結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法結(jié)構(gòu)體系安全性分析

程 鵬， 高 毅, 于少輝, 李 洋

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司地下空間設(shè)計(jì)研究院， 河南 鄭州 450016)

0 引言

地下空間是未來城市建設(shè)和發(fā)展的方向，但現(xiàn)有的施工技術(shù)和手段尚有一定的局限性。采用明挖的建造方法會(huì)對(duì)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(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)環(huán)境惡劣等諸多問題。機(jī)械化施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力勞動(dòng)是未來施工方法發(fā)展的趨勢(shì),但目前頂管、盾構(gòu)等機(jī)械化暗挖建造方法僅能適用于長(zhǎng)距離的線性隧道結(jié)構(gòu)。

針對(duì)傳統(tǒng)地下工程施工方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)地研究了地面出入式盾構(gòu)法隧道新技術(shù)掘進(jìn)的關(guān)鍵問題，揭示了地面出入式盾構(gòu)法穿越不同階段的地表沉降規(guī)律。文獻(xiàn)[2-3]分別對(duì)小凈距雙洞隧道盾構(gòu)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(jìn)行研究。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)盾構(gòu)法和淺埋暗挖法結(jié)合建造塔柱式地鐵車站施工過程進(jìn)行模型試驗(yàn)，提出盾構(gòu)法和淺埋暗挖法相結(jié)合建造地鐵車站的新方案。文獻(xiàn)[6]研究了淺覆土大斷面小間距矩形頂管施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。文獻(xiàn)[7]根據(jù)土拱軸線的受力,推導(dǎo)出土拱軸線支座約束反力與模型幾何參數(shù)之間的關(guān)系式，并給出驗(yàn)算土拱整體穩(wěn)定性的判別式,驗(yàn)證了頂管間距計(jì)算值的合理性。

當(dāng)前學(xué)者研究的大多為頂管法和盾構(gòu)法，因兩者自身的局限性，對(duì)于大型地下空間工程適用性不高。但可以轉(zhuǎn)換思路，如將大型矩形斷面地下空間工程劃分為若干個(gè)小型矩形斷面，利用小型矩形斷面隧道掘進(jìn)機(jī)依次分部施作，最終將其連通、合并成大型斷面結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的施工。該工法中型鋼管節(jié)主要作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，可周轉(zhuǎn)使用比例較低，浪費(fèi)巨大，經(jīng)濟(jì)性較差。對(duì)此，國(guó)內(nèi)學(xué)者首次提出了結(jié)構(gòu)分割轉(zhuǎn)換工法(structural cut and convert method, 簡(jiǎn)稱“CC工法”)，對(duì)其工法原理、施工方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并成功應(yīng)用于某地下停車場(chǎng)項(xiàng)目的建設(shè)。在此工程案例的基礎(chǔ)上，又對(duì)其進(jìn)行了理論擴(kuò)展和應(yīng)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(duì)整體背土進(jìn)行了量化分析。

本文根據(jù)CC工法各階段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行桿系單元模型簡(jiǎn)化，分析不同階段結(jié)構(gòu)的自由度并判斷其安全性；在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)比增量法和全量法2種情況下的結(jié)構(gòu)受力，結(jié)合CC工法設(shè)計(jì)、施工中存在的問題，提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 CC工法概述

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

1.1 工法特點(diǎn)

CC工法可借用某單層3跨結(jié)構(gòu)對(duì)工法特點(diǎn)進(jìn)行闡述。取該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可將結(jié)構(gòu)分割，如圖1所示。

圖1結(jié)構(gòu)分割示意圖

Fig. 1 Sketch of structure division

把分割后結(jié)構(gòu)與臨時(shí)結(jié)構(gòu)組成特殊管片結(jié)構(gòu)來完成分部結(jié)構(gòu)的施工，如圖2所示。

圖2 分部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換示意圖

各隧道施工完成后，在內(nèi)部空間施作梁、柱等結(jié)構(gòu)體系，形成最終結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 最終結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換示意圖

CC工法通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，使其能滿足盾構(gòu)或頂管分部施工的條件，再把各分部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為最終需要的空間。

1.2 結(jié)構(gòu)受力體系

由于CC工法的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)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(diǎn)。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)的分析可分為3個(gè)階段： 施工階段、過渡階段、使用階段。

施工階段： 此階段的結(jié)構(gòu)為相互之間無聯(lián)系的分部結(jié)構(gòu)，各分部結(jié)構(gòu)為根據(jù)整體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面劃分的組合式襯砌結(jié)構(gòu)。與常規(guī)的頂管、盾構(gòu)結(jié)構(gòu)類似，單個(gè)管節(jié)需滿足施工期間的水土壓力和掘進(jìn)設(shè)備對(duì)襯砌的施工荷載。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)斷面劃分后的分部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 施工階段結(jié)構(gòu)形式

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

圖5 使用階段結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由獨(dú)立的線性隧道向整體空間轉(zhuǎn)換，部分部位的構(gòu)件為懸臂結(jié)構(gòu)或獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。過渡階段結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。由圖6可知，若一次性拆除單個(gè)隧道所有型鋼側(cè)壁，會(huì)使結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束不足，從而產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)的可能。為保證結(jié)構(gòu)側(cè)向的穩(wěn)定性，施工中需隔段、分部拆除分部結(jié)構(gòu)的臨時(shí)型鋼結(jié)構(gòu)，保證此階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖6 過渡階段結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)均須具有足夠的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

2 結(jié)構(gòu)的安全性

安全可靠的結(jié)構(gòu)體系需滿足以下3個(gè)方面：

1)具備一定的強(qiáng)度和剛度，能承受外荷載和抵御變形的能力；

2)應(yīng)滿足在偶然荷載作用下保持整體穩(wěn)定性的要求；

3)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)有多余的約束，給結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性提供一定的冗余。

2.1 結(jié)構(gòu)的冗余度

重大、復(fù)雜受力結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)分析其冗余度，冗余度的數(shù)量是結(jié)構(gòu)體系抵抗連續(xù)倒塌能力的一種體現(xiàn)及衡量標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于冗余度(多余約束)、計(jì)算自由度、自由度三者的關(guān)系可用下式表示：

S-W=n。

(1)

式中:S為自由度；W為計(jì)算自由度；n為冗余度。

冗余度(多余約束)為自由度與計(jì)算自由度的差，超靜定結(jié)構(gòu)中的多余約束可以保證結(jié)構(gòu)有一定的安全儲(chǔ)備。若一個(gè)結(jié)構(gòu)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?cè)械氖芰β窂剑翱缭健背跏计茐模钩跏季植科茐牟幌蛲鈹U(kuò)展，并且最終達(dá)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(jiǎn)而言之，如果結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)件遭到外部偶然荷載的作用而突然破壞，理想的結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠繼續(xù)承擔(dān)荷載，而不至于連續(xù)倒塌。

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

2.2 結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌

連續(xù)倒塌指的是指結(jié)構(gòu)內(nèi)部分構(gòu)件或局部發(fā)生破壞后，其周圍構(gòu)件因約束不足而相繼發(fā)生破壞甚至導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)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(gè)特點(diǎn)，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(yuǎn)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(jié)構(gòu)體系的局部構(gòu)件產(chǎn)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)大范圍的破壞甚至結(jié)構(gòu)的整體倒塌。建構(gòu)筑物連續(xù)倒塌引起的后果可能會(huì)是災(zāi)難性的，不僅會(huì)有重大的財(cái)產(chǎn)損失，而且可能會(huì)造成大量的人員傷亡。

3 CC工法各階段結(jié)構(gòu)體系分析

根據(jù)CC工法各階段的特點(diǎn)，分階段分析結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可按常規(guī)的管節(jié)來考慮，襯砌結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)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(jié)構(gòu)受力模型

本工程的襯砌結(jié)構(gòu)與常規(guī)的襯砌結(jié)構(gòu)有所不同，為混凝土與臨時(shí)結(jié)構(gòu)組成的組合式襯砌。臨時(shí)結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)管節(jié)穩(wěn)定性影響很大，不同構(gòu)造結(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)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(gòu)件簡(jiǎn)化為桿系單元，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)可考慮為剛結(jié)點(diǎn)或鉸結(jié)點(diǎn)。不同結(jié)點(diǎn)如圖8所示，通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由度分析可知： 圖8(a)為2個(gè)多余約束的幾何不變體系，圖8(b)為1個(gè)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(jié)構(gòu)桿系單元模型簡(jiǎn)圖

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

圖8(d)的體系為可變體系，實(shí)際工程中不宜采用； 圖8(a)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，但鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的結(jié)點(diǎn)連接復(fù)雜，實(shí)際施工中安、拆均不便。考慮到各襯砌環(huán)是在土體約束中施工，圖8(b)—(c)的結(jié)構(gòu)體系整體穩(wěn)定性與受力均較好，可在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)構(gòu)已完成分部結(jié)構(gòu)向整體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，此時(shí)頂板、底板、側(cè)墻為承受周圍土壓力、水壓力、地面超載等荷載的構(gòu)件； 內(nèi)部的梁、柱、墻為主要的支撐構(gòu)件，是結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要由內(nèi)部梁、柱結(jié)構(gòu)體系承擔(dān)。此階段的受力與常規(guī)的地下工程項(xiàng)目類似，與常規(guī)明挖工法施工的地下工程項(xiàng)目相同。

3.2.2 冗余度分析

可針對(duì)某一單獨(dú)的3跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行體系穩(wěn)定性分析，取其中的標(biāo)準(zhǔn)斷面，把各構(gòu)件簡(jiǎn)化為桿系單元，內(nèi)部的梁、柱與頂板、底板的結(jié)點(diǎn)可分別設(shè)置成鉸結(jié)或剛結(jié)。模型簡(jiǎn)圖如圖9所示。

(a) (b) (c)

圖9使用階段的結(jié)構(gòu)桿系單元模型簡(jiǎn)圖

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

通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由度分析，3種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在使用階段為地下框架結(jié)構(gòu)，除了滿足該結(jié)構(gòu)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(gòu)造措施如下。

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

2)增設(shè)次梁，增強(qiáng)內(nèi)部梁、柱體系的整體穩(wěn)定性，防止主梁局部失穩(wěn)后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)垮塌。

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

(a) 縱向螺栓現(xiàn)場(chǎng)圖

(b) 端部環(huán)梁構(gòu)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(shí)作為主要受力的內(nèi)部梁、柱構(gòu)件已經(jīng)形成，但是承擔(dān)結(jié)構(gòu)外的水、土壓力荷載的構(gòu)件并未形成整體。此階段的結(jié)構(gòu)形式見圖6，此時(shí)結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

1)外部的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，為懸臂構(gòu)件；

2)外部結(jié)構(gòu)的受力改變，由臨時(shí)結(jié)構(gòu)承擔(dān)結(jié)構(gòu)外的水土壓力變?yōu)閮?nèi)部的梁、柱作為主受力構(gòu)件。

3.3.1 受力分析

過渡階段各部分結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，可針對(duì)各個(gè)分部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行分析。兩邊的C型結(jié)構(gòu)其實(shí)是一個(gè)懸臂構(gòu)件，中間的結(jié)構(gòu)為頂?shù)壮惺芎奢d、內(nèi)部由梁柱支撐的框架結(jié)構(gòu)。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(duì)于單個(gè)結(jié)構(gòu)來說，其均為幾何靜定結(jié)構(gòu)，但是兩側(cè)結(jié)構(gòu)在側(cè)向土壓力的作用下會(huì)有滑移的趨勢(shì)。在過渡階段，結(jié)構(gòu)會(huì)存在較長(zhǎng)的懸臂構(gòu)件，為避免施工過程中存在結(jié)構(gòu)體系內(nèi)約束過少的不利狀態(tài)，可施作臨時(shí)支撐增加體系內(nèi)的約束，保證過渡階段結(jié)構(gòu)體系的安全。過渡階段的結(jié)構(gòu)受力模型如圖12所示。

圖12 過渡階段的結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)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(qiáng)度達(dá)到90%后，可拆除單邊鋼側(cè)壁；待后澆帶結(jié)點(diǎn)施工完畢，混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%后，可拆除另一邊的鋼側(cè)壁。鋼側(cè)壁拆除示意圖如圖13所示。

(a) 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

(b) 鋼側(cè)壁拆除示意圖

CC工法對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割、轉(zhuǎn)化，分析時(shí)可根據(jù)工法特點(diǎn)對(duì)各個(gè)階段單獨(dú)分析。通過分析，認(rèn)為各階段的結(jié)構(gòu)體系均可采用一定的措施及構(gòu)造來滿足當(dāng)前階段結(jié)構(gòu)體系的安全性。

3.4 各階段結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性

結(jié)構(gòu)在各個(gè)階段的受力情況不能割裂。前階段的受力對(duì)后階段有一定的影響，不考慮前后階段結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，直接按最終的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行受力分析會(huì)給工程帶來很大的安全隱患[9]。CC工法在分析結(jié)構(gòu)受力時(shí)應(yīng)根據(jù)施工階段，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮上一步開挖對(duì)下一步施工的影響。

針對(duì)3跨結(jié)構(gòu)，分別采用增量法與全量法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用增量法可以真實(shí)地反映出各施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。增量法與全量法的結(jié)構(gòu)彎矩對(duì)比如圖14所示。經(jīng)比較，增量法計(jì)算整體結(jié)構(gòu)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(shí)際工程中，也可單獨(dú)計(jì)算各個(gè)階段的結(jié)構(gòu)，取其計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)圖，適當(dāng)放大角部鋼筋； 或者對(duì)2種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸及配筋方案。

4 實(shí)際工程優(yōu)化方案分析

某地下停車場(chǎng)項(xiàng)目是對(duì)CC工法的第一次成功運(yùn)用。整個(gè)建設(shè)過程僅占用2個(gè)工作井，在8個(gè)月時(shí)間內(nèi)完成了其他常規(guī)暗挖工法難以實(shí)現(xiàn)的大型地下空間結(jié)構(gòu)。地下停車場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)斷面見圖15。

圖15 地下停車場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

4.1 組合管節(jié)的優(yōu)化

在工程中，前期的很多設(shè)計(jì)也得到了印證。實(shí)際采用的特殊襯砌結(jié)構(gòu)為： 頂、底板為混凝土結(jié)構(gòu)，側(cè)壁為可循環(huán)使用的鋼結(jié)構(gòu)，各結(jié)點(diǎn)為剛結(jié)點(diǎn)。管片的結(jié)構(gòu)形式見圖16。

(a) 管節(jié)實(shí)體圖

(b) 管節(jié)設(shè)計(jì)示意圖

圖16組合管節(jié)示意圖(單位： mm)

Fig. 16 Composite pipe joint (unit: mm)

實(shí)際工程中，臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)點(diǎn)為剛結(jié)點(diǎn)，連接部位采用了大量螺栓與錨固板，給鋼側(cè)壁的拆裝帶來很繁瑣的工作量。此部位可優(yōu)化1～2個(gè)結(jié)點(diǎn)為鉸結(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)化結(jié)點(diǎn)連接方式，這樣既保證管節(jié)結(jié)構(gòu)有一定冗余度，又能簡(jiǎn)化臨時(shí)鋼構(gòu)件的安拆工序。剛結(jié)點(diǎn)與鉸結(jié)點(diǎn)對(duì)比如圖17所示。

4.2 整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

最終結(jié)構(gòu)需要把分散的頂、底板連成整體，現(xiàn)場(chǎng)因施工誤差，相鄰頂、底板預(yù)留的鋼筋按原設(shè)計(jì)方案連接起來施工極其不便。在以后的設(shè)計(jì)中結(jié)點(diǎn)可按鉸結(jié)點(diǎn)考慮，減少結(jié)點(diǎn)鋼筋處理的工作量。結(jié)構(gòu)體系模型如圖18所示。

經(jīng)分析，該結(jié)構(gòu)共12個(gè)剛片(m)、12個(gè)單鉸點(diǎn)(h)、5個(gè)鏈桿(r)，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由度分析:

W=3m-(2h+r)=3×12-2×12-6=-6。

計(jì)算結(jié)果說明此結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)部約束不夠，為非靜定結(jié)構(gòu)體系。地下工程結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)不同，計(jì)算時(shí)需考慮地層抗力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。參考盾構(gòu)隧道襯砌的多鉸環(huán)計(jì)算法，對(duì)于一環(huán)管片，各分塊襯砌之間考慮鉸接，實(shí)際結(jié)構(gòu)體系也為非靜定體系。

(a) 剛結(jié)點(diǎn)

(b)鉸結(jié)點(diǎn)

(a) 車庫(kù)斷面

(b) 車庫(kù)體系模型

通常在地層彈簧模型計(jì)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(píng)價(jià)地層抗力[10-11]。當(dāng)管片環(huán)產(chǎn)生偏向地層的位移時(shí)，地層就表現(xiàn)出受壓與受拉的力學(xué)特征。在歐美等國(guó)，一般采用全周地層彈簧模型，即模型同時(shí)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(duì)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(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特征。對(duì)于CC工法結(jié)構(gòu)，因相鄰管節(jié)頂、底板在實(shí)際操作過程中有很大的不便，可參照?qǐng)A形管片，考慮在結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置土壓彈簧來反映地層與結(jié)構(gòu)之間的作用。其力學(xué)模型如圖20所示。

圖20 全周地層彈簧整體結(jié)構(gòu)模型

考慮地層抗力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受周邊地層擾動(dòng)的影響很大，在地層發(fā)生微小位移后可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成較大破壞。針對(duì)這種情況，相鄰管節(jié)的結(jié)點(diǎn)位置可設(shè)置成半鉸接的結(jié)構(gòu)形式，相比剛結(jié)點(diǎn)可減少現(xiàn)場(chǎng)大量施工工序。在實(shí)際工程中也做了一些鉸結(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)，圖21所示的方案為結(jié)點(diǎn)兩側(cè)的鋼筋不連通，鋼筋全部錨固在后澆的節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，按半固結(jié)點(diǎn)考慮。

(a) 施工過程 (b) 綁扎鋼筋完成

圖21半固結(jié)結(jié)點(diǎn)施工圖

Fig. 21 Semi-fixed joint construction

實(shí)際工程中，通過監(jiān)測(cè)半固結(jié)與固結(jié)2種方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)變可知，兩者受力狀況幾乎一樣； 同時(shí)，通過對(duì)比理論計(jì)算的固結(jié)點(diǎn)應(yīng)力，得出采用半固結(jié)的方案是合理可靠的。采用剛節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)力云圖如圖22所示。

圖22 采用剛節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)力云圖(單位： kN/m2)

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

半固結(jié)的方案在相同的勞動(dòng)量條件下，大約可減少50%工時(shí)，在以后的工程中可考慮采用半固結(jié)的結(jié)點(diǎn)方案。

5 結(jié)論與討論

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

2) 用增量法計(jì)算可真實(shí)地反映出各施工階段對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。但由于CC工法的特殊性，增量法的計(jì)算結(jié)果應(yīng)與整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，適當(dāng)放大較小部位的計(jì)算結(jié)果。

3) 相鄰管節(jié)頂板位置的結(jié)點(diǎn)可設(shè)置成半鉸接的結(jié)構(gòu)形式，既能減少現(xiàn)場(chǎng)大量施工工序，又能保證結(jié)構(gòu)體系的安全。

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

本文詳細(xì)分析了各階段結(jié)構(gòu)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(fù)雜，本文并未深入分析土體與結(jié)構(gòu)之間的詳細(xì)作用機(jī)制。后續(xù)可繼續(xù)深入研究土體與結(jié)構(gòu)之間的作用，以及不同地層彈簧剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。