結構分割轉換工法在地下車庫建設中的應用研究

李 洋， 高 毅， 于少輝， 程 鵬， 羅雨田

(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

停車難已成為我國城市普遍面臨的一大難題，在城市地面資源日趨緊張的情況下，修建地下停車庫成為解決問題的重要手段[1]。但在老城區，開發利用地下空間建設地下停車庫卻異常困難，其主要原因是采用常規的修建方法會對地面環境、交通造成極大的影響。如何找到一種適用于已建成區的低影響地下車庫建造方法，是破解城市已建成區地下車庫建設難題的關鍵。

基于以上問題，國內外學者及專業技術人員提出了很多有益的解決方法。20世紀90年代，中鐵隧道集團基于新奧法原理采用CRD工法在國家計委大院建造了我國首個暗挖地下停車庫，在不開挖地面廣場、不影響臨近計委辦公大樓和正常工作環境的情況下，建成了2個內凈空跨度11.7 m、長150.36 m的雙層地下洞室作為停車庫[2-3]。在日本，由戶田建設開發的MMB工法在既有鬧市區修建了東京銀座七、八銜地下停車庫[4]。對于與地下停車庫類似的大跨度地下空間開發建設方法的探索和實踐還包括HEP & JES工法[5-6]、口琴工法[7]、MMST工法[8]以及PBA工法等[9-10]。這些方法的提出和應用為地下停車庫的修建提供了新的解決思路，但是由于各自的局限性，如CRD工法安全風險高，適用的跨度范圍有限； HEP & JES工法、口琴工法和MMB工法等建造成本高，這些方法都沒有在地下停車庫這類大型斷面地下工程的建設中得到大范圍的推廣和應用。

在以上傳統工法和新型大跨地下空間建造方法的基礎上，結合機械化與裝配式建造技術，文獻[11-12]提出一種適用于地下停車場這類大型地下空間建設的結構分割轉換工法，又稱CC工法(structural cut and covert method)。本文在CC工法原理的基礎上，結合地下停車庫建筑結構特點，著重對CC工法在地下停車庫中的應用進行研究和探討。

1 CC工法概述

CC工法通過將地下空間結構的整體斷面分割為若干分部斷面，從而把難以一次開挖施工完成的大斷面結構分割為若干可采用機械設備一次開挖施工的分部結構單元。通過分部施工完成分部單元結構，形成由多個平行并列的線性結構組合而成的中間結構體系，然后通過結構轉換，將中間結構體系轉換為整體地下空間永久結構體系。

首先，CC工法將地下空間結構分割為外周結構和內部結構，見圖1。

圖1 外周結構與內部結構

其次，將外周結構分割為若干分部單元，見圖2(a)，并與臨時結構塊形成封閉、穩定的分部結構單元，見圖2(b)。然后，通過依次施工完成各個分部單元，形成中間結構體系，見圖2(c)。最后，施作內部永久結構體系，見圖2(d)，拆除內部臨時結構，完成結構體系轉換，形成最終地下空間永久結構體系，見圖2(e)。

(a) 外周結構分割 (b) 分部單元結構

(c) 分部單元施工完成 (d) 內部結構體系施工

(e) 整體結構轉換完成

CC工法可以在極低的環境影響下完成大型地下空間開發建設，適用于無水和有水的不同地層條件。采用CC工法可以充分利用廣場、公園、綠地、操場等地塊，在不影響既有城市地面環境的前提下，完成地下車庫建設，增加城市停車資源供給。但地下車庫建筑結構有自身特點，應用CC工法時，如何對建筑結構進行合理的設計，分割、分部實施和結構體系轉換，以達到安全、便捷、高效和經濟的目的，是CC工法應用于地下停車庫建設需要解決的關鍵問題。

2 CC工法在單層地下車庫建設中的應用

要解決CC工法在地下車庫建設中合理應用的問題，需要將地下車庫的建筑結構設計和工法原理緊密結合，對車庫建筑功能布局和結構設計進行合理優化；同時，也要對結構的分割、轉換進行深入的研究。

因自行式地下車庫最普遍也最具代表性，以下結合單層自行式地下停車庫的建筑結構特點，深入研究和探討CC工法建造地下車庫的建筑結構設計優化和結構分割轉換施工的合理化方案。

2.1 單層自行式地下車庫建筑結構特點

自行式車庫建筑結構需滿足停車和行車需求，以及消防、人防等功能需求，在建筑功能布局上包含車庫出入口、車庫主體、人行出入口、通風井、排煙機房以及配套用房。

自行式地下車庫主體結構常采用梁、柱結合體系，頂底板和側墻作為外周結構承受外部荷載，梁、柱作為內部支撐體系承擔由外周結構傳遞的內力，形成一個穩定、封閉的結構體系。

在建筑結構尺寸上，地下車庫需設置合理的凈空高度、通道寬度和停車位布置方式。根據設計經驗，地下車庫的結構柱網一般具有相對標準化的尺寸，建筑空間具有相對固定的高度[13]。

2.1.1 柱網布置

自行式地下車庫常采用垂直式后退停車，根據規范，單個車位最小寬度為2.4 m，車位最小長度為5.3 m，行車通道最小寬度為5.5 m。

地下車庫經濟合理的布置是中間行車道兩邊車位，邊跨柱網(半跨)布置為停車位；行車道與車庫長邊方向平行布設。這樣可以充分提高停車效率，減小單個車位的公攤面積。

一般采用3種柱網： 大柱網(見圖3(a))、大小柱網(見圖3(b))、小柱網(見圖3(c))。大柱網視線通透，使用更加舒適，但成本較高；小柱網建造成本較低，但是舒適性較差；大小柱網介于兩者之間。

(a) 大柱網 (b) 大小柱網 (c) 小柱網

圖3地下車庫柱網布置(單位： mm)

Fig. 3 Layout of column network of underground parking lot (unit: mm)

2.1.2 車庫高度

小型汽車停車庫的最小凈高為2.2 m，對于梁板式結構的地下車庫：建筑層高=車庫凈高(2 200 mm)+面層厚度(50～100 mm)+設備高度(450 mm)+梁高(800 mm)+預留富余量(50～100 mm)=3 550～3 650 mm。

2.2 結構分割轉換關鍵影響因素及合理化建議

采用CC工法建造地下車庫，最重要的是如何將其整體結構進行合理分割，并且能再有效轉換為整體結構。結構分割轉換方案設計的關鍵影響因素及合理化建議如下：

2.2.1 分割斷面選取

考慮施工組織及機械設備效率，單元分割時，應盡量減少單元分割數目，因此，宜選取地下車庫的短邊方向斷面進行結構單元分割，工作井宜設置在車庫的短邊位置。

2.2.2 結構因素

結構分割轉換方案需兼顧分部單元施工和結構體系轉換過程中的結構穩定性。分部單元結構設計需同時滿足施工及使用期間的荷載要求，因此，宜選擇合理的結構分割方式。同時，分割后的分部單元寬度最好不大于同向設計柱距，分部單元結構在滿足使用狀態下的承載力要求時也能滿足施工期間承載力要求，避免增加建設成本。

2.2.3 預制構件生產、運輸及施工因素

分部單元結構尺寸應盡量統一，以便用最少種類的標準預制構件完成分部單元結構施工，同時有利于預制構件的周轉使用。預制構件尺寸應綜合考慮生產、運輸及現場施工情況進行合理設計。

2.2.4 機械設備因素

分割寬度應考慮機械設備的尺寸以及不同斷面設備施工對環境的影響情況。分割斷面寬度越大，單元分割及分部施工次數越少，設備及預制構件尺寸越大，施工控制難度越高，對地層及周邊環境影響越大；相反，分割斷面寬度越小，單元分割及分部施工次數越多，設備及預制構件尺寸越小，施工控制難度及對地面環境影響越小。

綜合考慮各方面因素，一般3～6 m的斷面分割寬度較為合理。也就是按照通常地下車庫覆土1.5～3 m，則最大的分割寬度為其2倍。

2.3 基于CC工法的建筑結構設計優化

2.3.1 柱網選擇

采用CC工法，車庫覆土厚度較常規明挖法略大，選擇大柱網將增加結構尺寸、建筑層高及建造成本，因此，從經濟性考慮，宜選擇大小柱網或小柱網。

車行通道一般沿車庫的長邊方向布設，在此方向可選擇大柱距；在車庫短邊方向采用小柱距，同時，柱距的設置要考慮結構分割和結構轉換的需要。

2.3.2 梁網選擇

在采用預制裝配式結構時，一般只設置主縱梁，主梁宜沿縱向分割方向布置。

2.3.3 口部設置

出入口坡道、消防疏散樓梯和風井等口部盡量利用明挖工作井設置，以減少在車庫暗挖段后做施工。

3 CC工法在單層地下車庫中的應用實例

根據單層地下車庫的建筑結構特點及CC工法考慮的主要因素，以下結合具體工程實例對CC工法的應用進行分析和討論。

實例工程位于鄭州市中鐵工程裝備集團大院，在廣場下方擬建地下單層自行式停車庫。建設場地開闊，建設范圍內無地下管線及地下構筑物，擬定建設用地面積約3 288 m2，地下車庫提供車位約93個，寬度滿足4排停車位及2條行車通道布設，在地下車庫的一端設置坡道出入口，其建筑平面布局如圖4所示。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。

3.1 建筑結構設計優化

3.1.1 柱網及梁網

由于覆土3 m的條件，考慮建設成本及柱距增加

對凈高的影響，選擇特殊設計的小柱網和單向主梁的的布局方式，如圖5所示。

(a)建筑布置示意圖

(b)施工場地實景圖

3.1.2 坡道及口部附屬設置

在車庫的東西兩側沿短邊方向布置用于設備始發和接收的工作豎井，工作豎井采用明挖方法施工，西側工作井內布置雙向汽車坡道；消防樓梯在東西工作井內各設置1個，排煙機房的排煙口部設置在東側工作井內。這樣既滿足了建筑功能及消防的需要，又避免了在施工過程中對裝配式的主體結構進行開孔，降低施工成本及對環境的影響。

3.2 工法實施

3.2.1 分部單元施工方法選擇

考慮本項目分部單元長度較短，且為直線，選擇適用于短直線施工的頂管方法進行各個分部單元施工。

3.2.2 工作井設置

沿停車庫的東西兩側短邊設置工作井，工作井也屬于停車庫的一部分。在頂管施工完成后，通過順作完成工作井剩余結構并與頂管段結構相連形成車庫結構整體。停車庫東側設置為頂管始發井，西側為頂管接收井，如圖6所示。

3.2.3 結構分割

首先，將地下停車庫的結構劃分為外周結構和內部結構，如圖7所示。其次，對結構斷面進行分割。劃分方法有2種(如圖8所示)：①等尺寸劃分，其優點是可以用同樣尺寸的預制構件和設備完成施工，但缺點是劃分線可能跟內部結構位置相沖突或者距離梁柱較近，造成施工不便；②不等尺寸跨中分割，其優點是分割線可以靈活避開梁柱位置，但缺點是需要不同尺寸的預制構件和施工設備，增加施工成本。

圖6 工作井設置平面圖 (單位： m)

圖7 外周結構與內部結構劃分示意圖

Fig. 7 Diagram of division of peripheral structure and internal structure

(a) 等尺寸劃分

(b) 不等尺寸劃分

為保證施工過程中結構安全、施工便捷、減少施工設備及結構預制的尺寸種類，采用從跨中位置進行結構分割的方案，并經過優化調整，將結構斷面分割的尺寸定為2種，如圖9所示： 第1種斷面分割寬度為5.7 m； 另一種寬度為第1種的一半，2.85 m。

圖9 地下停車庫外周結構分割示意圖 (單位： mm)

Fig. 9 Sketch of division of peripheral structure of underground parking lot (unit: mm)

這樣的劃分方案可以避開在梁、柱這類內部豎向結構位置處或其附近進行分割，造成后期內部結構施作的不便。同時，可以減少外周結構分塊預制件種類及相應的施工設備種類，便于節約成本、縮短工期。

3.2.4 外周結構分塊預制

對結構橫斷面進行分割后，每一個分部斷面內均包含一部分外周結構。在施工過程中，要保證其對應的分部單元結構完整、受力穩定，根據頂管施工的要求，采用可拆卸的型鋼臨時結構與鋼筋混凝土外周結構形成封閉的完整箱形結構，承擔施工過程中外周水土荷載，并采取有效的密封措施，防止水土進入結構內部。

考慮施工便捷，在縱向上按照1.5 m寬度進行分割，形成一個個矩形管節，每個矩形管節由鋼筋混凝土外周結構預制塊和型鋼側壁臨時結構預制塊組合而成，鋼筋混凝土預制塊與型鋼預制塊采用螺栓相連。兩種斷面尺寸對應兩種預制拼裝矩形管節結構，其結構模型見圖10，實際預制后試拼裝情況見圖11。

圖10 單元管節分塊預制示意圖

圖11 管節試拼裝

3.2.5 分部施工

為便于施工組織，減少施工偏差，項目采取先中間后兩邊的順序依次進行分部施工，如圖12所示。

圖12 分部施工順序橫斷面示意圖

根據分部斷面尺寸，課題組研發了組合式矩形土壓平衡頂管設備，該設備由2個獨立的小斷面(2.85 m×5 m)矩形頂管機并聯組成1個大斷面(5.7 m×5 m)組合式矩形頂管機，組合式矩形頂管設備如圖13所示。

圖13 組合式頂管設備

先采用大斷面組合式矩形頂管完成中間5個斷面寬度為5.7 m的Ⅰ分部單元施工，其施工完成后的結構如圖14(a)所示；然后將其拆分為2個小斷面矩形頂管，完成2個斷面寬度為2.85 m的Ⅱ分部單元施工，其施工過程如圖14(b)所示。

(a) Ⅰ型分部單元隧道 (b)Ⅱ型分部單元隧道

圖14分部斷面施工

Fig. 14 Construction of sub-sections

逐一完成各個分部斷面的施工，將形成如圖15所示的結構形式，外周結構和臨時結構共同形成受力穩定的施工階段中間結構體系。

圖15 外周結構和臨時結構形成的中間結構體系

Fig. 15 Intermediate structure system formed by peripheral structure and temporary structure

3.2.6 結構體系轉換

在實際施工過程中，為了減少臨時結構的使用量，對結構合并與轉換的工序進行了優化。根據實際測試數據，在已完成分部斷面結構受力及變形穩定后，即進行該分部斷面內永久梁、柱結構的施工；在相鄰分部斷面內永久梁、柱結構施工完成后，再拆除2個分部斷面之間的臨時結構，并將相鄰分部斷面永久結構相連接。相鄰2個及多個分部斷面之間臨時結構拆除后的現場實際狀態分別見圖16和圖17。

通過一步步合并轉換，最終實現分部單元隧道群向整體框架結構體系的結構轉換過程，其最終結構斷面如圖18所示。

圖16 相鄰兩個分部斷面拆除鋼側壁后實景照

圖17 相鄰多個分部斷面拆除鋼側壁后實景照

圖18 最終整體結構斷面示意圖

目前，該地下停車庫土建工程已全部完成，其實際形成的整體地下空間如圖19所示。

圖19 地下停車庫施工完成后實景

4 CC工法在多層地下車庫建設中推廣應用探討

通過以上研究及實例可見，CC工法在單層地下車庫建設中具有良好的適應性，對于雙層或多層地下車庫，其應用與單層類似，但需要結合施工組織對結構分割進行進一步研究。

4.1 雙層地下車庫

以雙層5柱6跨地下車庫為例，如圖20(a)所示，其結構分割有2種方式： 方式1是單層分割，如圖20(b)所示；方式2是雙層分割，如圖20(c)所示。

4.2 3層及多層地下車庫

對于3層及多層地下車庫，單層分割后分部單元斷面尺寸過高，難以采用機械設備施工，且結構分部單元的結構穩定性差，因此需要采用分層分割的方式，如圖21所示。但是這樣分割線過多，分割時同時兼顧容易造成斷面劃分過多，造成施工工效的降低和成本的增加。

(a) 雙層5柱6跨地下車庫

(b) 單層分割

(c) 雙層分割

Fig. 20 Structure division of double-layered underground parking lot

圖21 3層地下車庫斷面分割示意

Fig. 21 Structure division of three-layered underground parking lot

根據CC工法原理，也可以僅對其外周結構分割后采用成套設備施工，見圖22(a)；外周結構施工完成后，在分部單元內施做永久梁柱支撐體系，見圖22(b)；然后自拆除上部臨時支撐結構，完成第1層梁及樓板施工，見圖22(c)；在外周結構的保護下，自上而下進行內部土體開挖，完成2層梁及樓板施工，見圖22(d)；拆除下部臨時支撐結構，完成主體結構施工，見圖22(e)。

5 結論及建議

針對目前城市地下車庫中存在的建造技術難題，本文結合具體案例，詳細闡述了CC工法應用過程中建筑結構設計與施工工法的融合。主要的結論及建議如下：

1)CC工法適用于城市已建成區的地下車庫建設，可在不影響地面環境的前提下，安全、高效、經濟地完成地下車庫建設；且適用于有水或無水的軟土地層。

2)結合CC工法特點，對地下車庫建筑結構設計進行合理優化，采用合適的柱網和梁網形式。

3)地下車庫出入口、樓梯間、排煙井等口部結構應盡量結合工作豎井設置以實現經濟、高效的目標。

4)本文對于雙層和多層地下車庫應用CC工法進行了討論，并提出了相應的解決方案及結構分割的建議。

(a)外周結構分部施工

(b)內部梁、柱結構施工

(c)分層開挖及第1層樓板施工

(d)分層開挖及第2層樓板施工

(e)結構體系轉換完成

Fig. 22 Construction steps of three-layered underground parking lot

5)CC工法不僅可應用于地下車庫，還可應用于其他大斷面地下空間結構，如地鐵車站、地下商場等。在應用時，同樣需要根據地下空間建筑結構特點，對工法的應用進行研究，以節約工期，降低工程造價。

綜上，此研究可為城市地下停車場及類似大斷面地下空間開發建設提供新的解決思路。