結構分割轉換工法結構體系安全性分析

程 鵬， 高 毅, 于少輝, 李 洋

(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

地下空間是未來城市建設和發(fā)展的方向，但現(xiàn)有的施工技術和手段尚有一定的局限性。采用明挖的建造方法會對周邊環(huán)境、交通、道路、管線帶來很大影響，人工暗挖的建造方法又存在施工風險高、作業(yè)環(huán)境惡劣等諸多問題。機械化施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力勞動是未來施工方法發(fā)展的趨勢,但目前頂管、盾構等機械化暗挖建造方法僅能適用于長距離的線性隧道結構。

針對傳統(tǒng)地下工程施工方法，國內外學者做了大量的相關研究。文獻[1]系統(tǒng)地研究了地面出入式盾構法隧道新技術掘進的關鍵問題，揭示了地面出入式盾構法穿越不同階段的地表沉降規(guī)律。文獻[2-3]分別對小凈距雙洞隧道盾構法施工過程中不同地層、不同凈距條件下隧道周圍土體的穩(wěn)定性進行研究。文獻[4-5]對盾構法和淺埋暗挖法結合建造塔柱式地鐵車站施工過程進行模型試驗，提出盾構法和淺埋暗挖法相結合建造地鐵車站的新方案。文獻[6]研究了淺覆土大斷面小間距矩形頂管施工對周邊環(huán)境的影響。文獻[7]根據(jù)土拱軸線的受力,推導出土拱軸線支座約束反力與模型幾何參數(shù)之間的關系式，并給出驗算土拱整體穩(wěn)定性的判別式,驗證了頂管間距計算值的合理性。

當前學者研究的大多為頂管法和盾構法，因兩者自身的局限性，對于大型地下空間工程適用性不高。但可以轉換思路，如將大型矩形斷面地下空間工程劃分為若干個小型矩形斷面，利用小型矩形斷面隧道掘進機依次分部施作，最終將其連通、合并成大型斷面結構。日本的口琴工法(ハーモニカ工法)也是基于該思路，利用矩形頂管和型鋼管節(jié)分部開挖形成網(wǎng)格狀作業(yè)空間，然后在該空間里完成現(xiàn)澆鋼筋混凝土主體結構的施工。該工法中型鋼管節(jié)主要作為臨時支護結構，可周轉使用比例較低，浪費巨大，經(jīng)濟性較差。對此，國內學者首次提出了結構分割轉換工法(structural cut and convert method, 簡稱“CC工法”)，對其工法原理、施工方式進行了詳細的闡述，并成功應用于某地下停車場項目的建設。在此工程案例的基礎上，又對其進行了理論擴展和應用推廣，如高毅等[8]提出了“整體背土”概念，通過建立破壞模型對整體背土進行了量化分析。

本文根據(jù)CC工法各階段的結構特點，對其結構體系進行桿系單元模型簡化，分析不同階段結構的自由度并判斷其安全性；在此基礎上，通過對比增量法和全量法2種情況下的結構受力，結合CC工法設計、施工中存在的問題，提出相應的優(yōu)化方案。

1 CC工法概述

采用機械化施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勞動密集的人工施工是地下工程施工的發(fā)展趨勢，但現(xiàn)有的盾構、頂管機械施工技術無法僅通過一次掘進完成地下停車場、地下綜合商業(yè)體等大型地下空間工程。CC工法針對大型地下空間工程的標準斷面，將其分割為易于施工的小型斷面多次掘進施工，完成各條單個隧道后再轉換成大型地下空間。

1.1 工法特點

CC工法可借用某單層3跨結構對工法特點進行闡述。取該結構的標準斷面進行分析，根據(jù)結構的特點可將結構分割，如圖1所示。

圖1結構分割示意圖

Fig. 1 Sketch of structure division

把分割后結構與臨時結構組成特殊管片結構來完成分部結構的施工，如圖2所示。

圖2 分部結構轉換示意圖

各隧道施工完成后，在內部空間施作梁、柱等結構體系，形成最終結構，如圖3所示。

圖3 最終結構轉換示意圖

CC工法通過對結構進行分割，使其能滿足盾構或頂管分部施工的條件，再把各分部結構轉化為最終需要的空間。

1.2 結構受力體系

由于CC工法的特點，結構在中間施工階段與最終使用階段具有完全不同的受力特點。因此，對結構的分析可分為3個階段： 施工階段、過渡階段、使用階段。

施工階段： 此階段的結構為相互之間無聯(lián)系的分部結構，各分部結構為根據(jù)整體結構標準斷面劃分的組合式襯砌結構。與常規(guī)的頂管、盾構結構類似，單個管節(jié)需滿足施工期間的水土壓力和掘進設備對襯砌的施工荷載。根據(jù)整體結構斷面劃分后的分部結構如圖4所示。

圖4 施工階段結構形式

使用階段： 此階段的受力體系與常規(guī)的地下結構相同，為地下框架、框架-剪力墻等常規(guī)結構。主要受力構件為梁、柱、墻等結構構件，結構形式如圖5所示。

圖5 使用階段結構形式

在施工階段與使用階段之間還存在一特殊階段，即過渡階段。此階段的結構由獨立的線性隧道向整體空間轉換，部分部位的構件為懸臂結構或獨立的結構。過渡階段結構形式如圖6所示。由圖6可知，若一次性拆除單個隧道所有型鋼側壁，會使結構的側向約束不足，從而產(chǎn)生側向滑動的可能。為保證結構側向的穩(wěn)定性，施工中需隔段、分部拆除分部結構的臨時型鋼結構，保證此階段的結構穩(wěn)定。

圖6 過渡階段結構形式

在施工階段、使用階段以及兩者之間的過渡階段，受力結構均須具有足夠的強度及穩(wěn)定性。

2 結構的安全性

安全可靠的結構體系需滿足以下3個方面：

1)具備一定的強度和剛度，能承受外荷載和抵御變形的能力；

2)應滿足在偶然荷載作用下保持整體穩(wěn)定性的要求；

3)結構內部應有多余的約束，給結構體系的穩(wěn)定性提供一定的冗余。

2.1 結構的冗余度

重大、復雜受力結構體系設計時應重點分析其冗余度，冗余度的數(shù)量是結構體系抵抗連續(xù)倒塌能力的一種體現(xiàn)及衡量標準。關于冗余度(多余約束)、計算自由度、自由度三者的關系可用下式表示：

S-W=n。

(1)

式中:S為自由度；W為計算自由度；n為冗余度。

冗余度(多余約束)為自由度與計算自由度的差，超靜定結構中的多余約束可以保證結構有一定的安全儲備。若一個結構具有充足的冗余度，那么其在初始局部破壞的情況下就可以改變原有的受力路徑，“跨越”初始破壞，使初始局部破壞不向外擴展，并且最終達到新的平衡與穩(wěn)定狀態(tài)，避免產(chǎn)生連續(xù)性倒塌和破壞。簡而言之，如果結構的局部構件遭到外部偶然荷載的作用而突然破壞，理想的結構應該能夠繼續(xù)承擔荷載，而不至于連續(xù)倒塌。

總體來講，結構的冗余度有2層作用： 1)提高結構在荷載或作用下的可靠性； 2)降低結構對偶然荷載的敏感性。因此，CC工法在各個階段除了滿足構件承載力和穩(wěn)定性的要求外，結構體系還需具有一定的冗余度來保證結構體系的安全。

2.2 結構的防連續(xù)倒塌

連續(xù)倒塌指的是指結構內部分構件或局部發(fā)生破壞后，其周圍構件因約束不足而相繼發(fā)生破壞甚至導致整個結構完全倒塌的現(xiàn)象。連續(xù)倒塌破壞具有連續(xù)性與不成比例性2個特點，即后續(xù)破壞緊隨最初的破壞(連續(xù)性)，并且最終產(chǎn)生破壞的范圍遠大于初始破壞(不成比例性)。例如： 由于車輛撞擊、地震等突發(fā)因素使得結構體系的局部構件產(chǎn)生破壞，進而導致結構大范圍的破壞甚至結構的整體倒塌。建構筑物連續(xù)倒塌引起的后果可能會是災難性的，不僅會有重大的財產(chǎn)損失，而且可能會造成大量的人員傷亡。

3 CC工法各階段結構體系分析

根據(jù)CC工法各階段的特點，分階段分析結構體系的安全性。

3.1 施工階段的安全性分析

3.1.1 受力分析

此階段結構可按常規(guī)的管節(jié)來考慮，襯砌結構的剛度和強度需考慮土壓力、水壓力、襯砌自重、地面超載、底層抗力、千斤頂推力以及施工荷載。施工階段受力模型如圖7所示。

圖7 施工階段結構受力模型

本工程的襯砌結構與常規(guī)的襯砌結構有所不同，為混凝土與臨時結構組成的組合式襯砌。臨時結構與混凝土結構的結點對整個管節(jié)穩(wěn)定性影響很大，不同構造結點對結構體系的穩(wěn)定性影響很大。

3.1.2 冗余度分析

將圖3所示的構件簡化為桿系單元，鋼結構與混凝土結構的結點可考慮為剛結點或鉸結點。不同結點如圖8所示，通過對結構進行自由度分析可知： 圖8(a)為2個多余約束的幾何不變體系，圖8(b)為1個多余約束的幾何不變體系，圖8(c)為沒有多余約束的幾何不變體系，圖8(d)為幾何可變體系。

(a) (b) (c) (d)

圖8施工階段的結構桿系單元模型簡圖

Fig. 8 Sketches of structural linkage unit model in construction stage

圖8(d)的體系為可變體系，實際工程中不宜采用； 圖8(a)的結構穩(wěn)定性好，但鋼構件與混凝土構件的結點連接復雜，實際施工中安、拆均不便?？紤]到各襯砌環(huán)是在土體約束中施工，圖8(b)—(c)的結構體系整體穩(wěn)定性與受力均較好，可在實際設計時采用。

3.2 使用階段的安全性分析

3.2.1 受力分析

在使用階段，結構已完成分部結構向整體結構的轉換，此時頂板、底板、側墻為承受周圍土壓力、水壓力、地面超載等荷載的構件； 內部的梁、柱、墻為主要的支撐構件，是結構的主要受力構件，結構的穩(wěn)定性主要由內部梁、柱結構體系承擔。此階段的受力與常規(guī)的地下工程項目類似，與常規(guī)明挖工法施工的地下工程項目相同。

3.2.2 冗余度分析

可針對某一單獨的3跨結構進行體系穩(wěn)定性分析，取其中的標準斷面，把各構件簡化為桿系單元，內部的梁、柱與頂板、底板的結點可分別設置成鉸結或剛結。模型簡圖如圖9所示。

(a) (b) (c)

圖9使用階段的結構桿系單元模型簡圖

Fig. 9 Sketches of structural linkage unit model in service stage

通過對結構進行自由度分析，3種結構體系均為幾何不變體系，具備較好的整體穩(wěn)定性。

3.2.3 防連續(xù)倒塌措施

結構在使用階段為地下框架結構，除了滿足該結構作為建筑物的使用功能外，還需具備一定的冗余度，具有防連續(xù)倒塌的構造措施如下。

1)前后管節(jié)之間設置縱向連接螺栓(見圖10)，增加結構的整體剛度，增加局部單元的安全系數(shù)；

2)增設次梁，增強內部梁、柱體系的整體穩(wěn)定性，防止主梁局部失穩(wěn)后導致結構垮塌。

3)在始發(fā)、接收面設置大型洞門環(huán)框梁，增加邊榀框架結構的整體穩(wěn)定性。

(a) 縱向螺栓現(xiàn)場圖

(b) 端部環(huán)梁構造圖

Fig. 10 Reserved longitudinal connection bolts and end restraint ring beams

3.3 過渡階段的安全性分析

過渡階段為特殊階段，此時作為主要受力的內部梁、柱構件已經(jīng)形成，但是承擔結構外的水、土壓力荷載的構件并未形成整體。此階段的結構形式見圖6，此時結構具有以下特點：

1)外部的結構不連續(xù)，為懸臂構件；

2)外部結構的受力改變，由臨時結構承擔結構外的水土壓力變?yōu)閮炔康牧?、柱作為主受力構件?/p>

3.3.1 受力分析

過渡階段各部分結構是相互獨立的，可針對各個分部結構分別進行分析。兩邊的C型結構其實是一個懸臂構件，中間的結構為頂?shù)壮惺芎奢d、內部由梁柱支撐的框架結構。其受力模型如圖11所示。

(a) 兩邊部分

(b) 中間部分

3.3.2 冗余度分析

對于單個結構來說，其均為幾何靜定結構，但是兩側結構在側向土壓力的作用下會有滑移的趨勢。在過渡階段，結構會存在較長的懸臂構件，為避免施工過程中存在結構體系內約束過少的不利狀態(tài)，可施作臨時支撐增加體系內的約束，保證過渡階段結構體系的安全。過渡階段的結構受力模型如圖12所示。

圖12 過渡階段的結構受力簡圖

3.3.3 防連續(xù)倒塌措施

在過渡階段，型鋼梁柱施工完畢，縱梁混凝土強度達到90%后，可拆除單邊鋼側壁；待后澆帶結點施工完畢，混凝土強度達到90%后，可拆除另一邊的鋼側壁。鋼側壁拆除示意圖如圖13所示。

(a) 現(xiàn)場施工圖

(b) 鋼側壁拆除示意圖

CC工法對整體結構進行分割、轉化，分析時可根據(jù)工法特點對各個階段單獨分析。通過分析，認為各階段的結構體系均可采用一定的措施及構造來滿足當前階段結構體系的安全性。

3.4 各階段結構的關聯(lián)性

結構在各個階段的受力情況不能割裂。前階段的受力對后階段有一定的影響，不考慮前后階段結構的受力特點，直接按最終的結構形式進行受力分析會給工程帶來很大的安全隱患[9]。CC工法在分析結構受力時應根據(jù)施工階段，在設計過程中充分考慮上一步開挖對下一步施工的影響。

針對3跨結構，分別采用增量法與全量法對結構進行分析，采用增量法可以真實地反映出各施工階段對結構受力的影響。增量法與全量法的結構彎矩對比如圖14所示。經(jīng)比較，增量法計算整體結構的跨中彎矩比全量法增加約50%，端部彎矩比全量法減少20%。

(a) 全量法

(b) 增量法

Fig. 14 Comparison of bending moment between incremental calculation method and total calculation method (unit: kN·m)

在實際工程中，也可單獨計算各個階段的結構，取其計算結果的包絡圖，適當放大角部鋼筋； 或者對2種計算結果進行比較，確定合理的結構尺寸及配筋方案。

4 實際工程優(yōu)化方案分析

某地下停車場項目是對CC工法的第一次成功運用。整個建設過程僅占用2個工作井，在8個月時間內完成了其他常規(guī)暗挖工法難以實現(xiàn)的大型地下空間結構。地下停車場標準結構斷面見圖15。

圖15 地下停車場標準斷面圖

4.1 組合管節(jié)的優(yōu)化

在工程中，前期的很多設計也得到了印證。實際采用的特殊襯砌結構為： 頂、底板為混凝土結構，側壁為可循環(huán)使用的鋼結構，各結點為剛結點。管片的結構形式見圖16。

(a) 管節(jié)實體圖

(b) 管節(jié)設計示意圖

圖16組合管節(jié)示意圖(單位： mm)

Fig. 16 Composite pipe joint (unit: mm)

實際工程中，臨時鋼結構與混凝土結構構件的結點為剛結點，連接部位采用了大量螺栓與錨固板，給鋼側壁的拆裝帶來很繁瑣的工作量。此部位可優(yōu)化1～2個結點為鉸結點，簡化結點連接方式，這樣既保證管節(jié)結構有一定冗余度，又能簡化臨時鋼構件的安拆工序。剛結點與鉸結點對比如圖17所示。

4.2 整體結構的優(yōu)化

最終結構需要把分散的頂、底板連成整體，現(xiàn)場因施工誤差，相鄰頂、底板預留的鋼筋按原設計方案連接起來施工極其不便。在以后的設計中結點可按鉸結點考慮，減少結點鋼筋處理的工作量。結構體系模型如圖18所示。

經(jīng)分析，該結構共12個剛片(m)、12個單鉸點(h)、5個鏈桿(r)，對該結構進行自由度分析:

W=3m-(2h+r)=3×12-2×12-6=-6。

計算結果說明此結構體系的內部約束不夠，為非靜定結構體系。地下工程結構與地面結構不同，計算時需考慮地層抗力對結構的影響。參考盾構隧道襯砌的多鉸環(huán)計算法，對于一環(huán)管片，各分塊襯砌之間考慮鉸接，實際結構體系也為非靜定體系。

(a) 剛結點

(b)鉸結點

(a) 車庫斷面

(b) 車庫體系模型

通常在地層彈簧模型計算法中，將由地層位移確定的地層反力作為管片環(huán)與地層之間的相互作用，并建立地層彈簧模型來評價地層抗力[10-11]。當管片環(huán)產(chǎn)生偏向地層的位移時，地層就表現(xiàn)出受壓與受拉的力學特征。在歐美等國，一般采用全周地層彈簧模型，即模型同時考慮地層受壓區(qū)域與受拉區(qū)域的反力； 在日本，通常只考慮地層受壓區(qū)域的反力，即采用部分地層彈簧模型[12-13]。2種模型對比見圖19。

(a) 全周地層彈簧模型

(b) 部分地層彈簧模型

在全周彈簧的約束下，管片表現(xiàn)出超靜定結構體系的力學特征。對于CC工法結構，因相鄰管節(jié)頂、底板在實際操作過程中有很大的不便，可參照圓形管片，考慮在結構周邊設置土壓彈簧來反映地層與結構之間的作用。其力學模型如圖20所示。

圖20 全周地層彈簧整體結構模型

考慮地層抗力結構的穩(wěn)定性受周邊地層擾動的影響很大，在地層發(fā)生微小位移后可能會對結構造成較大破壞。針對這種情況，相鄰管節(jié)的結點位置可設置成半鉸接的結構形式，相比剛結點可減少現(xiàn)場大量施工工序。在實際工程中也做了一些鉸結點的試驗，并對其力學性能進行了試驗，圖21所示的方案為結點兩側的鋼筋不連通，鋼筋全部錨固在后澆的節(jié)點區(qū)域內，按半固結點考慮。

(a) 施工過程 (b) 綁扎鋼筋完成

圖21半固結結點施工圖

Fig. 21 Semi-fixed joint construction

實際工程中，通過監(jiān)測半固結與固結2種方案的結構應變可知，兩者受力狀況幾乎一樣； 同時，通過對比理論計算的固結點應力，得出采用半固結的方案是合理可靠的。采用剛節(jié)點的工程應力云圖如圖22所示。

圖22 采用剛節(jié)點的工程應力云圖(單位： kN/m2)

Fig. 22 Engineering stress nephogram with rigid joint (unit: kN/m2)

半固結的方案在相同的勞動量條件下，大約可減少50%工時，在以后的工程中可考慮采用半固結的結點方案。

5 結論與討論

1) CC工法體系安全、可靠，可以解決當前頂管、盾構等工法無法施工大型地下空間的弊端。

2) 用增量法計算可真實地反映出各施工階段對結構受力的影響。但由于CC工法的特殊性，增量法的計算結果應與整體結構的計算結果進行比較，適當放大較小部位的計算結果。

3) 相鄰管節(jié)頂板位置的結點可設置成半鉸接的結構形式，既能減少現(xiàn)場大量施工工序，又能保證結構體系的安全。

4) CC工法在各個階段除了滿足構件承載力、穩(wěn)定性的要求外，結構體系還需具有一定的冗余度，以保證結構體系的安全。

本文詳細分析了各階段結構體系的安全性，但地下工程中土體與管節(jié)之間的作用非常復雜，本文并未深入分析土體與結構之間的詳細作用機制。后續(xù)可繼續(xù)深入研究土體與結構之間的作用，以及不同地層彈簧剛度對整體結構穩(wěn)定性的影響。