结构分割转换工法在地下车库建设中的应用研究

李 洋， 高 毅， 于少辉， 程 鹏， 罗雨田

(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

停车难已成为我国城市普遍面临的一大难题，在城市地面资源日趋紧张的情况下，修建地下停车库成为解决问题的重要手段[1]。但在老城区，开发利用地下空间建设地下停车库却异常困难，其主要原因是采用常规的修建方法会对地面环境、交通造成极大的影响。如何找到一种适用于已建成区的低影响地下车库建造方法，是破解城市已建成区地下车库建设难题的关键。

基于以上问题，国内外学者及专业技术人员提出了很多有益的解决方法。20世纪90年代，中铁隧道集团基于新奥法原理采用CRD工法在国家计委大院建造了我国首个暗挖地下停车库，在不开挖地面广场、不影响临近计委办公大楼和正常工作环境的情况下，建成了2个内净空跨度11.7 m、长150.36 m的双层地下洞室作为停车库[2-3]。在日本，由户田建设开发的MMB工法在既有闹市区修建了东京银座七、八衔地下停车库[4]。对于与地下停车库类似的大跨度地下空间开发建设方法的探索和实践还包括HEP & JES工法[5-6]、口琴工法[7]、MMST工法[8]以及PBA工法等[9-10]。这些方法的提出和应用为地下停车库的修建提供了新的解决思路，但是由于各自的局限性，如CRD工法安全风险高，适用的跨度范围有限； HEP & JES工法、口琴工法和MMB工法等建造成本高，这些方法都没有在地下停车库这类大型断面地下工程的建设中得到大范围的推广和应用。

在以上传统工法和新型大跨地下空间建造方法的基础上，结合机械化与装配式建造技术，文献[11-12]提出一种适用于地下停车场这类大型地下空间建设的结构分割转换工法，又称CC工法(structural cut and covert method)。本文在CC工法原理的基础上，结合地下停车库建筑结构特点，着重对CC工法在地下停车库中的应用进行研究和探讨。

1 CC工法概述

CC工法通过将地下空间结构的整体断面分割为若干分部断面，从而把难以一次开挖施工完成的大断面结构分割为若干可采用机械设备一次开挖施工的分部结构单元。通过分部施工完成分部单元结构，形成由多个平行并列的线性结构组合而成的中间结构体系，然后通过结构转换，将中间结构体系转换为整体地下空间永久结构体系。

首先，CC工法将地下空间结构分割为外周结构和内部结构，见图1。

图1 外周结构与内部结构

其次，将外周结构分割为若干分部单元，见图2(a)，并与临时结构块形成封闭、稳定的分部结构单元，见图2(b)。然后，通过依次施工完成各个分部单元，形成中间结构体系，见图2(c)。最后，施作内部永久结构体系，见图2(d)，拆除内部临时结构，完成结构体系转换，形成最终地下空间永久结构体系，见图2(e)。

(a) 外周结构分割 (b) 分部单元结构

(c) 分部单元施工完成 (d) 内部结构体系施工

(e) 整体结构转换完成

CC工法可以在极低的环境影响下完成大型地下空间开发建设，适用于无水和有水的不同地层条件。采用CC工法可以充分利用广场、公园、绿地、操场等地块，在不影响既有城市地面环境的前提下，完成地下车库建设，增加城市停车资源供给。但地下车库建筑结构有自身特点，应用CC工法时，如何对建筑结构进行合理的设计，分割、分部实施和结构体系转换，以达到安全、便捷、高效和经济的目的，是CC工法应用于地下停车库建设需要解决的关键问题。

2 CC工法在单层地下车库建设中的应用

要解决CC工法在地下车库建设中合理应用的问题，需要将地下车库的建筑结构设计和工法原理紧密结合，对车库建筑功能布局和结构设计进行合理优化；同时，也要对结构的分割、转换进行深入的研究。

因自行式地下车库最普遍也最具代表性，以下结合单层自行式地下停车库的建筑结构特点，深入研究和探讨CC工法建造地下车库的建筑结构设计优化和结构分割转换施工的合理化方案。

2.1 单层自行式地下车库建筑结构特点

自行式车库建筑结构需满足停车和行车需求，以及消防、人防等功能需求，在建筑功能布局上包含车库出入口、车库主体、人行出入口、通风井、排烟机房以及配套用房。

自行式地下车库主体结构常采用梁、柱结合体系，顶底板和侧墙作为外周结构承受外部荷载，梁、柱作为内部支撑体系承担由外周结构传递的内力，形成一个稳定、封闭的结构体系。

在建筑结构尺寸上，地下车库需设置合理的净空高度、通道宽度和停车位布置方式。根据设计经验，地下车库的结构柱网一般具有相对标准化的尺寸，建筑空间具有相对固定的高度[13]。

2.1.1 柱网布置

自行式地下车库常采用垂直式后退停车，根据规范，单个车位最小宽度为2.4 m，车位最小长度为5.3 m，行车通道最小宽度为5.5 m。

地下车库经济合理的布置是中间行车道两边车位，边跨柱网(半跨)布置为停车位；行车道与车库长边方向平行布设。这样可以充分提高停车效率，减小单个车位的公摊面积。

一般采用3种柱网： 大柱网(见图3(a))、大小柱网(见图3(b))、小柱网(见图3(c))。大柱网视线通透，使用更加舒适，但成本较高；小柱网建造成本较低，但是舒适性较差；大小柱网介于两者之间。

(a) 大柱网 (b) 大小柱网 (c) 小柱网

图3地下车库柱网布置(单位： mm)

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

2.1.2 车库高度

小型汽车停车库的最小净高为2.2 m，对于梁板式结构的地下车库：建筑层高=车库净高(2 200 mm)+面层厚度(50～100 mm)+设备高度(450 mm)+梁高(800 mm)+预留富余量(50～100 mm)=3 550～3 650 mm。

2.2 结构分割转换关键影响因素及合理化建议

采用CC工法建造地下车库，最重要的是如何将其整体结构进行合理分割，并且能再有效转换为整体结构。结构分割转换方案设计的关键影响因素及合理化建议如下：

2.2.1 分割断面选取

考虑施工组织及机械设备效率，单元分割时，应尽量减少单元分割数目，因此，宜选取地下车库的短边方向断面进行结构单元分割，工作井宜设置在车库的短边位置。

2.2.2 结构因素

结构分割转换方案需兼顾分部单元施工和结构体系转换过程中的结构稳定性。分部单元结构设计需同时满足施工及使用期间的荷载要求，因此，宜选择合理的结构分割方式。同时，分割后的分部单元宽度最好不大于同向设计柱距，分部单元结构在满足使用状态下的承载力要求时也能满足施工期间承载力要求，避免增加建设成本。

2.2.3 预制构件生产、运输及施工因素

分部单元结构尺寸应尽量统一，以便用最少种类的标准预制构件完成分部单元结构施工，同时有利于预制构件的周转使用。预制构件尺寸应综合考虑生产、运输及现场施工情况进行合理设计。

2.2.4 机械设备因素

分割宽度应考虑机械设备的尺寸以及不同断面设备施工对环境的影响情况。分割断面宽度越大，单元分割及分部施工次数越少，设备及预制构件尺寸越大，施工控制难度越高，对地层及周边环境影响越大；相反，分割断面宽度越小，单元分割及分部施工次数越多，设备及预制构件尺寸越小，施工控制难度及对地面环境影响越小。

综合考虑各方面因素，一般3～6 m的断面分割宽度较为合理。也就是按照通常地下车库覆土1.5～3 m，则最大的分割宽度为其2倍。

2.3 基于CC工法的建筑结构设计优化

2.3.1 柱网选择

采用CC工法，车库覆土厚度较常规明挖法略大，选择大柱网将增加结构尺寸、建筑层高及建造成本，因此，从经济性考虑，宜选择大小柱网或小柱网。

车行通道一般沿车库的长边方向布设，在此方向可选择大柱距；在车库短边方向采用小柱距，同时，柱距的设置要考虑结构分割和结构转换的需要。

2.3.2 梁网选择

在采用预制装配式结构时，一般只设置主纵梁，主梁宜沿纵向分割方向布置。

2.3.3 口部设置

出入口坡道、消防疏散楼梯和风井等口部尽量利用明挖工作井设置，以减少在车库暗挖段后做施工。

3 CC工法在单层地下车库中的应用实例

根据单层地下车库的建筑结构特点及CC工法考虑的主要因素，以下结合具体工程实例对CC工法的应用进行分析和讨论。

实例工程位于郑州市中铁工程装备集团大院，在广场下方拟建地下单层自行式停车库。建设场地开阔，建设范围内无地下管线及地下构筑物，拟定建设用地面积约3 288 m2，地下车库提供车位约93个，宽度满足4排停车位及2条行车通道布设，在地下车库的一端设置坡道出入口，其建筑平面布局如图4所示。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。

3.1 建筑结构设计优化

3.1.1 柱网及梁网

由于覆土3 m的条件，考虑建设成本及柱距增加

对净高的影响，选择特殊设计的小柱网和单向主梁的的布局方式，如图5所示。

(a)建筑布置示意图

(b)施工场地实景图

3.1.2 坡道及口部附属设置

在车库的东西两侧沿短边方向布置用于设备始发和接收的工作竖井，工作竖井采用明挖方法施工，西侧工作井内布置双向汽车坡道；消防楼梯在东西工作井内各设置1个，排烟机房的排烟口部设置在东侧工作井内。这样既满足了建筑功能及消防的需要，又避免了在施工过程中对装配式的主体结构进行开孔，降低施工成本及对环境的影响。

3.2 工法实施

3.2.1 分部单元施工方法选择

考虑本项目分部单元长度较短，且为直线，选择适用于短直线施工的顶管方法进行各个分部单元施工。

3.2.2 工作井设置

沿停车库的东西两侧短边设置工作井，工作井也属于停车库的一部分。在顶管施工完成后，通过顺作完成工作井剩余结构并与顶管段结构相连形成车库结构整体。停车库东侧设置为顶管始发井，西侧为顶管接收井，如图6所示。

3.2.3 结构分割

首先，将地下停车库的结构划分为外周结构和内部结构，如图7所示。其次，对结构断面进行分割。划分方法有2种(如图8所示)：①等尺寸划分，其优点是可以用同样尺寸的预制构件和设备完成施工，但缺点是划分线可能跟内部结构位置相冲突或者距离梁柱较近，造成施工不便；②不等尺寸跨中分割，其优点是分割线可以灵活避开梁柱位置，但缺点是需要不同尺寸的预制构件和施工设备，增加施工成本。

图6 工作井设置平面图 (单位： m)

图7 外周结构与内部结构划分示意图

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

(a) 等尺寸划分

(b) 不等尺寸划分

为保证施工过程中结构安全、施工便捷、减少施工设备及结构预制的尺寸种类，采用从跨中位置进行结构分割的方案，并经过优化调整，将结构断面分割的尺寸定为2种，如图9所示： 第1种断面分割宽度为5.7 m； 另一种宽度为第1种的一半，2.85 m。

图9 地下停车库外周结构分割示意图 (单位： mm)

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

这样的划分方案可以避开在梁、柱这类内部竖向结构位置处或其附近进行分割，造成后期内部结构施作的不便。同时，可以减少外周结构分块预制件种类及相应的施工设备种类，便于节约成本、缩短工期。

3.2.4 外周结构分块预制

对结构横断面进行分割后，每一个分部断面内均包含一部分外周结构。在施工过程中，要保证其对应的分部单元结构完整、受力稳定，根据顶管施工的要求，采用可拆卸的型钢临时结构与钢筋混凝土外周结构形成封闭的完整箱形结构，承担施工过程中外周水土荷载，并采取有效的密封措施，防止水土进入结构内部。

考虑施工便捷，在纵向上按照1.5 m宽度进行分割，形成一个个矩形管节，每个矩形管节由钢筋混凝土外周结构预制块和型钢侧壁临时结构预制块组合而成，钢筋混凝土预制块与型钢预制块采用螺栓相连。两种断面尺寸对应两种预制拼装矩形管节结构，其结构模型见图10，实际预制后试拼装情况见图11。

图10 单元管节分块预制示意图

图11 管节试拼装

3.2.5 分部施工

为便于施工组织，减少施工偏差，项目采取先中间后两边的顺序依次进行分部施工，如图12所示。

图12 分部施工顺序横断面示意图

根据分部断面尺寸，课题组研发了组合式矩形土压平衡顶管设备，该设备由2个独立的小断面(2.85 m×5 m)矩形顶管机并联组成1个大断面(5.7 m×5 m)组合式矩形顶管机，组合式矩形顶管设备如图13所示。

图13 组合式顶管设备

先采用大断面组合式矩形顶管完成中间5个断面宽度为5.7 m的Ⅰ分部单元施工，其施工完成后的结构如图14(a)所示；然后将其拆分为2个小断面矩形顶管，完成2个断面宽度为2.85 m的Ⅱ分部单元施工，其施工过程如图14(b)所示。

(a) Ⅰ型分部单元隧道 (b)Ⅱ型分部单元隧道

图14分部断面施工

Fig. 14 Construction of sub-sections

逐一完成各个分部断面的施工，将形成如图15所示的结构形式，外周结构和临时结构共同形成受力稳定的施工阶段中间结构体系。

图15 外周结构和临时结构形成的中间结构体系

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

3.2.6 结构体系转换

在实际施工过程中，为了减少临时结构的使用量，对结构合并与转换的工序进行了优化。根据实际测试数据，在已完成分部断面结构受力及变形稳定后，即进行该分部断面内永久梁、柱结构的施工；在相邻分部断面内永久梁、柱结构施工完成后，再拆除2个分部断面之间的临时结构，并将相邻分部断面永久结构相连接。相邻2个及多个分部断面之间临时结构拆除后的现场实际状态分别见图16和图17。

通过一步步合并转换，最终实现分部单元隧道群向整体框架结构体系的结构转换过程，其最终结构断面如图18所示。

图16 相邻两个分部断面拆除钢侧壁后实景照

图17 相邻多个分部断面拆除钢侧壁后实景照

图18 最终整体结构断面示意图

目前，该地下停车库土建工程已全部完成，其实际形成的整体地下空间如图19所示。

图19 地下停车库施工完成后实景

4 CC工法在多层地下车库建设中推广应用探讨

通过以上研究及实例可见，CC工法在单层地下车库建设中具有良好的适应性，对于双层或多层地下车库，其应用与单层类似，但需要结合施工组织对结构分割进行进一步研究。

4.1 双层地下车库

以双层5柱6跨地下车库为例，如图20(a)所示，其结构分割有2种方式： 方式1是单层分割，如图20(b)所示；方式2是双层分割，如图20(c)所示。

4.2 3层及多层地下车库

对于3层及多层地下车库，单层分割后分部单元断面尺寸过高，难以采用机械设备施工，且结构分部单元的结构稳定性差，因此需要采用分层分割的方式，如图21所示。但是这样分割线过多，分割时同时兼顾容易造成断面划分过多，造成施工工效的降低和成本的增加。

(a) 双层5柱6跨地下车库

(b) 单层分割

(c) 双层分割

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

图21 3层地下车库断面分割示意

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

根据CC工法原理，也可以仅对其外周结构分割后采用成套设备施工，见图22(a)；外周结构施工完成后，在分部单元内施做永久梁柱支撑体系，见图22(b)；然后自拆除上部临时支撑结构，完成第1层梁及楼板施工，见图22(c)；在外周结构的保护下，自上而下进行内部土体开挖，完成2层梁及楼板施工，见图22(d)；拆除下部临时支撑结构，完成主体结构施工，见图22(e)。

5 结论及建议

针对目前城市地下车库中存在的建造技术难题，本文结合具体案例，详细阐述了CC工法应用过程中建筑结构设计与施工工法的融合。主要的结论及建议如下：

1)CC工法适用于城市已建成区的地下车库建设，可在不影响地面环境的前提下，安全、高效、经济地完成地下车库建设；且适用于有水或无水的软土地层。

2)结合CC工法特点，对地下车库建筑结构设计进行合理优化，采用合适的柱网和梁网形式。

3)地下车库出入口、楼梯间、排烟井等口部结构应尽量结合工作竖井设置以实现经济、高效的目标。

4)本文对于双层和多层地下车库应用CC工法进行了讨论，并提出了相应的解决方案及结构分割的建议。

(a)外周结构分部施工

(b)内部梁、柱结构施工

(c)分层开挖及第1层楼板施工

(d)分层开挖及第2层楼板施工

(e)结构体系转换完成

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

5)CC工法不仅可应用于地下车库，还可应用于其他大断面地下空间结构，如地铁车站、地下商场等。在应用时，同样需要根据地下空间建筑结构特点，对工法的应用进行研究，以节约工期，降低工程造价。

综上，此研究可为城市地下停车场及类似大断面地下空间开发建设提供新的解决思路。