高 毅， 馮超元， 程 鵬

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

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)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(fù)雜的邊界條件，采用現(xiàn)有的技術(shù)難以最大限度地有效利用土地資源進(jìn)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(gòu))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(yīng)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(fù)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(fēng)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(yán)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(xué)者研發(fā)了多種新型工法并進(jìn)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(xué)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(yīng)用。多圓盾構(gòu)工法(MF工法)由日本學(xué)者開發(fā)并成功運用到地下工程領(lǐng)域，楊國祥等[3]、孫統(tǒng)立等[4]國內(nèi)學(xué)者依托上海地鐵6、8號線工程，研究了MF工法的關(guān)鍵施工技術(shù)及周邊土體位移特征。張光權(quán)等[5]、王安東[6]國內(nèi)學(xué)者通過工程實踐研究了拱蓋法在地鐵車站中的應(yīng)用，同時結(jié)合車站工程特點提出更加安全可靠的疊合初期支護(hù)拱蓋法。國內(nèi)首臺U型盾構(gòu)(長×寬×高為12.9 m×9.2 m×9.4 m)在?？诘叵鹿芾裙こ讨谐晒\用，工期縮短近30%[7]。趙文等[8]、關(guān)永平等[9]國內(nèi)學(xué)者研究了STS管幕結(jié)構(gòu)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(xué)者學(xué)習(xí)國外地下工程預(yù)制建造技術(shù)，解決了拼裝吊運、定位糾偏、裂縫控制、抗震、構(gòu)件連接等技術(shù)難題，提出預(yù)制裝配式地鐵車站施工技術(shù)，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(xué)者在城市地下工程領(lǐng)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(lǐng)域。

與此同時，彭立敏等[12]、高毅等[13]、賈連輝[14]國內(nèi)學(xué)者吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗，研究了矩形掘進(jìn)機(jī)在城市地下空間開發(fā)中的應(yīng)用，通過工程實踐提出了地下空間工程的結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)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(jié)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(yīng)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(shù)，將大型地下空間結(jié)構(gòu)分割為若干易于機(jī)械化施工的小型單元，逐個分部實施，再通過結(jié)構(gòu)改造將諸多小型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為大型結(jié)構(gòu)、小型空間轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的分割與轉(zhuǎn)換。目前，機(jī)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(jī)械暗挖建造的方法主要有頂管法和盾構(gòu)法。

非圓斷面的異形掘進(jìn)機(jī)目前僅能在軟土地層中有較好的適應(yīng)性，故CC工法目前主要適用于軟土地層。大型整體結(jié)構(gòu)和小型分部單元結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換過程在設(shè)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(yīng)措施，如特殊結(jié)構(gòu)或輔助止水措施，在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換過程中及形成最終大型整體結(jié)構(gòu)后，在富水地層中也能有較好的適應(yīng)性。

以圖1所示的地下2層3跨結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)斷面示意圖 (單位： mm)

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

1.1 結(jié)構(gòu)分割

采用頂管法或盾構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

(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(jié)構(gòu)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(gòu)件與臨時型鋼構(gòu)件的連接節(jié)點?？商幚泶胧?螺栓連接。

2)B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?？商幚泶胧?鋼筋連接，后澆帶處理。

3)C類節(jié)點。管節(jié)預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件與后期主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接節(jié)點?？商幚泶胧?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(jié)構(gòu)進(jìn)行實踐，分別從方案選取、結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換過程、經(jīng)濟(jì)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(gòu))筑物。施工范圍內(nèi)僅埋設(shè)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(zhì)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(jī)械化暗挖建造，可選用矩形頂管或盾構(gòu)施工，根據(jù)該試驗項目的長度，最終選取頂管進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)體系如圖7和圖8所示，方案1的主要特點是柱頂設(shè)縫。

2.3.1.1 優(yōu)點

1)頂推單元只有1種，只需1臺設(shè)備；

2)柱頂設(shè)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(jié)構(gòu)受力特性較好；

3)接頭可采用干接，接頭處理簡單；

4)需頂進(jìn)6次，相對跨中接縫少1次，工期易保證，經(jīng)濟(jì)性較好。

2.3.1.2 缺點

1)頂縱梁施工需臨時支撐，需進(jìn)行2次受力轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)體系如圖9和圖10所示，方案2的主要特點是跨中設(shè)縫。

2.3.2.1 優(yōu)點

1)受力轉(zhuǎn)換只需1次，結(jié)構(gòu)整體性好；

2)跨距與頂管尺寸控制靈活；

3)組合管節(jié)鋼側(cè)壁可拆卸倒用，降低成本；

4)結(jié)構(gòu)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(shè)備或者改裝設(shè)備；

2)接頭采用鋼筋連接(剛接)，施工難度較大，質(zhì)量不易保證；

3)接縫在跨中位置，結(jié)構(gòu)受力相對復(fù)雜。

圖9 跨中接縫臨時鋼管片支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、施工及后期維護(hù)等角度綜合考慮，該地下停車場工程采用跨中設(shè)縫結(jié)構(gòu)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(jìn)。

(a) 斷面示意圖

2.4 施工工序

運用CC工法分割與轉(zhuǎn)換的思想，同時采用跨中設(shè)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(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，致使跨中節(jié)點按照工法最初的設(shè)想進(jìn)行連接較為困難。

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(jī)械連接一級接頭，對不同長度的鋼筋進(jìn)行分類統(tǒng)計和批量加工，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jì)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(jié)構(gòu)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(dá)到了節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境的目的。

3 CC工法的應(yīng)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(fù)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(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換，均能有較好的適應(yīng)性；在特定的工程條件下，CC工法也具有與其他先進(jìn)工法結(jié)合應(yīng)用的價值。

3.1 富水地層中的應(yīng)用

在相鄰分部單元相鄰處外側(cè)可以設(shè)置特殊防水構(gòu)件滿足整體防水要求，在轉(zhuǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)的可靠性及防水等要求。常用的止水結(jié)構(gòu)如圖15所示。

(a) 相鄰分部單元間的止水結(jié)構(gòu)(淺埋)

(b) 相鄰分部單元間的止水結(jié)構(gòu)(深埋)

3.2 型鋼混凝土與CC工法結(jié)合

型鋼混凝土主要應(yīng)用在高層建筑梁柱構(gòu)件中，在地下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用尚且不多。取圖1所示的2層3跨結(jié)構(gòu)為例進(jìn)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(jié)合類似于日本的“口琴工法”，以型鋼構(gòu)件作為小型分部單元的初期支護(hù)，通過對型鋼單元的空間結(jié)構(gòu)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(jié)合

CC工法應(yīng)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(jié)合的建造方案。以圖18所示的單層地下空間為例進(jìn)行論述。

1)方案1。首先通過CC工法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分割與轉(zhuǎn)換，之后采用分部明挖的方式進(jìn)行建造，如圖19所示。本方法可以利用移動式圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別施作兩側(cè)預(yù)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(hù)結(jié)構(gòu)費用。

圖18 單層地下空間

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

(d) 明挖順筑完成中間部分 (e) 拆除型鋼構(gòu)件形成地下空間

圖19方案1——明挖法與CC工法結(jié)合

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

2)方案2。首先通過CC工法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分割與轉(zhuǎn)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(cè)的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，如圖20所示。本方法可以利用左右側(cè)暗挖結(jié)構(gòu)作為中部現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量圍護(hù)結(jié)構(gòu)費用及減少暗挖占地范圍。

(a) 逐個暗挖施作兩側(cè)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(jié)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(jié)合

傳統(tǒng)暗挖方式主要有淺埋暗挖法、CRD工法、導(dǎo)洞法和臺階法等。本節(jié)主要結(jié)合傳統(tǒng)暗挖中常見的曲線管幕支護(hù)方法，采用CC工法的結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換理念，進(jìn)行簡要論述，如圖21所示。

3.5 地面裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

地面裝配式結(jié)構(gòu)興起于近年來我國大規(guī)模的“造城”運動，其底板標(biāo)高一般位于現(xiàn)狀地面以下，頂板標(biāo)高位于現(xiàn)狀地面以上、設(shè)計地面標(biāo)高以下，主要特點為半開挖性質(zhì)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(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工。地面裝配式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、拆除臨時構(gòu)件

(a) 地面裝配式結(jié)構(gòu)斷面圖

(b) 結(jié)構(gòu)分割與轉(zhuǎn)換

(c) 形成最終斷面與覆土轉(zhuǎn)移

4 結(jié)論與討論

CC工法是專為地下空間開發(fā)研發(fā)的新技術(shù)，繼承了多種傳統(tǒng)工法的優(yōu)勢，具有較強(qiáng)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(jìn)行闡述，并結(jié)合多種新工法進(jìn)行應(yīng)用拓展研究，得出如下結(jié)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(shù)，將大型地下空間結(jié)構(gòu)分割為若干易于機(jī)械化施工的小型單元，逐個分部實施，再通過結(jié)構(gòu)改造將諸多小型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為大型結(jié)構(gòu)、小型空間轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的分割與轉(zhuǎn)換；現(xiàn)階段，CC工法主要通過機(jī)械暗挖的形式實現(xiàn)，通常采用頂管或盾構(gòu)施工。

3)CC工法是地下空間開發(fā)領(lǐng)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(jié)構(gòu)等工法結(jié)合使用，通過結(jié)合多種工法的優(yōu)點，具有較大的拓展應(yīng)用價值。

5)通過采取相關(guān)特殊結(jié)構(gòu)和輔助措施能滿足富水地層中的應(yīng)用。隨著更多的工程實踐以及工程裝備技術(shù)的進(jìn)步，CC工法具有應(yīng)用在軟硬不均勻土層、硬土層、超大埋深、斷面復(fù)雜等更為復(fù)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(yīng)用推廣進(jìn)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。