关于结构分割转换工法不同分割方式的探讨

2019-04-09苏明浩

隧道建设(中英文) 2019年3期

苏明浩，高毅，程鹏

(中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016)

0 引言

随着我国城镇化的快速推进，城市拥堵问题愈演愈烈。地下空间作为一种国土资源亟待开发利用[1-3]，但在城市成熟区域如何实现绿色环保、安全高效的地下工程施工，一直是困扰工程建设领域的一个难题。在边界条件越来越严苛的社会背景下，地下暗挖技术备受关注。近年，以浅埋暗挖技术[4-5]、盾构技术[6]、顶管技术[7-9]以及日本的HEP & JES工法[10-11]、Harmonica工法[12-13]等为代表的暗挖施工技术都取得了长足的发展，但这些工法仍都存在一定的局限性。浅埋暗挖法工效低，施工风险高；盾构顶管技术仅仅在单体隧道方面能发挥优势；日本的HEP & JES工法和Harmonica工法在结构设计和经济性方面的短板十分突出。地下暗挖技术取得了许多成果和进步，但在解决大型和多层多跨的地下工程暗挖施工方面仍缺乏有力手段。

针对这一工程难题，在对现有暗挖技术充分总结学习的基础上，高毅等[14]和李建斌等[15]提出了结构分割转换工法(structural cut and convert method, 简称“ CC工法”)，对该工法进行了较为全面的理论研究，并成功运用于郑州中铁装备地下停车场工程。CC工法是一种通过机械化施工小断面单元结构，然后拆除临时支撑结构，施作内部梁柱结构，实现多层多跨的大型地下空间结构的新型暗挖施工方法。CC工法具有采用小型标准断面，机械化施工完成大断面地下空间结构的特点，在城市地下建筑暗挖施工领域具有显著优势，其结构分割转换原理具有较突出的创新性和研究价值。

为研究该工法在不同分割方式下存在的问题，以及对设计、施工环节的影响，本文基于CC工法的原理，在前人研究的基础上对不同分割方式在结构及后续施工中的若干问题进行更加深入的分析和研究，旨在进一步丰富CC工法在结构分割方面的研究，完善结构分割的理论，提高CC工法的综合效益，为地下空间开发提供新的思路、新的解决方案，同时为CC工法的后续研究提供一些参考和依据。

1 2种典型分割形式

地下结构与地上结构相比，在荷载环境、受力特点方面存在着显著差异。如图1和图2所示，地上结构的荷载无论是横向荷载(如风荷载、地震荷载)，还是竖向荷载(如恒荷载、活荷载)都是通过板传递给梁，梁再将荷载传递给柱子最终通过基础传入地基，具有由上向下的传递路径；而地下结构则不同，地下结构四周被土体包围，全部受土体围压作用，结构主要是抵抗四周土体荷载以保障内部建筑空间。CC工法就是基于地下结构的受力特点而产生的，其核心原理是对结构进行合理分割，再通过受力转换，实现分部施工形成开敞大空间或多层多跨的建筑需求，其核心思想可以总结为“化整为零”再“由零到整”。由于小断面的标准化，可以充分利用全断面隧道掘进机械，进行暗挖施工，相较传统工法，可避免对地上交通的影响，减少管线改迁，降低大气污染，提高机械化装配化率，真正做到绿色环保和安全高效。

CC工法在具体实践时，首先要对结构进行合理的分割。结构的分割应满足建筑空间需求这一基本前提，还应满足结构受力可靠和施工便捷的要求，并尽可能地使工程造价趋于合理。在此分割原则下，主要有2种分割形式最受设计人员关注：一是跨中设缝(见图3)，二是柱顶设缝设缝(见图4)。跨中设缝是将结构的梁柱安装在分部顶进的临时管节的跨中，这样将来相邻结构单元连接的节点位于最终结构的跨中，故称跨中设缝。柱顶设缝是指在结构分割转化时，将梁柱设置在临时管节的一侧，最终相邻结构单位的接缝位于梁柱的顶部，故称为柱顶接缝。分割方式不同会直接影响结构整体力学特点和施工组织设计，本文将对CC工法中上述2种重要分割方式的结构受力、施工特点、经济性等主要方面进行比较和讨论。

图1地上结构荷载特点
Fig. 1 Characteristics of ground structure

图2 地下结构荷载特点Fig. 2 Characteristics of underground structure

图3 跨中设缝Fig. 3 Joint in mid-span

图4 柱顶设缝Fig. 4 Joint on column top

2 结构受力

跨中设缝和柱顶设缝2种分割形式的不同，造成结构转换时节点的位置、节点的性质和梁柱的布置不同。这些不同造成了结构受力体系、力的传递路径以及结构计算中构件应力等结构受力特性的不同。

2.1 节点的考虑

在CC工法中，根据位置的不同将节点分为3类，如图5所示(图中数字表示隧道顶进顺序，下同)。A类节点为临时结构与外周结构的节点，如预制管节与临时钢结构的连接节点；B类节点为外周结构之间的节点，如相邻管节间预制钢筋混凝土构件连接节点；C类节点为内部永久结构与外周结构的节点，如管节的预制钢筋混凝土构件与后施作的永久梁构件的连接节点。上述3类节点因为位置的不同，其处理方式也不同，不同的处理方式将直接影响节点的力学性质和结构计算。

图5 节点分类Fig. 5 Types of nodes

一般而言，A类节点往往采用螺栓连接。因为单元结构的临时构件使用钢构件具有可周转、易拼装的优点，且混凝土预制构件预埋螺栓比较容易，故A类节点采用螺栓连接较为合理。通过保证螺栓的数量和连接质量，可以将A类节点处理为刚性节点，作为分部施工的管节结构，也必须保证节点的刚性。B类节点是节点处理的关键，它的处理往往比较麻烦，质量也较难把握。柱顶设缝时B类节点和C类节点必须完全刚性处理才能满足结构稳定的要求。跨中设缝时，在较强的锚固措施和较好的施工质量下，设计时可以将B类节点考虑为刚性节点，但在节点设计措施和施工质量较难保证其刚度时，也可以认为其为半刚性或铰接节点。值得注意的是，若要精确反映节点性质，判定其为刚接、半刚接还是铰接，还应参考节点的力学试验来确定。对于C类节点，按照施工方式比较容易判断其是刚接还是铰接。型钢梁柱拼装可认为其节点为铰接点，节点钢筋可靠连接或锚固并现浇混凝土的则可认为是刚接。

因此，对节点的考虑，重点是对B类节点的考虑。A类节点必须按刚性考虑和设计，C类节点考虑为刚接还是铰接对结构计算结果影响不大。B类节点可以考虑为刚接、半刚接和铰接。设计和施工时，对B类节点性质的定义不同，将对结构体系、受力特点产生较大影响。

2.2 结构体系

跨中设缝和柱顶设缝的传力路径都是典型的板-梁-柱体系，围岩荷载经由板传递给纵梁，再由纵梁传递给柱，传递路径清晰，如图6和图7所示。但是，跨中设缝时，对B类节点的不同考虑(刚接、半刚接还是铰接)，受力是有一定区别的，尤其影响弯矩的传递和分布。因此，若节点性质定义不准确，跨中设缝的分割方式在结构受力计算时也较难准确反映结构的真实受力情况。

图6 跨中设缝时荷载传递路径Fig. 6 Load transfer path of when joint is set in mid-span

图7 柱顶设缝时荷载传递路径Fig. 7 Load transfer path when joint is set on column top

2.3 受力特点

参考国内首个运用CC工法施工的郑州中铁装备地下车场试验工程的基本参数，取1延米的6跨结构断面为算例，结构厚度取500 mm，跨度均为6 400 mm，高为5 500 mm，覆土厚度为3 m，土的重度取为16.8 kN/m3，利用计算软件SAP 2000分别将跨中设缝时的B类节点按照刚接、半刚接、铰接考虑，进行受力分析。需要注意的是，柱顶设缝时，B类和C类节点重合且均必须按照刚性节点考虑和设计，否则不是稳定结构。这样柱顶设缝的结构受力和跨中设缝时B类节点按照刚性考虑是一致的，可以视为一种情况。B类节点分别按刚接、半钢接、铰接考虑时，轴力和剪力的差别并不大，较大差异主要表现在弯矩方面，如图8—10所示。

图8 节点刚接弯矩图(跨中设缝)(单位： kN·m)Fig. 8 Bending moment diagram of rigid joint (joint in mid-span) (unit: kN·m)

图9 节点半刚接弯矩图(跨中设缝)(单位： kN·m)Fig. 9 Bending moment diagram of semi-rigid joint (joint in mid-span) (unit: kN·m)

图10 节点铰接弯矩图(跨中设缝)(单位： kN·m)Fig. 10 Bending moment diagram of hinge joint (joint in mid-span)(unit: kN·m)

对比3种情况发现，节点为刚性时梁端和支座处弯矩幅值最小，跨中处弯矩最大；铰接时梁端和支座处的弯矩幅值最大，跨中处弯矩最小；节点为半刚性时，梁端、支座和跨中处的弯矩刚好介于刚接和铰接时的弯矩之间。上述计算结果从性质上符合结构力学规律，从数量上看，在覆土厚度为3 m时，三者的幅值有100 kN·m左右递变规律。梁端、支座和跨中的弯矩过大对结构和配筋以及后续的施工都是不利的。按刚接、半刚接和铰接计算时，跨中弯矩逐渐降低，支座负弯矩逐渐增大。跨中弯矩降幅约占刚接时的30%左右，梁端支座增幅约占刚接时的20%左右。从结构设计方面考虑，刚接设计时支座弯矩幅值最小，对结构设计较为有利。对于半刚接，需要注意其折减系数的选取。根据B类节点的具体构造以及试验结果确定，才能较为真实地反映结构受力情况。

3 施工影响

除了需要对结构进行较为合理的设计外，CC工法还需要特别重视施工环节的设计。跨中设缝和柱顶设缝因为留设接缝的位置不同，导致2种结构方式的施工步序差别较大，且关键节点的质量控制难易程度也不同。

3.1 施工步序

跨中设缝的基本工序如图11—14所示。跨中设缝时，施工的关键工序主要有4个环节。首先按照设计顺序进行分部顶进。该步骤的结构单元由临时钢管片和混凝土管片组成，临时钢管片作为临时的竖向支撑，混凝土管片是永久结构的一部分。顶进完成后，在组合结构的支护下，利用已有的洞室空间进行永久结构的施工。永久结构完成后，拆除临时钢管片，实现受力结构的转换。最后进行内部装饰、地平铺装等工作。

柱顶设缝的基本工序如图15—19所示。柱顶设缝时，施工的关键工序主要有5个环节。首先按照设计顺序进行分部顶进。顶进完成后，在跨中设置临时支撑，并拆除钢管片，处理顶底板接缝。随后进行内部梁柱结构的施工。内部永久结构完成后，拆除临时支撑。最后进行内部装饰、地平铺装等工作。

图11工序1：按顺序分部顶进施工(跨中设缝)
Fig. 11 Step 1: Jacking by part (joint in mid-span)

图12 工序2：永久结构施工(跨中设缝)Fig. 12 Step 2: Permanent construction (joint in mid-span)

图13 工序3：钢管片拆除(跨中设缝)Fig. 13 Step 3: Steel segment demolition (joint in mid-span)

图14 工序4：完成铺装、装饰(跨中设缝)Fig. 14 Step 4: Scaffold remove (joint in mid-span)

图15 工序1 ：按顺序分部顶进施工(柱顶设缝)Fig. 15 Step 1: Jacking in sequence (joint on column top)

图16 工序2：架设临时支撑，拆除钢管片，接缝处理(柱顶设缝)Fig. 16 Step 2: Scaffold, steel segment demolition and joint construction (joint on column top)

图17 工序3：永久结构施工(柱顶设缝)Fig. 17 Step 3: Permanent construction (joint on column top)

图18 工序4：拆除临时支撑(柱顶设缝)Fig. 18 Step 4: Scaffold remove (joint on column top)

图19 工序5：完成铺装、装饰(柱顶设缝)Fig. 19 Step 5: Pavement and decoration (joint on column top)

通过对比发现，2种分割方式施工步序最显著的差别是柱顶设缝需要增加一次临时支撑。从结构受力转换角度分析，跨中设缝的钢管片兼具临时支撑作用，整个结构体系只有一次受力转换，而柱顶设缝需要进行2次受力转换。柱顶设缝整体结构的工况较多，接缝处理比跨中设缝更复杂，增加了受力转换的次数和难度，这对结构是不利的，且会因此增加额外的工程措施费用。

3.2 节点施工

无论是柱顶设缝还是跨中设缝，节点的施工都是CC工法不可回避的技术难点。相对而言，柱顶设缝处理起来更为困难。首先，设计上要保证B类节点具备刚性节点的构造措施；然后，在施工上还要保证其质量，但因为柱顶设缝时，施工空间会因为临时支撑的内部架设而进一步缩小，且柱顶设缝因为梁柱板均在同一部位，造成B类和C类节点重合，其受力更为复杂，施工处理起来更为复杂，所以B类节点的施工质量是难以保证的。跨中设缝时，仅B类节点的施工存在一定困难，但其施工空间和施工质量是可以保障的。需要特别指出的是，柱顶设缝的防水处理、质量补救都存在问题。如若出现防水、施工质量等缺陷，跨中设缝易于处理，而柱顶设缝则较难采取措施处理。

总之，节点如何设计和施工才能保证工程结构的可靠性和耐久性，是CC工法目前仍需要系统和深入研究的课题。

3.3 经济性评价

从经济上评价2种分割方式，柱顶设缝的劣势较为显著。首先，柱顶设缝因为需要多进行一次受力转换，增加了临时支撑的这一项措施费。其次，柱顶设缝时，顶进工况下组合管节的钢管片部分仅仅起到了顶进施工时的支护作用，而跨中设缝除了顶进工况起到临时结构作用外，在受力转换时也起到了临时支撑的作用。相较柱顶设缝，跨中设缝时，CC工法施工对钢管片的利用更充分。跨中设缝在不增加模数的情况下，调整内部梁柱的位置可以较灵活地实现多跨地下建筑的空间布局，满足不同功能需求；柱顶设缝则需要依据建筑设计，增加断面尺寸种类，从而增加相应全断面设备数量，这也势必会大幅增加工程成本。