大型地下空間的結構分割轉換工法研究

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)境復雜等特殊的邊界條件，傳統(tǒng)明挖“開膛破肚”式的建設方式已經(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，國內外學者對城市地下工程的傳統(tǒng)工法(指主要通過人工及設備進行施工的工法)進行了大量深化研究，并取得了豐碩成果。其中，淺埋暗挖法在國內經(jīng)歷了長足的發(fā)展，技術已經(jīng)相當成熟，在國內學者[1-3]的努力下，淺埋暗挖法正朝著超淺埋、多種地質適應性等方向發(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(指主要通過設備進行施工的工法)領域，佐藤拓也等[6]、清水満等[7]日本學者開發(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)端高速牽引至到達端，然后將一個個構件通過JES接頭連接，注漿后形成一個大斷面箱涵結構(如圖1所示)，在下穿既有交通線工程中得到了廣泛應用。國內學者[8-13]研發(fā)并解決了地鐵車站預制裝配新技術中設計、施工、防水、節(jié)點處理、裂縫控制、抗震等技術難題，并將該技術成功應用到長春地鐵2號線多個地鐵車站工程。文獻[14-15]提出地下工程支護-結構一體管幕預筑法，并在沈陽地鐵2 號線新樂遺址站中得到成功應用。

(a) HEP工法

(b) JES接頭

值得注意的是，彭立敏等[16]在研究現(xiàn)代矩形頂管技術時，論證了該技術在地下空間開發(fā)應用的可能性，并對該工法的前景進行了展望?，F(xiàn)代頂管技術已廣泛應用于城市過街通道、地下立交等工程中，但目前尚沒有應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，在總結提煉現(xiàn)有工法優(yōu)缺點的基礎上，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)的結構分割轉換工法(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，再進行空間結構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，最終整環(huán)二次支護形成完整隧道斷面。

圖2 傳統(tǒng)CRD工法示意圖

目前，國內學者對傳統(tǒng)的CRD工法進行了改進研究，張建斌[17]、崔小鵬等[18]分別對三臺階七步開挖工法及CRD工法進行了研究，提出了結合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工法風險高、工序復雜、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)結構受力體系轉換； 2)分部暗挖。

1.2 非傳統(tǒng)工法(Harmonica工法)

Harmonica工法由日本學者研發(fā)并成功應用到日本西大阪延伸線建設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)澆完成結構的暗挖工法，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構，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，但其也存在值得學習的思路： 1)機械化施工； 2)隧道群密貼施工。

1.3 CC工法的設想

傳統(tǒng)CRD工法與非傳統(tǒng)Harmonica工法在地下工程領域都有各自獨特的優(yōu)勢，尤其是2類工法均運用到了“小結構→大結構”的思想； 那么，是否可以結合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、結構受力體系轉換等優(yōu)勢，規(guī)避傳統(tǒng)CRD工法風險高、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工法的設想，如圖4所示。

圖4 CC新工法的設想

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性，需要結合實際工程進行驗證。

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行CC工法的首次應用。

該地下停車場規(guī)模為34.20 m×85.80 m(寬×長)，為地下單層6跨結構，建筑面積約3 288 m2。設計停車位約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) 結構分割斷面圖

項目場地開闊，北側為一座6層框架結構辦公樓，南側為一座2層磚混辦公樓，西側為工業(yè)廠房，東側為城市道路。場區(qū)管線埋置較少，僅埋設少量給排水管、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。

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，總結出如下創(chuàng)新點。

1)結構的拆分與合并。設計斷面的拆分與合并涉及建筑、結構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。該工法對結構的拆分具有充分的靈活性，相應地提出如圖5(c)所示的結構拆分與合并方式，這并不是唯一的方案。調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，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，需要進行原生建筑、結構的改造，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)，其中鋼側壁可自由拆裝、重復利用，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)中鋼筋混凝土構件與鋼側壁的連接節(jié)點。處理措施： 螺栓連接。

②B類節(jié)點。相鄰管節(jié)間預制鋼筋混凝土構件連接節(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)預制鋼筋混凝土構件與后期鋼構件連接節(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的改進措施。

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B類節(jié)點按照工法最初的設想進行連接比較困難。

圖12 B類節(jié)點原始處理措施

為此，結合國內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)點的連接方式進行了優(yōu)化，在設計規(guī)范允許的范圍內，對鋼筋進行適當彎折，并全部采用機械連接一級接頭，對不同長度進行分類統(tǒng)計和批量加工，實現(xiàn)了結構主筋的有效連接。

2)頂管整體背土效應。淺埋矩形頂管的背土效應不可避免，工法研發(fā)時對背土效應的預防主要考慮性能穩(wěn)定的減摩措施，對整體背土破壞的認識不深，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)調整、局部摩阻力不均等不利因素的誘導，以及兩側土體和前端土體的約束特點，頂管最上方土體與其兩側土體易發(fā)生剪切破壞，因此，整體背土效應的破壞過程有2部分組成： ①頂管最上方土體與其兩側土體發(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”的概念，通過進行深入的理論研究，最終得出矩形頂管各參數(shù)與整體背土破壞之間的數(shù)值關系，為CC工法的拓展設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、斷面標準，且目前明挖法弊端日益顯現(xiàn)。在不具備明挖施工條件時，機械暗挖結構分割轉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)為地鐵車站標準斷面，圖14(b)是CC工法提供的建筑結構拆分、合并及建造次序的初步方案。

(a) 地鐵車站標準斷面示意圖

(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，目前國內盾構技術已經(jīng)相當成熟，矩形、類矩形、馬蹄形等異形盾構相繼成功應用到實際工程。

盾構建造技術可以完美地應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)領域。

因此，結構分割轉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)，且斷面復雜，不具備傳統(tǒng)明挖法施工的環(huán)境條件，結構分割轉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準斷面，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準斷面

(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工法首次成功應用，采用的建筑結構“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的可實施性較好，并且對存在的缺陷進行了階段性改進。

3)該地下停車場試驗項目的特點是單層、多跨、直線、無水、軟土和采用頂進的方式施工，但對其他條件的工程項目適用性仍需進一步深入研究。

4)結構分割轉換工法具有向多層、曲線、長距離、裝配式與現(xiàn)澆組合結構發(fā)展方向應用的可能性，也是下一步的重點研究方向。

對結構分割轉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。