一种矩形或类矩形断面地下工程机械分部暗挖建造方法与流程

本发明专利涉及一种新型矩形断面地下空间机械暗挖建造方法，属于地下工程领域。

背景技术：
与圆形断面结构相比，地下空间工程采用矩形或类矩形断面具有覆土浅、空间利用率高等优势，因此矩形和类矩形断面在地下空间工程中得到了越来越多的重视和应用。目前修建矩形或类矩形断面的地下空间工程常用方法有明挖法、盖挖法、矿山法、顶管法和盾构法等。明挖法和盖挖法均需破坏地面环境，在不允许大面积地面开挖的情况下不宜采用；矿山法相对灵活多变，在矩形断面地下空间施工中，需先对开挖范围进行超前预支护，然后根据地层情况进行分部开挖，但其大量采用人工作业，施工效率低，安全风险高；顶管法和盾构法这种利用机械建造的方式受制于设备性能和结构受力特点，难以一次性形成大型矩形断面结构形式的地下空间工程。中国专利CN105089669公开了一种预制构件建造的地下车站及其施工方法，采用矩形顶管将预制拼装构件应用于地下车站施工，该专利提出了6个相同断面的线性矩形顶管隧道的管节结构拼装成地铁车站的建设方法，左右相邻管节结构间通过榫槽和榫头相连，上下相邻的管节结构件通过螺栓连接；车站内外部结构全部通过管节拼装而成。但是该专利中车站内部结构均为预制管节拼成，建筑结构受到施工方法的制约，无法实现灵活布置，永久结构通过榫槽和榫头及螺栓连接，结构防水、稳定性及抗震性能难以满足要求。

技术实现要素：
本发明提出了一种矩形或类矩形断面地下工程机械分部暗挖建造方法，解决了建造矩形或类矩形断面地下空间工程时，明挖法和盖挖法对环境的破坏、矿山法施工效率低及安全风险高、顶管法和盾构法难以一次性形成大型矩形断面结构等问题；以“先分后合、由外到内”为指导思想，通过机械分部施工、结构整体转换，实现在道路和建（构）筑物下方安全、高效、环保和经济地建造大型矩形或类矩形断面地下空间工程。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种矩形或类矩形断面地下工程机械分部暗挖建造方法，包含以下步骤：步骤一，对矩形或类矩形断面的地下工程的整体结构进行结构划分。迎土面结构划分为外周结构，其余结构划分为内部结构；将外周结构用垂直于矩形或类矩形断面的剖切面划分为若干分部结构；分部结构划分时，为了内部结构后期施工的便捷性，对外周结构进行划分时，剖切面宜避开外周结构和内部结构的节点部位。步骤二，对各分部结构在垂直于断面平面的纵向上进行分块预制，每个分部结构均得到若干分块预制件；所述分块预制件由永久结构构件和临时结构构件组成，永久结构构件为分部结构分块，并与临时结构构件可拆卸式连接；相邻分块预制件之间对应设置有导轨和导轨槽，导轨插入导轨槽之中实现相邻分块预制件的密贴和顶进过程中的导向定位。步骤三，施做掘进设备施工始发空间和接收空间。始发空间和接收空间可以采用明挖法、盖挖法以及暗挖方法施工，视具体环境条件确定。所述始发空间和接收空间位于整体结构的两端，始发空间应满足掘进设备吊入组装、预制件吊入、推进施工和渣土运出的需求，接收空间应满足掘进设备吊出以及物料进出的需求；在一些情况下，如果需要在接收空间内进行掘进设备始发，则接收空间也应满足设备施工要求。步骤四，对各分部结构的分块预制件进行顶进施工：1）根据要顶进的分部结构的位置，进行始发台定位安装。始发台的位置依据要顶进的分部结构设计轴线、洞门位置及相应掘进设备尺寸确定；2）将与分块预制件断面相应的开挖掘进设备吊入始发空间内组装，并进行反力系统和顶进系统安装；3）掘进设备在始发台上按设计轴线进入地层进行分部开挖，每开挖完一个分块预制件的纵向长度，就将一个相应的分块预制件吊入始发空间的导轨上，通过顶进系统将分块预制件顶入地层中，直至该分部结构的所有分块预制件都被顶进；4）一个分部结构的分块预制件全部顶进施工完成后，掘进设备进入接收空间，在接收空间内将掘进设备吊出，完成一个分部结构的顶进施工；5）重复以上步骤，完成各分部结构的顶进施工；步骤五，内部结构的施工及分块预制件临时结构构件的拆除。各分部结构顶进施工完成后，施做内部结构，内部结构施工完成后，按照合理的顺序分段拆除各分块预制件的临时结构构件，并将相邻分块预制件之间由于临时结构构件的拆除产生的间隙进行连接处理，完成受力体系的转换，形成最终整体结构。一般情况下，需待内部结构施做完成后方可拆除临时结构构件，但当内部结构施做需先拆除临时结构构件时，需在满足安全的前提下进行，必要时增设临时支撑。在步骤二中，所述的相邻分部结构的分块预制件之间对应设置有导轨和导轨槽，在预制构件顶进施工的过程中，后顶进分部结构分块预制件的导轨插入先顶进相邻分部结构分块预制件的导轨槽中，在顶进施工的过程中起到导向作用。在步骤四中，当各分块预制件的断面尺寸相同时，则采用与断面尺寸相匹配的一种施工设备进行施工；在步骤四中，当存在至少两种分块预制件断面时，则采用与之相匹配的至少两种施工设备进行施工。在步骤四中，宜采用先施工中部分部结构再施工两侧的分部结构、先施工下层的分部结构再施工上层分部结构的施工顺序；当采用多台设备同时作业时，应充分考虑同时施工的相互影响，采取必要的施工措施，确保施工安全。本发明将整体结构划分为若干分部结构，采用掘进设备进行各分部结构的开挖，同时顶进分部结构的分块预制件，各分部结构施工完成后，形成整体结构的外周结构，再施做内部结构，最后按照合理的顺序分段拆除分块预制件的临时结构构件，完成结构的受力体系转换，形成最终整体结构。本发明的有益效果为：（1）本发明可以实现在道路和建（构）筑物下方安全、高效、环保和经济地建造大型矩形或类矩形断面地下空间工程。（2）相对于传统明挖法和盖挖法，本发明可以避免对地表环境的大面积破坏，在道路及密集城区施工时，避免封堵道路、交通导改、管线迁移和大范围拆迁，具有良好的经济、环境和社会效益。（3）相对于矿山法，本发明解决了其施工效率低及安全风险高，采用机械化作业，更高效、更安全地完成地下空间工程施工。（4）相对于一般顶管法和盾构法，本发明可以灵活地通过多次分部施工，完成更大断面的地下空间工程。（5）本发明为大型地下空间工程的施工提供了新的思路和解决方案，将推动地下工程，尤其是城市地下工程开发建设的进一步发展。附图说明图1为实施例2的整体结构断面图；图2为实施例2的整体结构划分示意图；图3为实施例2的分部结构的分块预制件结构示意图，图（a）为分部结构Ⅰ对应的分块预制件A，图（b）为分部结构Ⅱ对应的分块预制件B，图（c）为分部结构Ⅲ对应的分块预制件C，图（d）为分部结构Ⅳ对应的分块预制件D；图4为实施例2的相邻分块预制件连接方式示意图；图5为实施例2的顶进步序示意图，图（a）下层分部结构顶进施工，图（b）为上层分部结构顶进施工，图（c）为施工完成状态；图6为实施例2的施工顺序示意图，图（a）为分部结构Ⅳ施工，图（b）为分部结构Ⅲ施工，图（c）为分部结构Ⅱ施工，图（d）为分部结构Ⅰ施工，图（e）为内部结构施工，图（f）为临时结构构件拆除。图7为实施例3的整体结构断面图；图8为实施例3的整体结构划分示意图；图9为实施例3的分部结构的分块预制件结构示意图，图（a）为分部结构Ⅰ对应的分块预制件E，图（b）为分部结构Ⅱ对应的分块预制件F，图（c）为分部结构Ⅲ对应的分块预制件G，图（d）为分部结构Ⅳ对应的分块预制件H，图（e）为分部结构Ⅴ对应的分块预制件I，图（f）为分部结构Ⅵ对应的分块预制件J；图10为实施例3的施工顺序示意图，图（a）为分部结构施工顶进顺序，图（b）为内部结构施工，图（c）为临时结构构件拆除；图11为实施例4的整体结构断面图；图12为实施例4的整体结构划分示意图；图13为实施例4的分部结构的分块预制件结构示意图，图（a）为分部结构Ⅰ对应的分块预制件K，图（b）为分部结构Ⅱ和分部结构Ⅲ对应的分块预制件L，图（c）为分部结构Ⅳ对应的分块预制件M；图14为实施例4的施工顺序示意图，图（a）为分部结构Ⅱ施工，图（b）为分部结构Ⅲ和分部结构施工Ⅰ同时施工，图（c）为分部结构Ⅳ施工，图（d）为内部结构施工，图（e）为临时结构构件拆除。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例1：一种矩形或类矩形断面地下工程机械分部暗挖建造方法，包含以下步骤：步骤一，对矩形或类矩形断面的地下工程的整体结构进行结构划分。迎土面结构划分为外周结构，其余结构划分为内部结构；将外周结构用垂直于矩形或类矩形断面的剖切面划分为若干分部结构；分部结构划分时，为了内部结构后期施工的便捷性，对外周结构进行划分时，剖切面宜避开外周结构和内部结构的节点部位。步骤二，对各分部结构在垂直于断面平面的纵向上进行分块预制，每个分部结构均得到若干分块预制件；所述分块预制件由永久结构构件和临时结构构件组成，永久结构构件为分部结构分块，并与临时结构构件可拆卸式连接；相邻分块预制件之间对应设置有导轨和导轨槽，导轨插入导轨槽之中实现相邻分块预制件的密贴和顶进过程中的导向定位。临时结构构件是为满足施工期间结构承载及防水等需求而临时增加的构件，在后期结构施工中将被拆除，各分块预制件根据实际情况增设临时结构构件。分部结构在纵向上分为若干分块预制件，每个分块预制件的长度根据实际情况确定。步骤三，施做掘进设备施工始发空间和接收空间；始发空间和接收空间可以采用明挖法、盖挖法以及暗挖方法施工，视具体环境条件确定。所述始发空间和接收空间是在整体结构的两端，始发空间应满足掘进设备吊入组装、预制件吊入、推进施工和渣土运出的需求，接收空间应满足掘进设备吊出以及物料进出的需求，在一些情况下，如果需要在接收空间内进行掘进设备始发，则接收空间也应满足设备施工要求。所述掘进设备的设计需要结合具体的地质条件和工程环境，掘进设备施工时应密切注意姿态控制，以防偏斜造成相邻管节结构损坏。步骤四，对各分部结构的分块预制件进行顶进施工。具体步骤如下：1）根据要顶进的分部结构的位置，进行始发台定位安装。始发台的位置依据要顶进的分部结构设计轴线、洞门位置及相应掘进设备尺寸确定；2）将与分块预制件断面相应的开挖掘进设备吊入始发空间内组装，并进行反力系统和顶进系统安装；3）掘进设备在始发台上按设计轴线进入地层进行分部开挖，每开挖完一个分块预制件的纵向长度，就将一个相应的分块预制件吊入始发空间的导轨上，通过顶进系统将分块预制件顶入地层中，直至该分部结构的所有分块预制件都被顶进；4）一个分部结构的分块预制件全部顶进施工完成后，掘进设备进入接收空间，在接收空间内将掘进设备吊出，完成一个分部结构的顶进施工；5）重复以上步骤，完成各分部结构的顶进施工；步骤五，内部结构的施工及分块预制件临时结构构件的拆除。各分部结构顶进施工完成后，施做内部结构，内部结构施工完成后，按照合理的顺序分段拆除各分块预制件的临时结构构件，并将相邻分块预制件之间由于临时结构构件的拆除产生的间隙进行连接处理，完成受力体系的转换，形成最终整体结构。一般情况下，需待内部结构施做完成后方可拆除临时结构构件，但当内部结构施做需先拆除临时结构构件时，需在满足安全的前提下进行，必要时增设临时支撑。下面以两柱三跨矩形断面地下空间工程为例，具体说明本发明。实施例2：如图1所示，两柱三跨矩形断面地下空间工程，其整体结构由外周结构1和内部结构2组成，外周结构包括顶板1-1、底板1-2和侧墙1-3，内部结构包括梁2-1、柱2-2和板2-3。步骤一，如图2所示，对两柱三跨矩形断面地下空间工程的外周结构进行划分，划分为4个相同断面尺寸的分部结构：分部结构Ⅰ3-1、分部结构Ⅱ3-2、分部结构Ⅲ3-3、分部结构Ⅳ3-4，分部结构划分时，为了内部结构后期施工的便捷性，对外周结构进行划分时，剖切面宜避开外周结构（顶板1-1、底板1-2和侧墙1-3）和内部结构2（梁2-1、柱2-2和板2-3）的节点部位。步骤二，对各分部结构3进行分块预制，每个分部结构均得到若干分块预制件。如图3所示，分部结构分块预制件包括永久结构构件6和临时结构构件7；永久结构构件6与临时结构构件7采用螺栓相连接。本实施例中永久结构构件为预制钢筋混凝土构件，临时结构构件7为钢构件，所有分块预制件的纵向长度均相同。如图3所示，根据分块预制件对应的分部结构不同，分块预制件分为四种：分块预制件A（图3（a）所示，对应分部结构Ⅰ3-1）、分块预制件B（图3（b）所示，对应分部结构Ⅱ3-2）、分块预制件C（图3（c）所示，对应分部结构Ⅲ3-3）、分块预制件D（图3（d）所示，对应分部结构Ⅳ3-4）。如图3和图4所示，相邻分部结构的分块预制件上对应设置有导轨4和导轨槽5，导轨4插入导轨槽5将相邻分块预制件相连接，起到顶进导向的作用，以保证相邻预制构件的密贴和精确导向定位。步骤三，如图5所示，本实施例采用明挖法构筑施工的始发空间9和接收空间10，由于本实施例的分部断面为等尺寸矩形断面，因此可采用一套矩形掘进设备11进行施工。步骤四，如图5及图6所示，对各分部结构的分块预制件8进行顶进施工，详细步骤如下：1）依照“先下层后上层”的原则先进行下部分部结构Ⅰ3-4的施工，根据分部结构Ⅰ3-4的位置，进行始发台14定位安装。始发台14的位置依据要顶进的分部结构设计轴线、洞门位置及掘进设备11尺寸确定；2），将掘进设备11吊入始发空间9内组装，并进行反力系统13和顶进系统12安装；3），掘进设备11在始发台14上按设计轴线进入地层进行分部结构3-4的开挖，每开挖完一个分块预制件D的纵向长度，就将一个分块预制件D吊入始发空间的导轨上，通过顶进系统将分块预制件D顶入地层中，直至分部结构3-4的所有分块预制件D都被顶进；4），分块预制件D顶进施工完成后，掘进设备进入接收空间10，在接收空间10内将掘进设备11吊出，完成分部结构3-4的分部结构施工；5），重复以上步骤，依次完成分部结构Ⅲ3-3、分部结构Ⅱ3-2、分部结构Ⅰ3-1的分部结构施工。步骤五，如图6e、6f所示，内部结构2的施工及分块预制件8的临时结构构件7的拆除。各分部结构施工完成后，施做内部结构包括梁2-1、柱2-2和板2-3，再按照合理的顺序分段拆除临时结构构件7，并将相邻分块预制件8之间由于临时结构构件7的拆除产生的间隙进行连接处理，完成结构的受力体系转换，形成最终整体结构。下面以单柱双跨矩形断面地下空间工程为例，进一步具体说明本发明。实施例3：如图7所示，单柱双跨矩形断面地下空间工程，场地地层条件为粉土、粘土等软土地层，其断面尺寸20.7m（宽）×高13.3m，整体结构的纵向长度为200m；整体结构由外周结构15和内部结构16组成，外周结构15与周围土体接触，包括顶板15-1、底板15-2和侧墙15-3；内部结构包括纵梁16-1、柱16-2和中板16-3。步骤一，如图8所示，对单柱双跨矩形断面地下空间工程的外周结构15进行划分，剖切面避开外周结构15（顶板15-1、底板15-2和侧墙15-3）和内部结构16（纵梁16-1、柱16-2和板16-3）的节点部位，在宽度方向上3等分，在高度方向上2等分，共划分为6个分部结构：分部结构Ⅰ17-1、分部结构Ⅱ17-2、分部结构Ⅲ17-3、分部结构Ⅳ17-4、分部结构Ⅴ17-5、分部结构Ⅵ17-6。步骤二，对各分部结构17进行分块预制。如图9所示，将各分部结构17在纵向上按1.6m等长分割，各分部结构都划分为125个分块。将这些分块制作成由永久结构构件6和临时结构构件7组成的分块预制件。永久结构构件6与临时结构构件7采用螺栓相连接。本实施例中永久结构构件为预制钢筋混凝土构件，临时结构构件7为钢构件。如图9所示，根据分块预制件对应的分部结构不同，分块预制件分为六种：分块预制件E（图9（a）所示，对应分部结构Ⅰ17-1）、分块预制件F（图9（b）所示，对应分部结构Ⅱ17-2）、分块预制件G（图9（c）所示，对应分部结构Ⅲ17-3）、分块预制件H（图9（d）所示，对应分部结构Ⅳ17-4）、分块预制件I（图9（e）所示，对应分部结构Ⅴ17-5）、分块预制件J（图9（f）所示，对应分部结构Ⅵ17-6）。分块预制件在纵向上采用企口方式相接，满足分块预制件结构在施工和建筑结构使用过程中防水要求。如图9所示，相邻分部结构的分块预制件上对应设置有导轨4和导轨槽5，导轨4插入导轨槽5将相邻分块预制件相连接，导轨与导轨槽相配合的结构，起到顶进导向的作用，以保证相邻预制构件的密贴和精确导向定位。步骤三，如图5所示，本实施例采用明挖法构筑施工的始发空间9和接收空间10，由于本实施例的分块预制件为6.9m×6.65m等尺寸矩形断面，根据地层条件可采用6.9m×6.65m矩形土压平衡顶管作为掘进设备11进行施工。步骤四，如图5及图10所示，对各分部结构的分块预制件8进行顶进施工，详细步骤如下：1）依照“先下层后上层、先中间后两侧”的原则先进行下部分部结构Ⅴ17-5的施工，根据分部结构Ⅴ17-5的位置，进行始发台14定位安装。2），将矩形土压平衡顶管掘进设备11吊入始发空间9内组装，并进行反力系统13和顶进系统12安装；3），矩形土压平衡顶管掘进设备11在始发台14上按设计轴线进入地层进行分部结构Ⅴ17-5的开挖，采用的分块预制件8为分块预制件I，每开挖完一个分块预制件I的纵向长度，就将一个分块预制件I吊入始发空间的导轨上，通过顶进系统将分块预制件I顶入地层中，直至分部结构Ⅴ17-5的所有分块预制件I都被顶进；4），分块预制件I顶进施工完成后，矩形土压平衡顶管掘进设备11进入接收空间10，在接收空间10内将矩形土压平衡顶管掘进设备11吊出，完成分部结构Ⅴ17-5的分部结构施工；5），重复以上步骤，依次完成下层分部结构Ⅵ17-6、分部结构Ⅳ17-4和上层分部结构Ⅱ17-2、分部结构Ⅲ17-3、分部结构Ⅰ17-1的分部结构施工。步骤五，如图10（b）、10（c）所示，内部结构16的施工及分块预制件8的临时结构构件7的拆除。各分部结构施工完成后，施做内部结构16（包括纵梁16-1、柱16-2和中板16-3），再按照合理的顺序分段拆除临时结构构件7，并将相邻分块预制件8之间由于临时结构构件7的拆除产生的间隙进行连接处理，完成结构的受力体系转换，形成最终整体结构。下面以两柱三跨单层地下空间工程为例，进一步具体说明本发明。实施例4：如图11所示，两柱三跨矩形断面单层地下空间工程，其断面尺寸19.8m（宽）×高6.0m，整体结构的纵向长度为150m；整体结构由外周结构18和内部结构19组成，外周结构18与周围土体接触，包括顶板18-1、底板18-2和侧墙18-3；内部结构19包括纵梁19-1和柱19-2。步骤一，如图12所示，对两柱三跨矩形断面地下空间工程的外周结构18进行划分，剖切面避开外周结构18（顶板18-1、底板18-2和侧墙18-3）和内部结构19（纵梁19-1和柱19-2）的节点部位，在地下空间工程矩形断面的宽度方向上将外周结构划分为4个分部结构：分部结构Ⅰ20-1、分部结构Ⅱ20-2、分部结构Ⅲ20-3、分部结构Ⅳ20-4。步骤二，如图13所示，对各分部结构20进行分块预制。将各分部结构20在纵向上按1.5m等长分割，各分部结构20都划分为100个分块。将这些分块制作成由永久结构构件6和临时结构构件7组成的分块预制件8。永久结构构件6与临时结构构件7采用螺栓相连接。本实施例中永久结构构件为预制钢筋混凝土构件，临时结构构件7为钢构件。如图13所示，根据分部结构的断面尺寸不同，分块预制件8分为三种：分块预制件K（图13（a）所示，对应分部结构Ⅰ20-1）、分块预制件L（图13（b）所示，对应分部结构Ⅱ20-2和分部结构Ⅲ20-3）、分块预制件M（图13（c）所示，对应分部结构Ⅳ20-4）。分块预制件8在纵向上采用企口方式相接，满足分块预制件8结构在施工和建筑结构使用过程中防水要求。如图13所示，相邻分部结构的分块预制件8上对应设置有导轨4和导轨槽5，导轨4插入导轨槽5将相邻分块预制件相连接，导轨与导轨槽相配合的结构，起到顶进导向的作用，以保证相邻预制构件的密贴和精确导向定位。步骤三，如图5所示，本实施例采用明挖法构筑施工的始发空间9和接收空间10，由于本实施例的分块预制件为6.6m（宽）×6.0m（高）和3.3m（宽）×6.0m（高）两种尺寸矩形断面，根据地层条件可采用6.6m×6.0m和3.3m（宽）×6.0m（高）两种相应的矩形土压平衡顶管作为掘进设备11进行施工。步骤四，如图5及图14（a）～14（c）所示，对各分部结构的分块预制件8进行顶进施工，详细步骤如下：1）依照“先中间后两侧”的原则先进行中部结构Ⅱ20-2的施工，根据分部结构Ⅱ20-2的位置，进行始发台14定位安装。2），将矩形土压平衡顶管掘进设备11吊入始发空间9内组装，并进行反力系统13和顶进系统12安装；3），矩形土压平衡顶管掘进设备11在始发台14上按设计轴线进入地层进行分部结构Ⅱ20-2的开挖，采用的分块预制件8为分块预制件L，每开挖完一个分块预制件L的纵向长度，就将一个分块预制件L吊入始发空间的导轨上，通过顶进系统将分块预制件L顶入地层中，直至分部结构Ⅱ20-2的所有分块预制件L都被顶进；4），顶进施工完成后，矩形土压平衡顶管掘进设备11进入接收空间10，在接收空间10内将矩形土压平衡顶管掘进设备11吊出，完成分部结构Ⅱ20-2的分部结构施工；5），重复以上步骤，完成分部结构Ⅲ20-3所有分块预制件L的顶进施工，施工完成分部结构Ⅲ20-3；6），在分部结构Ⅲ20-3施工的同时，用3.3m（宽）×6.0m（高）矩形土压平衡顶管掘进设备11按照同样的步骤顶进分部结构Ⅰ20-1的所有分块预制件K，施工完成分部结构Ⅰ20-1；7）在分部结构Ⅰ20-1及分部结构Ⅲ20-3施工完成后，顶进分部结构Ⅳ20-4的所有分块预制件M，完成分部结构Ⅳ20-4的施工。步骤五，如图14（d）、14（e）所示，内部结构16的施工及分块预制件8的临时结构构件7的拆除。各分部结构施工完成后，施做内部结构（纵梁19-1、柱19-2和中板19-3），再按照合理的顺序分段拆除临时结构构件7，并将相邻分块预制件之间由于临时结构构件7的拆除产生的间隙进行连接处理，完成结构的受力体系转换，形成最终整体结构。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。