蘇明浩, 高 毅, 程 鵬
(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450016)
隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),城市擁堵問題愈演愈烈。地下空間作為一種國(guó)土資源亟待開發(fā)利用[1-3],但在城市成熟區(qū)域如何實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、安全高效的地下工程施工,一直是困擾工程建設(shè)領(lǐng)域的一個(gè)難題。在邊界條件越來越嚴(yán)苛的社會(huì)背景下,地下暗挖技術(shù)備受關(guān)注。近年,以淺埋暗挖技術(shù)[4-5]、盾構(gòu)技術(shù)[6]、頂管技術(shù)[7-9]以及日本的HEP & JES工法[10-11]、Harmonica工法[12-13]等為代表的暗挖施工技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,但這些工法仍都存在一定的局限性。淺埋暗挖法工效低,施工風(fēng)險(xiǎn)高;盾構(gòu)頂管技術(shù)僅僅在單體隧道方面能發(fā)揮優(yōu)勢(shì);日本的HEP & JES工法和Harmonica工法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性方面的短板十分突出。地下暗挖技術(shù)取得了許多成果和進(jìn)步,但在解決大型和多層多跨的地下工程暗挖施工方面仍缺乏有力手段。
針對(duì)這一工程難題,在對(duì)現(xiàn)有暗挖技術(shù)充分總結(jié)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,高毅等[14]和李建斌等[15]提出了結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法(structural cut and convert method, 簡(jiǎn)稱“ CC工法”),對(duì)該工法進(jìn)行了較為全面的理論研究,并成功運(yùn)用于鄭州中鐵裝備地下停車場(chǎng)工程。CC工法是一種通過機(jī)械化施工小斷面單元結(jié)構(gòu),然后拆除臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu),施作內(nèi)部梁柱結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)多層多跨的大型地下空間結(jié)構(gòu)的新型暗挖施工方法。CC工法具有采用小型標(biāo)準(zhǔn)斷面,機(jī)械化施工完成大斷面地下空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),在城市地下建筑暗挖施工領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì),其結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換原理具有較突出的創(chuàng)新性和研究?jī)r(jià)值。
為研究該工法在不同分割方式下存在的問題,以及對(duì)設(shè)計(jì)、施工環(huán)節(jié)的影響,本文基于CC工法的原理,在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)不同分割方式在結(jié)構(gòu)及后續(xù)施工中的若干問題進(jìn)行更加深入的分析和研究,旨在進(jìn)一步豐富CC工法在結(jié)構(gòu)分割方面的研究,完善結(jié)構(gòu)分割的理論,提高CC工法的綜合效益,為地下空間開發(fā)提供新的思路、新的解決方案,同時(shí)為CC工法的后續(xù)研究提供一些參考和依據(jù)。
地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)相比,在荷載環(huán)境、受力特點(diǎn)方面存在著顯著差異。如圖1和圖2所示,地上結(jié)構(gòu)的荷載無論是橫向荷載(如風(fēng)荷載、地震荷載),還是豎向荷載(如恒荷載、活荷載)都是通過板傳遞給梁,梁再將荷載傳遞給柱子最終通過基礎(chǔ)傳入地基,具有由上向下的傳遞路徑;而地下結(jié)構(gòu)則不同,地下結(jié)構(gòu)四周被土體包圍,全部受土體圍壓作用,結(jié)構(gòu)主要是抵抗四周土體荷載以保障內(nèi)部建筑空間。CC工法就是基于地下結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)而產(chǎn)生的,其核心原理是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理分割,再通過受力轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)分部施工形成開敞大空間或多層多跨的建筑需求,其核心思想可以總結(jié)為“化整為零”再“由零到整”。由于小斷面的標(biāo)準(zhǔn)化,可以充分利用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)械,進(jìn)行暗挖施工,相較傳統(tǒng)工法,可避免對(duì)地上交通的影響,減少管線改遷,降低大氣污染,提高機(jī)械化裝配化率,真正做到綠色環(huán)保和安全高效。
CC工法在具體實(shí)踐時(shí),首先要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分割。結(jié)構(gòu)的分割應(yīng)滿足建筑空間需求這一基本前提,還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力可靠和施工便捷的要求,并盡可能地使工程造價(jià)趨于合理。在此分割原則下,主要有2種分割形式最受設(shè)計(jì)人員關(guān)注: 一是跨中設(shè)縫(見圖3),二是柱頂設(shè)縫設(shè)縫(見圖4)。跨中設(shè)縫是將結(jié)構(gòu)的梁柱安裝在分部頂進(jìn)的臨時(shí)管節(jié)的跨中,這樣將來相鄰結(jié)構(gòu)單元連接的節(jié)點(diǎn)位于最終結(jié)構(gòu)的跨中,故稱跨中設(shè)縫。柱頂設(shè)縫是指在結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)化時(shí),將梁柱設(shè)置在臨時(shí)管節(jié)的一側(cè),最終相鄰結(jié)構(gòu)單位的接縫位于梁柱的頂部,故稱為柱頂接縫。分割方式不同會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)整體力學(xué)特點(diǎn)和施工組織設(shè)計(jì),本文將對(duì)CC工法中上述2種重要分割方式的結(jié)構(gòu)受力、施工特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性等主要方面進(jìn)行比較和討論。
圖1地上結(jié)構(gòu)荷載特點(diǎn)
Fig. 1 Characteristics of ground structure
圖2 地下結(jié)構(gòu)荷載特點(diǎn)Fig. 2 Characteristics of underground structure
圖3 跨中設(shè)縫Fig. 3 Joint in mid-span
圖4 柱頂設(shè)縫Fig. 4 Joint on column top
跨中設(shè)縫和柱頂設(shè)縫2種分割形式的不同,造成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換時(shí)節(jié)點(diǎn)的位置、節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)和梁柱的布置不同。這些不同造成了結(jié)構(gòu)受力體系、力的傳遞路徑以及結(jié)構(gòu)計(jì)算中構(gòu)件應(yīng)力等結(jié)構(gòu)受力特性的不同。
在CC工法中,根據(jù)位置的不同將節(jié)點(diǎn)分為3類,如圖5所示(圖中數(shù)字表示隧道頂進(jìn)順序,下同)。A類節(jié)點(diǎn)為臨時(shí)結(jié)構(gòu)與外周結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),如預(yù)制管節(jié)與臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn);B類節(jié)點(diǎn)為外周結(jié)構(gòu)之間的節(jié)點(diǎn),如相鄰管節(jié)間預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn);C類節(jié)點(diǎn)為內(nèi)部永久結(jié)構(gòu)與外周結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn),如管節(jié)的預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件與后施作的永久梁構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)。上述3類節(jié)點(diǎn)因?yàn)槲恢玫牟煌涮幚矸绞揭膊煌?,不同的處理方式將直接影響?jié)點(diǎn)的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算。
圖5 節(jié)點(diǎn)分類Fig. 5 Types of nodes
一般而言,A類節(jié)點(diǎn)往往采用螺栓連接。因?yàn)閱卧Y(jié)構(gòu)的臨時(shí)構(gòu)件使用鋼構(gòu)件具有可周轉(zhuǎn)、易拼裝的優(yōu)點(diǎn),且混凝土預(yù)制構(gòu)件預(yù)埋螺栓比較容易,故A類節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接較為合理。通過保證螺栓的數(shù)量和連接質(zhì)量,可以將A類節(jié)點(diǎn)處理為剛性節(jié)點(diǎn),作為分部施工的管節(jié)結(jié)構(gòu),也必須保證節(jié)點(diǎn)的剛性。B類節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)處理的關(guān)鍵,它的處理往往比較麻煩,質(zhì)量也較難把握。柱頂設(shè)縫時(shí)B類節(jié)點(diǎn)和C類節(jié)點(diǎn)必須完全剛性處理才能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求??缰性O(shè)縫時(shí),在較強(qiáng)的錨固措施和較好的施工質(zhì)量下,設(shè)計(jì)時(shí)可以將B類節(jié)點(diǎn)考慮為剛性節(jié)點(diǎn),但在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)措施和施工質(zhì)量較難保證其剛度時(shí),也可以認(rèn)為其為半剛性或鉸接節(jié)點(diǎn)。值得注意的是,若要精確反映節(jié)點(diǎn)性質(zhì),判定其為剛接、半剛接還是鉸接,還應(yīng)參考節(jié)點(diǎn)的力學(xué)試驗(yàn)來確定。對(duì)于C類節(jié)點(diǎn),按照施工方式比較容易判斷其是剛接還是鉸接。型鋼梁柱拼裝可認(rèn)為其節(jié)點(diǎn)為鉸接點(diǎn),節(jié)點(diǎn)鋼筋可靠連接或錨固并現(xiàn)澆混凝土的則可認(rèn)為是剛接。
因此,對(duì)節(jié)點(diǎn)的考慮,重點(diǎn)是對(duì)B類節(jié)點(diǎn)的考慮。A類節(jié)點(diǎn)必須按剛性考慮和設(shè)計(jì),C類節(jié)點(diǎn)考慮為剛接還是鉸接對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果影響不大。B類節(jié)點(diǎn)可以考慮為剛接、半剛接和鉸接。設(shè)計(jì)和施工時(shí),對(duì)B類節(jié)點(diǎn)性質(zhì)的定義不同,將對(duì)結(jié)構(gòu)體系、受力特點(diǎn)產(chǎn)生較大影響。
跨中設(shè)縫和柱頂設(shè)縫的傳力路徑都是典型的板-梁-柱體系,圍巖荷載經(jīng)由板傳遞給縱梁,再由縱梁傳遞給柱,傳遞路徑清晰,如圖6和圖7所示。但是,跨中設(shè)縫時(shí),對(duì)B類節(jié)點(diǎn)的不同考慮(剛接、半剛接還是鉸接),受力是有一定區(qū)別的,尤其影響彎矩的傳遞和分布。因此,若節(jié)點(diǎn)性質(zhì)定義不準(zhǔn)確,跨中設(shè)縫的分割方式在結(jié)構(gòu)受力計(jì)算時(shí)也較難準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況。
圖6 跨中設(shè)縫時(shí)荷載傳遞路徑Fig. 6 Load transfer path of when joint is set in mid-span
圖7 柱頂設(shè)縫時(shí)荷載傳遞路徑Fig. 7 Load transfer path when joint is set on column top
參考國(guó)內(nèi)首個(gè)運(yùn)用CC工法施工的鄭州中鐵裝備地下車場(chǎng)試驗(yàn)工程的基本參數(shù),取1延米的6跨結(jié)構(gòu)斷面為算例,結(jié)構(gòu)厚度取500 mm,跨度均為6 400 mm,高為5 500 mm,覆土厚度為3 m,土的重度取為16.8 kN/m3,利用計(jì)算軟件SAP 2000分別將跨中設(shè)縫時(shí)的B類節(jié)點(diǎn)按照剛接、半剛接、鉸接考慮,進(jìn)行受力分析。需要注意的是,柱頂設(shè)縫時(shí),B類和C類節(jié)點(diǎn)重合且均必須按照剛性節(jié)點(diǎn)考慮和設(shè)計(jì),否則不是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這樣柱頂設(shè)縫的結(jié)構(gòu)受力和跨中設(shè)縫時(shí)B類節(jié)點(diǎn)按照剛性考慮是一致的,可以視為一種情況。B類節(jié)點(diǎn)分別按剛接、半鋼接、鉸接考慮時(shí),軸力和剪力的差別并不大,較大差異主要表現(xiàn)在彎矩方面,如圖8—10所示。
圖8 節(jié)點(diǎn)剛接彎矩圖(跨中設(shè)縫)(單位: kN·m)Fig. 8 Bending moment diagram of rigid joint (joint in mid-span) (unit: kN·m)
圖9 節(jié)點(diǎn)半剛接彎矩圖(跨中設(shè)縫)(單位: kN·m)Fig. 9 Bending moment diagram of semi-rigid joint (joint in mid-span) (unit: kN·m)
圖10 節(jié)點(diǎn)鉸接彎矩圖(跨中設(shè)縫)(單位: kN·m)Fig. 10 Bending moment diagram of hinge joint (joint in mid-span)(unit: kN·m)
對(duì)比3種情況發(fā)現(xiàn),節(jié)點(diǎn)為剛性時(shí)梁端和支座處彎矩幅值最小,跨中處彎矩最大; 鉸接時(shí)梁端和支座處的彎矩幅值最大,跨中處彎矩最??; 節(jié)點(diǎn)為半剛性時(shí),梁端、支座和跨中處的彎矩剛好介于剛接和鉸接時(shí)的彎矩之間。上述計(jì)算結(jié)果從性質(zhì)上符合結(jié)構(gòu)力學(xué)規(guī)律,從數(shù)量上看,在覆土厚度為3 m時(shí),三者的幅值有100 kN·m左右遞變規(guī)律。梁端、支座和跨中的彎矩過大對(duì)結(jié)構(gòu)和配筋以及后續(xù)的施工都是不利的。按剛接、半剛接和鉸接計(jì)算時(shí),跨中彎矩逐漸降低,支座負(fù)彎矩逐漸增大。跨中彎矩降幅約占剛接時(shí)的30%左右,梁端支座增幅約占剛接時(shí)的20%左右。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮,剛接設(shè)計(jì)時(shí)支座彎矩幅值最小,對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為有利。對(duì)于半剛接,需要注意其折減系數(shù)的選取。根據(jù)B類節(jié)點(diǎn)的具體構(gòu)造以及試驗(yàn)結(jié)果確定,才能較為真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)受力情況。
除了需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為合理的設(shè)計(jì)外,CC工法還需要特別重視施工環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)??缰性O(shè)縫和柱頂設(shè)縫因?yàn)榱粼O(shè)接縫的位置不同,導(dǎo)致2種結(jié)構(gòu)方式的施工步序差別較大,且關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制難易程度也不同。
跨中設(shè)縫的基本工序如圖11—14所示??缰性O(shè)縫時(shí),施工的關(guān)鍵工序主要有4個(gè)環(huán)節(jié)。首先按照設(shè)計(jì)順序進(jìn)行分部頂進(jìn)。該步驟的結(jié)構(gòu)單元由臨時(shí)鋼管片和混凝土管片組成,臨時(shí)鋼管片作為臨時(shí)的豎向支撐,混凝土管片是永久結(jié)構(gòu)的一部分。頂進(jìn)完成后,在組合結(jié)構(gòu)的支護(hù)下,利用已有的洞室空間進(jìn)行永久結(jié)構(gòu)的施工。永久結(jié)構(gòu)完成后,拆除臨時(shí)鋼管片,實(shí)現(xiàn)受力結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。最后進(jìn)行內(nèi)部裝飾、地平鋪裝等工作。
柱頂設(shè)縫的基本工序如圖15—19所示。柱頂設(shè)縫時(shí),施工的關(guān)鍵工序主要有5個(gè)環(huán)節(jié)。首先按照設(shè)計(jì)順序進(jìn)行分部頂進(jìn)。頂進(jìn)完成后,在跨中設(shè)置臨時(shí)支撐,并拆除鋼管片,處理頂?shù)装褰涌p。隨后進(jìn)行內(nèi)部梁柱結(jié)構(gòu)的施工。內(nèi)部永久結(jié)構(gòu)完成后,拆除臨時(shí)支撐。最后進(jìn)行內(nèi)部裝飾、地平鋪裝等工作。
圖11工序1:按順序分部頂進(jìn)施工(跨中設(shè)縫)
Fig. 11 Step 1: Jacking by part (joint in mid-span)
圖12 工序2: 永久結(jié)構(gòu)施工(跨中設(shè)縫)Fig. 12 Step 2: Permanent construction (joint in mid-span)
圖13 工序3: 鋼管片拆除(跨中設(shè)縫)Fig. 13 Step 3: Steel segment demolition (joint in mid-span)
圖14 工序4: 完成鋪裝、裝飾(跨中設(shè)縫)Fig. 14 Step 4: Scaffold remove (joint in mid-span)
圖15 工序1 : 按順序分部頂進(jìn)施工(柱頂設(shè)縫)Fig. 15 Step 1: Jacking in sequence (joint on column top)
圖16 工序2: 架設(shè)臨時(shí)支撐,拆除鋼管片,接縫處理(柱頂設(shè)縫)Fig. 16 Step 2: Scaffold, steel segment demolition and joint construction (joint on column top)
圖17 工序3: 永久結(jié)構(gòu)施工(柱頂設(shè)縫)Fig. 17 Step 3: Permanent construction (joint on column top)
圖18 工序4: 拆除臨時(shí)支撐(柱頂設(shè)縫)Fig. 18 Step 4: Scaffold remove (joint on column top)
圖19 工序5: 完成鋪裝、裝飾(柱頂設(shè)縫)Fig. 19 Step 5: Pavement and decoration (joint on column top)
通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),2種分割方式施工步序最顯著的差別是柱頂設(shè)縫需要增加一次臨時(shí)支撐。從結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換角度分析,跨中設(shè)縫的鋼管片兼具臨時(shí)支撐作用,整個(gè)結(jié)構(gòu)體系只有一次受力轉(zhuǎn)換,而柱頂設(shè)縫需要進(jìn)行2次受力轉(zhuǎn)換。柱頂設(shè)縫整體結(jié)構(gòu)的工況較多,接縫處理比跨中設(shè)縫更復(fù)雜,增加了受力轉(zhuǎn)換的次數(shù)和難度,這對(duì)結(jié)構(gòu)是不利的,且會(huì)因此增加額外的工程措施費(fèi)用。
無論是柱頂設(shè)縫還是跨中設(shè)縫,節(jié)點(diǎn)的施工都是CC工法不可回避的技術(shù)難點(diǎn)。相對(duì)而言,柱頂設(shè)縫處理起來更為困難。首先,設(shè)計(jì)上要保證B類節(jié)點(diǎn)具備剛性節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施; 然后,在施工上還要保證其質(zhì)量,但因?yàn)橹斣O(shè)縫時(shí),施工空間會(huì)因?yàn)榕R時(shí)支撐的內(nèi)部架設(shè)而進(jìn)一步縮小,且柱頂設(shè)縫因?yàn)榱褐寰谕徊课?,造成B類和C類節(jié)點(diǎn)重合,其受力更為復(fù)雜,施工處理起來更為復(fù)雜,所以B類節(jié)點(diǎn)的施工質(zhì)量是難以保證的??缰性O(shè)縫時(shí),僅B類節(jié)點(diǎn)的施工存在一定困難,但其施工空間和施工質(zhì)量是可以保障的。需要特別指出的是,柱頂設(shè)縫的防水處理、質(zhì)量補(bǔ)救都存在問題。如若出現(xiàn)防水、施工質(zhì)量等缺陷,跨中設(shè)縫易于處理,而柱頂設(shè)縫則較難采取措施處理。
總之,節(jié)點(diǎn)如何設(shè)計(jì)和施工才能保證工程結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性,是CC工法目前仍需要系統(tǒng)和深入研究的課題。
從經(jīng)濟(jì)上評(píng)價(jià)2種分割方式,柱頂設(shè)縫的劣勢(shì)較為顯著。首先,柱頂設(shè)縫因?yàn)樾枰噙M(jìn)行一次受力轉(zhuǎn)換,增加了臨時(shí)支撐的這一項(xiàng)措施費(fèi)。其次,柱頂設(shè)縫時(shí),頂進(jìn)工況下組合管節(jié)的鋼管片部分僅僅起到了頂進(jìn)施工時(shí)的支護(hù)作用,而跨中設(shè)縫除了頂進(jìn)工況起到臨時(shí)結(jié)構(gòu)作用外,在受力轉(zhuǎn)換時(shí)也起到了臨時(shí)支撐的作用。相較柱頂設(shè)縫,跨中設(shè)縫時(shí),CC工法施工對(duì)鋼管片的利用更充分??缰性O(shè)縫在不增加模數(shù)的情況下,調(diào)整內(nèi)部梁柱的位置可以較靈活地實(shí)現(xiàn)多跨地下建筑的空間布局,滿足不同功能需求; 柱頂設(shè)縫則需要依據(jù)建筑設(shè)計(jì),增加斷面尺寸種類,從而增加相應(yīng)全斷面設(shè)備數(shù)量,這也勢(shì)必會(huì)大幅增加工程成本。
1)跨中設(shè)縫和柱頂設(shè)縫的結(jié)構(gòu)受力體系均為板梁柱體系。跨中設(shè)縫B類節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)難以準(zhǔn)確把握時(shí),其結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果較難真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)際情況。
2)當(dāng)B類節(jié)點(diǎn)分別按照剛接、半剛接、鉸接考慮時(shí),跨中彎矩逐漸減小,支座處彎矩逐漸增大。按剛接設(shè)計(jì)時(shí),彎矩幅值最小,結(jié)構(gòu)受力相對(duì)有利。
3)相比跨中設(shè)縫,柱頂設(shè)縫在施工時(shí),其工序復(fù)雜、質(zhì)量難以保證,結(jié)構(gòu)受力體系需2次轉(zhuǎn)換,對(duì)結(jié)構(gòu)和施工安全影響較大。
4)柱頂設(shè)縫因?yàn)锽類和C類節(jié)點(diǎn)在位置上重合,設(shè)計(jì)、施工問題較多,質(zhì)量較難保證,后續(xù)問題較多,較難處理。
5)考慮施工措施和斷面選取,跨中設(shè)縫具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
6)本文主要從設(shè)計(jì)、施工2個(gè)方面對(duì)CC工法柱頂設(shè)縫和跨中設(shè)縫的2種方式進(jìn)行探討和研究,對(duì)比了2種方式在結(jié)構(gòu)受力、施工步驟等諸多方面的特點(diǎn)和優(yōu)劣,為CC工法的分割方式的選擇以及方案設(shè)計(jì)提供了參考和依據(jù)。但本文研究尚有不足,針對(duì)CC工法節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步深入研究。