结构分割转换工法在地下空间开发中的应用及设想

高 毅， 冯超元， 程 鹏

(中铁工程装备集团有限公司地下空间设计研究院， 河南 郑州 450016)

0 引言

随着我国城市化进程的加深，人口膨胀、交通拥堵、环境恶化等“城市病”逐渐显现，城市地下空间的开发需求越来越高。

在城市已建成区的地下空间开发利用中，有着非常独特复杂的边界条件，采用现有的技术难以最大限度地有效利用土地资源进行地下空间综合开发。同时在现阶段开发过程中，常采用的明挖建造方法仍存在对周边建(构)筑物、交通、景观、管线等的巨大影响，给城市的正常生活秩序带来了较大的困扰。而已有的暗挖法主要应用于断面简单、跨度在一定范围内的地下工程，如地铁区间隧道、地下通道等，对于大跨、多跨、断面复杂的大型地下空间，如地下停车场、地铁车站、地下商场等，采用已有的暗挖建造方法难度大、风险高、造价高、效率低，均不能有效满足大型地下空间的开发需求。

城市地下空间开发常面临着极为严苛的工程条件，传统工法难以满足开发需求，因此，国内外学者研发了多种新型工法并进行工程实践，取得了大量成果。佐藤拓也等[1]、清水満等[2]日本学者开发出HEP & JES工法，在下穿既有交通线工程中得到了广泛应用。多圆盾构工法(MF工法)由日本学者开发并成功运用到地下工程领域，杨国祥等[3]、孙统立等[4]国内学者依托上海地铁6、8号线工程，研究了MF工法的关键施工技术及周边土体位移特征。张光权等[5]、王安东[6]国内学者通过工程实践研究了拱盖法在地铁车站中的应用，同时结合车站工程特点提出更加安全可靠的叠合初期支护拱盖法。国内首台U型盾构(长×宽×高为12.9 m×9.2 m×9.4 m)在海口地下管廊工程中成功运用，工期缩短近30%[7]。赵文等[8]、关永平等[9]国内学者研究了STS管幕结构的受力性能，并将STS管幕工法成功运用到地铁暗挖车站。李兆平等[10]、陈久恒[11]国内学者学习国外地下工程预制建造技术，解决了拼装吊运、定位纠偏、裂缝控制、抗震、构件连接等技术难题，提出预制装配式地铁车站施工技术，并成功运用到长春地铁2号线多个地铁车站工程。综上，国内外学者在城市地下工程领域做了大量创新性研究，并取得了良好的工程实践成果，但目前新工法的研究主要集中在“线”型地下空间领域。

与此同时，彭立敏等[12]、高毅等[13]、贾连辉[14]国内学者吸收国外先进经验，研究了矩形掘进机在城市地下空间开发中的应用，通过工程实践提出了地下空间工程的结构分割转换工法(structural cut and convert method，简称“CC工法”)，为城市地下空间开发提供了新的解决思路。

本文基于CC工法的概念，结合对实际工程建造过程的研究，探讨CC工法的内涵与拓展应用的可能性。

1 CC工法

CC工法继承了多种工法的优势，是一种适用于城市大型地下空间开发的新工法。CC工法的内涵： 根据地下空间的建筑功能需求及目前的建造技术，将大型地下空间结构分割为若干易于机械化施工的小型单元，逐个分部实施，再通过结构改造将诸多小型结构转换为大型结构、小型空间转换为大型空间，最终形成整体大型地下空间。

CC工法的核心内容为地下工程结构的分割与转换。目前，机械化暗挖是地下空间开发的发展趋势，也是实现CC工法的主要途径，适用于CC工法小型分部单元机械暗挖建造的方法主要有顶管法和盾构法。

非圆断面的异形掘进机目前仅能在软土地层中有较好的适应性，故CC工法目前主要适用于软土地层。大型整体结构和小型分部单元结构及转换过程在设计过程中均需满足特殊荷载要求，如地震荷载；根据工程实践，可采取相应措施，如特殊结构或辅助止水措施，在结构转换过程中及形成最终大型整体结构后，在富水地层中也能有较好的适应性。

以图1所示的地下2层3跨结构为例，介绍利用顶管法建造分部单元的CC工法。

图1 地下2层3跨结构断面示意图 (单位： mm)

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

1.1 结构分割

采用顶管法或盾构法密贴施工建造单元空间，其断面分割方案种类较多，其中一种方案如图2和图3所示，将地下空间结构断面划分为8个小型单元，其中①④⑤⑧为Ⅰ型单元，②③⑥⑦为Ⅱ型单元。

图2 断面分割示意图 (单位： mm)

(a) Ⅰ型单元 (b) Ⅱ型单元

图3小型分部单元示意图(单位： mm)

Fig. 3 Divided element (unit： mm)

1.2 建造过程

CC工法采用矩形顶管建造地下2层3跨结构，其建造方案如图4所示。

(a) 实施各小型分部单元

(b) 施作内部结构

(c) 形成大型整体地下空间

1.3 节点处理

CC工法采用矩形顶管建造地下2层3跨结构时，主要涉及3类节点的处理，如图5所示。

图5 3类节点示意图

1)A类节点。单元管节中钢筋混凝土构件与临时型钢构件的连接节点。可处理措施： 螺栓连接。

2)B类节点。相邻管节间预制钢筋混凝土构件连接节点。可处理措施： 钢筋连接，后浇带处理。

3)C类节点。管节预制钢筋混凝土构件与后期主体结构构件连接节点。可处理措施： 钢筋连接现浇混凝土处理。

2 工程实践

为验证CC工法的可行性，选择一个单层多跨的结构进行实践，分别从方案选取、结构分割转换过程、经济效益等方面展开分析。

2.1 工程背景

该地下停车场工程主要特点为单层、多跨、直线、无水、软土。建筑面积约3 288 m2，设计停车位93个，平面尺寸为85.8 m×34.2 m(长×宽)，为地下单层6跨结构，如图6所示。

图6 地下停车场平面示意图 (单位： m)

项目场地开阔，主要影响区内无建(构)筑物。施工范围内仅埋设少量管线，对施工无影响。

2.2 岩土参数

场地地下水位埋深约18 m，地层主要由人工填土、粉砂、粉土和粉质黏土组成，主要岩土参数详见表1，具备暗挖条件。

表1 主要岩土参数

2.3 方案比选

为尽量减少施工对地面的影响(包括地面交通、停车等)，该地下停车库采用机械化暗挖建造，可选用矩形顶管或盾构施工，根据该试验项目的长度，最终选取顶管进行施工。

该工程两端工作井采用明挖法施工，中间段采用暗挖(顶管)法施工，如图6所示。东端为顶管始发井，宽12.00 m；西端为顶管接收井，宽11.15 m，工作井深9.50 m；顶进长度62.70 m，顶管段埋深3.00 m。根据顶管段断面分割方式的不同，提出了2种方案。

2.3.1 断面分割方案1

柱顶接缝临时钢管片支撑结构和主体结构体系如图7和图8所示，方案1的主要特点是柱顶设缝。

2.3.1.1 优点

1)顶推单元只有1种，只需1台设备；

2)柱顶设缝，可将顶、底板钢筋连接在现浇钢筋混凝土顶、底纵梁内，结构受力特性较好；

3)接头可采用干接，接头处理简单；

4)需顶进6次，相对跨中接缝少1次，工期易保证，经济性较好。

2.3.1.2 缺点

1)顶纵梁施工需临时支撑，需进行2次受力转换；

2)接头为铰接，整体性不如湿接的刚性连接好；

3)跨距与顶管尺寸控制不灵活。

图7 柱顶接缝临时钢管片支撑结构体系图 (单位： mm)

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

图8 柱顶接缝主体结构体系图 (单位： mm)

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

2.3.2 断面分割方案2

跨中接缝临时钢管片支撑结构和主体结构体系如图9和图10所示，方案2的主要特点是跨中设缝。

2.3.2.1 优点

1)受力转换只需1次，结构整体性好；

2)跨距与顶管尺寸控制灵活；

3)组合管节钢侧壁可拆卸倒用，降低成本；

4)结构布置灵活，可更好的满足建筑需求。

2.3.2.2 缺点

1)顶推单元有2种，中跨及边跨，需要2台顶管设备或者改装设备；

2)接头采用钢筋连接(刚接)，施工难度较大，质量不易保证；

3)接缝在跨中位置，结构受力相对复杂。

图9 跨中接缝临时钢管片支撑结构体系图 (单位： mm)

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

图10 跨中接缝主体结构体系图 (单位： mm)

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

2.3.3 方案选取

综上2种方案，从建筑、结构、施工及后期维护等角度综合考虑，该地下停车场工程采用跨中设缝结构体系。

CC工法示意图如图11所示，大型地下空间由7个顶管隧道组成，采用1台5.00 m×5.70 m顶管顶推中间5跨，其余2个边跨待顶管改装断面为5.00 m×2.85 m，再分别从东往西顶进。

(a) 断面示意图

2.4 施工工序

运用CC工法分割与转换的思想，同时采用跨中设缝的方案，该地下停车场的施工工序如图12所示。

2.5 跨中节点处理措施

工法最初研发时跨中顶、底板节点的处理方式如图13所示。在顶进过程中，相邻隧道之间难免形成错台，导致连接钢筋长度不一，难以加工，且相邻钢筋混凝土构件之间预留间距较小，致使跨中节点按照工法最初的设想进行连接较为困难。

为此，结合国内外针对此类情况下钢筋混凝土构件连接方式的调查研究成果，对该类节点的连接方式进行优化，在设计规范允许的范围内，对钢筋进行适当弯折，并全部采用机械连接一级接头，对不同长度的钢筋进行分类统计和批量加工，实现结构主筋的有效连接。

(a) 1#洞施工完成

(b) 2#洞施工完成

(c) 绑扎钢筋完成1#、2#洞梁柱施工

(d) 拆除1#、2#洞钢管节并完成节点处理，3#洞施工完成

(e) 拆除1#、3#洞钢管节并完成节点处理，4#洞施工完成

(f) 拆除2#、4#洞钢管节并完成节点处理，5#洞施工完成

(g) 拆除3#、5#洞钢管节并完成节点处理，6#洞施工完成

(h) 拆除4#、6#洞钢管节并完成节点处理，7#洞施工完成

(i) 拆除5#、7#洞钢管节并完成节点处理

(j) 完成铺装层施工

图13 B类节点原始处理措施

2.6 建造成果

CC工法的建造过程和以往工法大不相同，目前，该地下停车场工程已建造完成并投入使用，关键施工工序的现场实景如图14所示。

(a) 施工现场围挡

(b) 分部结构单元施工

(c) 逐步形成连通的地下空间

(d) 最终断面

(e) 实景

2.7 经济效益分析

本项目地下车库土建工程单位造价为： 3 200万元/3 288 m2=0.97万元/m2；而采用传统暗挖法施工时，土建工程单位造价为1.5万元/m2，采用本工法节省总投资1 743万元。

在项目施工期间不影响上部广场正常使用，提高了施工效率，缩短了施工工期，主体结构土建工程用时约8个月，节约大量人工投入，减少了能源和资源的消耗，降低了工程成本，达到了节能降耗、保护环境的目的。

3 CC工法的应用拓展

通过实践，验证了CC工法在无水软土大型单层地下空间工程中的可行性；对于多层及断面复杂的地下空间工程，如地铁车站、综合管廊、过街通道、公路隧道等，通过合理的结构分割与转换，均能有较好的适应性；在特定的工程条件下，CC工法也具有与其他先进工法结合应用的价值。

3.1 富水地层中的应用

在相邻分部单元相邻处外侧可以设置特殊防水构件满足整体防水要求，在转换过程中特殊部位可以采取辅助防水措施(如注浆、局部冷冻)以满足在富水地层中的适应性。在特殊工况要求下，可以局部施作二次衬砌以满足整体结构的可靠性及防水等要求。常用的止水结构如图15所示。

(a) 相邻分部单元间的止水结构(浅埋)

(b) 相邻分部单元间的止水结构(深埋)

3.2 型钢混凝土与CC工法结合

型钢混凝土主要应用在高层建筑梁柱构件中，在地下结构中的应用尚且不多。取图1所示的2层3跨结构为例进行论述，断面分割方式与前文不同，采用如图16和图17所示的分割方式。

型钢混凝土与CC工法的结合类似于日本的“口琴工法”，以型钢构件作为小型分部单元的初期支护，通过对型钢单元的空间结构改造，现浇混凝土实现最终断面。

(a) 断面分割

(b) 分部施工

(d) 形成大型地下空间

图17 小型分部单元示意图 (单位： mm)

3.3 明挖法与CC工法结合

CC工法应用于周边环境条件约束苛刻的工程，但在特定的工程条件下，场地也具有一定的部分开挖条件时，可考虑明挖法与CC工法结合的建造方案。以图18所示的单层地下空间为例进行论述。

1)方案1。首先通过CC工法进行结构的分割与转换，之后采用分部明挖的方式进行建造，如图19所示。本方法可以利用移动式围护结构分别施作两侧预制拼装分部单元，再施作中部现浇部分，工效快、断面灵活，可以节省大量围护结构费用。

图18 单层地下空间

(a) 明挖施作左侧部分 (b) 明挖施作右侧部分、覆土转移 (c) 明挖顺筑中间部分、覆土转移

(d) 明挖顺筑完成中间部分 (e) 拆除型钢构件形成地下空间

图19方案1——明挖法与CC工法结合

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

2)方案2。首先通过CC工法进行结构的分割与转换，与方案1的不同之处在于方案2采用局部暗挖的方式建造左右两侧的预制拼装结构，如图20所示。本方法可以利用左右侧暗挖结构作为中部现浇结构的基坑围护结构，节省大量围护结构费用及减少暗挖占地范围。

(a) 逐个暗挖施作两侧部分(b) 明挖顺筑施作中间部分

图20方案2——明挖法与CC工法结合

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

3.4 传统暗挖法与CC工法结合

传统暗挖方式主要有浅埋暗挖法、CRD工法、导洞法和台阶法等。本节主要结合传统暗挖中常见的曲线管幕支护方法，采用CC工法的结构分割与转换理念，进行简要论述，如图21所示。

3.5 地面装配式结构的应用

地面装配式结构兴起于近年来我国大规模的“造城”运动，其底板标高一般位于现状地面以下，顶板标高位于现状地面以上、设计地面标高以下，主要特点为半开挖性质的浅埋地下工程。

CC工法具备的施工便捷与工期优势可较好地配合地面装配式结构的设计与施工。地面装配式结构的建造思路如图22所示。

(a) 曲线管幕施作

(b) 逐步完成主体结构、拆除临时构件

(a) 地面装配式结构断面图

(b) 结构分割与转换

(c) 形成最终断面与覆土转移

4 结论与讨论

CC工法是专为地下空间开发研发的新技术，继承了多种传统工法的优势，具有较强的安全性、灵活性及适用性。本文以该工法的首次工程实践为背景，通过对该工法的实际建造方案和内涵进行阐述，并结合多种新工法进行应用拓展研究，得出如下结论。

1)CC工法的内涵。根据地下空间的建筑功能需求及目前的建造技术，将大型地下空间结构分割为若干易于机械化施工的小型单元，逐个分部实施，再通过结构改造将诸多小型结构转换为大型结构、小型空间转换为大型空间，最终形成整体大型地下空间。

2)CC工法的核心内容为结构的分割与转换；现阶段，CC工法主要通过机械暗挖的形式实现，通常采用顶管或盾构施工。

3)CC工法是地下空间开发领域的创新性研究成果，通过工程实践验证了CC工法在无水软土大型单层地下空间工程中的可行性。

4)在特定的工程条件下，CC工法可与明挖法、暗挖法、型钢混凝土、地面装配式结构等工法结合使用，通过结合多种工法的优点，具有较大的拓展应用价值。

5)通过采取相关特殊结构和辅助措施能满足富水地层中的应用。随着更多的工程实践以及工程装备技术的进步，CC工法具有应用在软硬不均匀土层、硬土层、超大埋深、断面复杂等更为复杂的工程中的可能性。

综上，本文以CC工法实践为背景，对该工法的内涵及应用推广进行探讨，希望为城市地下空间开发提供更为合理的方案选取思路。