范允許的范圍內(nèi)，對鋼筋進(jìn)行適當(dāng)彎折，并全部采用機械連接一級接頭，對不同長度進(jìn)行分類統(tǒng)計和批量加工，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)主筋的有效連接。

2)頂管整體背土效應(yīng)。淺埋矩形頂管的背土效應(yīng)不可避免，工法研發(fā)時對背土效應(yīng)的預(yù)防主要考慮性能穩(wěn)定的減摩措施，對整體背土破壞的認(rèn)識不深，以致出現(xiàn)如圖13所示的背土破壞。

(a)

(b)

考慮到工具管節(jié)一般較后續(xù)管節(jié)大、頂管姿態(tài)調(diào)整、局部摩阻力不均等不利因素的誘導(dǎo)，以及兩側(cè)土體和前端土體的約束特點，頂管最上方土體與其兩側(cè)土體易發(fā)生剪切破壞，因此，整體背土效應(yīng)的破壞過程有2部分組成： ①頂管最上方土體與其兩側(cè)土體發(fā)生剪切破壞；②頂管前方土體發(fā)生剪切破壞。

針對這種特有的破壞模式，提出了“整體背土效應(yīng)”的概念，通過進(jìn)行深入的理論研究，最終得出矩形頂管各參數(shù)與整體背土破壞之間的數(shù)值關(guān)系，為CC工法的拓展設(shè)計提供了一定的理論支撐[19]。

采用注漿管路排查、刀盤前方背土位置堆載、背土位置鉆孔注水、施作隔斷墻等整體背土處理措施可盡量避免整體背土效應(yīng)的發(fā)生。在無法改變管節(jié)四周土體抗力的前提下，通過減小管土摩擦因數(shù)可完全避免整體背土現(xiàn)象發(fā)生。

3 CC工法的拓展

3.1 多層地下空間

以大型地鐵車站為例，該類工程的主要特點是空間狹長、埋深大、斷面標(biāo)準(zhǔn)，且目前明挖法弊端日益顯現(xiàn)。在不具備明挖施工條件時，機械暗挖結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法可為該類工程提供一套完整的解決方案，如圖14所示。圖14(a)為地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面，圖14(b)是CC工法提供的建筑結(jié)構(gòu)拆分、合并及建造次序的初步方案。

(a) 地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖

(b) CC工法的拆分與合并

3.2 長距離曲線地下空間

依托的地下停車場工程為直線頂管隧道，但頂管并不適用于長隧道的施工，可喜的是，目前國內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，矩形、類矩形、馬蹄形等異形盾構(gòu)相繼成功應(yīng)用到實際工程。

盾構(gòu)建造技術(shù)可以完美地應(yīng)用到大曲率曲線隧道工程，借此可以將該工法推廣至長距離曲線大型地下空間開發(fā)領(lǐng)域。

因此，結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法也有推廣到曲線大型地下空間的可能，如圖15所示。圖15(a)為某地下綜合管廊的平面圖(轉(zhuǎn)彎段)，圖15(b)為該綜合管廊的斷面圖，圖15(c)是CC工法提供的建造方案。

(a) 綜合管廊(曲線段)平面示意圖

(b) 綜合管廊1-1斷面示意圖 (單位： mm)

(c) CC工法建造方案

3.3 復(fù)雜斷面地下空間

以某大型地鐵車站綜合體為例，該類工程通常位于城市核心商業(yè)區(qū)，且斷面復(fù)雜，不具備傳統(tǒng)明挖法施工的環(huán)境條件，結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法可為該類工程提供一個合適的解決方案，如圖16所示。圖16(a)為大型地鐵車站綜合體標(biāo)準(zhǔn)斷面，圖16(b)是CC工法提供的解決方案。

(a) 大型地鐵車站綜合體標(biāo)準(zhǔn)斷面

(b) CC工法提供的解決方案

Fig. 16 Development of underground space with complex cross-section

4 結(jié)論與討論

城市大型地下空間開發(fā)在特殊的邊界條件下，對建造工法的要求越來越高，目前較為成熟的傳統(tǒng)工法與非傳統(tǒng)工法均存在一定的局限性。通過結(jié)合成熟工法的優(yōu)勢，提出CC工法，依托中鐵工程裝備集團地下停車場項目進(jìn)行工法嘗試，并取得成功。通過對該新工法的研究和實踐，得出以下結(jié)論。

1)CC工法集傳統(tǒng)工法與非傳統(tǒng)工法的優(yōu)勢，在不影響地面環(huán)境的情況下，實現(xiàn)了大型地下空間暗挖開發(fā)，具備較好的經(jīng)濟性，安全高效，對城市已建成區(qū)的地下空間開發(fā)有很好的適用性。

2)CC工法首次成功應(yīng)用，采用的建筑結(jié)構(gòu)“拆分→合并”思想、型鋼和鋼筋混凝土組合管節(jié)、節(jié)點處理措施、組合式頂管等新技術(shù)的可實施性較好，并且對存在的缺陷進(jìn)行了階段性改進(jìn)。

3)該地下停車場試驗項目的特點是單層、多跨、直線、無水、軟土和采用頂進(jìn)的方式施工，但對其他條件的工程項目適用性仍需進(jìn)一步深入研究。

4)結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法具有向多層、曲線、長距離、裝配式與現(xiàn)澆組合結(jié)構(gòu)發(fā)展方向應(yīng)用的可能性，也是下一步的重點研究方向。

對結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法的研究與探討，旨在為城市不具備明挖條件區(qū)域的大型地下空間開發(fā)提供一套安全合理的解決方案，特別是為城市已建成區(qū)地下空間開發(fā)研究提供一個新的解決思路。