结构分割转换工法结构体系安全性分析

程 鹏， 高 毅, 于少辉, 李 洋

(中铁工程装备集团有限公司地下空间设计研究院， 河南 郑州 450016)

0 引言

地下空间是未来城市建设和发展的方向，但现有的施工技术和手段尚有一定的局限性。采用明挖的建造方法会对周边环境、交通、道路、管线带来很大影响，人工暗挖的建造方法又存在施工风险高、作业环境恶劣等诸多问题。机械化施工代替传统的人力劳动是未来施工方法发展的趋势,但目前顶管、盾构等机械化暗挖建造方法仅能适用于长距离的线性隧道结构。

针对传统地下工程施工方法，国内外学者做了大量的相关研究。文献[1]系统地研究了地面出入式盾构法隧道新技术掘进的关键问题，揭示了地面出入式盾构法穿越不同阶段的地表沉降规律。文献[2-3]分别对小净距双洞隧道盾构法施工过程中不同地层、不同净距条件下隧道周围土体的稳定性进行研究。文献[4-5]对盾构法和浅埋暗挖法结合建造塔柱式地铁车站施工过程进行模型试验，提出盾构法和浅埋暗挖法相结合建造地铁车站的新方案。文献[6]研究了浅覆土大断面小间距矩形顶管施工对周边环境的影响。文献[7]根据土拱轴线的受力,推导出土拱轴线支座约束反力与模型几何参数之间的关系式，并给出验算土拱整体稳定性的判别式,验证了顶管间距计算值的合理性。

当前学者研究的大多为顶管法和盾构法，因两者自身的局限性，对于大型地下空间工程适用性不高。但可以转换思路，如将大型矩形断面地下空间工程划分为若干个小型矩形断面，利用小型矩形断面隧道掘进机依次分部施作，最终将其连通、合并成大型断面结构。日本的口琴工法(ハーモニカ工法)也是基于该思路，利用矩形顶管和型钢管节分部开挖形成网格状作业空间，然后在该空间里完成现浇钢筋混凝土主体结构的施工。该工法中型钢管节主要作为临时支护结构，可周转使用比例较低，浪费巨大，经济性较差。对此，国内学者首次提出了结构分割转换工法(structural cut and convert method, 简称“CC工法”)，对其工法原理、施工方式进行了详细的阐述，并成功应用于某地下停车场项目的建设。在此工程案例的基础上，又对其进行了理论扩展和应用推广，如高毅等[8]提出了“整体背土”概念，通过建立破坏模型对整体背土进行了量化分析。

本文根据CC工法各阶段的结构特点，对其结构体系进行杆系单元模型简化，分析不同阶段结构的自由度并判断其安全性；在此基础上，通过对比增量法和全量法2种情况下的结构受力，结合CC工法设计、施工中存在的问题，提出相应的优化方案。

1 CC工法概述

采用机械化施工代替传统的劳动密集的人工施工是地下工程施工的发展趋势，但现有的盾构、顶管机械施工技术无法仅通过一次掘进完成地下停车场、地下综合商业体等大型地下空间工程。CC工法针对大型地下空间工程的标准断面，将其分割为易于施工的小型断面多次掘进施工，完成各条单个隧道后再转换成大型地下空间。

1.1 工法特点

CC工法可借用某单层3跨结构对工法特点进行阐述。取该结构的标准断面进行分析，根据结构的特点可将结构分割，如图1所示。

图1结构分割示意图

Fig. 1 Sketch of structure division

把分割后结构与临时结构组成特殊管片结构来完成分部结构的施工，如图2所示。

图2 分部结构转换示意图

各隧道施工完成后，在内部空间施作梁、柱等结构体系，形成最终结构，如图3所示。

图3 最终结构转换示意图

CC工法通过对结构进行分割，使其能满足盾构或顶管分部施工的条件，再把各分部结构转化为最终需要的空间。

1.2 结构受力体系

由于CC工法的特点，结构在中间施工阶段与最终使用阶段具有完全不同的受力特点。因此，对结构的分析可分为3个阶段： 施工阶段、过渡阶段、使用阶段。

施工阶段： 此阶段的结构为相互之间无联系的分部结构，各分部结构为根据整体结构标准断面划分的组合式衬砌结构。与常规的顶管、盾构结构类似，单个管节需满足施工期间的水土压力和掘进设备对衬砌的施工荷载。根据整体结构断面划分后的分部结构如图4所示。

图4 施工阶段结构形式

使用阶段： 此阶段的受力体系与常规的地下结构相同，为地下框架、框架-剪力墙等常规结构。主要受力构件为梁、柱、墙等结构构件，结构形式如图5所示。

图5 使用阶段结构形式

在施工阶段与使用阶段之间还存在一特殊阶段，即过渡阶段。此阶段的结构由独立的线性隧道向整体空间转换，部分部位的构件为悬臂结构或独立的结构。过渡阶段结构形式如图6所示。由图6可知，若一次性拆除单个隧道所有型钢侧壁，会使结构的侧向约束不足，从而产生侧向滑动的可能。为保证结构侧向的稳定性，施工中需隔段、分部拆除分部结构的临时型钢结构，保证此阶段的结构稳定。

图6 过渡阶段结构形式

在施工阶段、使用阶段以及两者之间的过渡阶段，受力结构均须具有足够的强度及稳定性。

2 结构的安全性

安全可靠的结构体系需满足以下3个方面：

1)具备一定的强度和刚度，能承受外荷载和抵御变形的能力；

2)应满足在偶然荷载作用下保持整体稳定性的要求；

3)结构内部应有多余的约束，给结构体系的稳定性提供一定的冗余。

2.1 结构的冗余度

重大、复杂受力结构体系设计时应重点分析其冗余度，冗余度的数量是结构体系抵抗连续倒塌能力的一种体现及衡量标准。关于冗余度(多余约束)、计算自由度、自由度三者的关系可用下式表示：

S-W=n。

(1)

式中:S为自由度；W为计算自由度；n为冗余度。

冗余度(多余约束)为自由度与计算自由度的差，超静定结构中的多余约束可以保证结构有一定的安全储备。若一个结构具有充足的冗余度，那么其在初始局部破坏的情况下就可以改变原有的受力路径，“跨越”初始破坏，使初始局部破坏不向外扩展，并且最终达到新的平衡与稳定状态，避免产生连续性倒塌和破坏。简而言之，如果结构的局部构件遭到外部偶然荷载的作用而突然破坏，理想的结构应该能够继续承担荷载，而不至于连续倒塌。

总体来讲，结构的冗余度有2层作用： 1)提高结构在荷载或作用下的可靠性； 2)降低结构对偶然荷载的敏感性。因此，CC工法在各个阶段除了满足构件承载力和稳定性的要求外，结构体系还需具有一定的冗余度来保证结构体系的安全。

2.2 结构的防连续倒塌

连续倒塌指的是指结构内部分构件或局部发生破坏后，其周围构件因约束不足而相继发生破坏甚至导致整个结构完全倒塌的现象。连续倒塌破坏具有连续性与不成比例性2个特点，即后续破坏紧随最初的破坏(连续性)，并且最终产生破坏的范围远大于初始破坏(不成比例性)。例如： 由于车辆撞击、地震等突发因素使得结构体系的局部构件产生破坏，进而导致结构大范围的破坏甚至结构的整体倒塌。建构筑物连续倒塌引起的后果可能会是灾难性的，不仅会有重大的财产损失，而且可能会造成大量的人员伤亡。

3 CC工法各阶段结构体系分析

根据CC工法各阶段的特点，分阶段分析结构体系的安全性。

3.1 施工阶段的安全性分析

3.1.1 受力分析

此阶段结构可按常规的管节来考虑，衬砌结构的刚度和强度需考虑土压力、水压力、衬砌自重、地面超载、底层抗力、千斤顶推力以及施工荷载。施工阶段受力模型如图7所示。

图7 施工阶段结构受力模型

本工程的衬砌结构与常规的衬砌结构有所不同，为混凝土与临时结构组成的组合式衬砌。临时结构与混凝土结构的结点对整个管节稳定性影响很大，不同构造结点对结构体系的稳定性影响很大。

3.1.2 冗余度分析

将图3所示的构件简化为杆系单元，钢结构与混凝土结构的结点可考虑为刚结点或铰结点。不同结点如图8所示，通过对结构进行自由度分析可知： 图8(a)为2个多余约束的几何不变体系，图8(b)为1个多余约束的几何不变体系，图8(c)为没有多余约束的几何不变体系，图8(d)为几何可变体系。

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

图8施工阶段的结构杆系单元模型简图

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

图8(d)的体系为可变体系，实际工程中不宜采用； 图8(a)的结构稳定性好，但钢构件与混凝土构件的结点连接复杂，实际施工中安、拆均不便。考虑到各衬砌环是在土体约束中施工，图8(b)—(c)的结构体系整体稳定性与受力均较好，可在实际设计时采用。

3.2 使用阶段的安全性分析

3.2.1 受力分析

在使用阶段，结构已完成分部结构向整体结构的转换，此时顶板、底板、侧墙为承受周围土压力、水压力、地面超载等荷载的构件； 内部的梁、柱、墙为主要的支撑构件，是结构的主要受力构件，结构的稳定性主要由内部梁、柱结构体系承担。此阶段的受力与常规的地下工程项目类似，与常规明挖工法施工的地下工程项目相同。

3.2.2 冗余度分析

可针对某一单独的3跨结构进行体系稳定性分析，取其中的标准断面，把各构件简化为杆系单元，内部的梁、柱与顶板、底板的结点可分别设置成铰结或刚结。模型简图如图9所示。

(a) (b) (c)

图9使用阶段的结构杆系单元模型简图

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

通过对结构进行自由度分析，3种结构体系均为几何不变体系，具备较好的整体稳定性。

3.2.3 防连续倒塌措施

结构在使用阶段为地下框架结构，除了满足该结构作为建筑物的使用功能外，还需具备一定的冗余度，具有防连续倒塌的构造措施如下。

1)前后管节之间设置纵向连接螺栓(见图10)，增加结构的整体刚度，增加局部单元的安全系数；

2)增设次梁，增强内部梁、柱体系的整体稳定性，防止主梁局部失稳后导致结构垮塌。

3)在始发、接收面设置大型洞门环框梁，增加边榀框架结构的整体稳定性。

(a) 纵向螺栓现场图

(b) 端部环梁构造图

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

3.3 过渡阶段的安全性分析

过渡阶段为特殊阶段，此时作为主要受力的内部梁、柱构件已经形成，但是承担结构外的水、土压力荷载的构件并未形成整体。此阶段的结构形式见图6，此时结构具有以下特点：

1)外部的结构不连续，为悬臂构件；

2)外部结构的受力改变，由临时结构承担结构外的水土压力变为内部的梁、柱作为主受力构件。

3.3.1 受力分析

过渡阶段各部分结构是相互独立的，可针对各个分部结构分别进行分析。两边的C型结构其实是一个悬臂构件，中间的结构为顶底承受荷载、内部由梁柱支撑的框架结构。其受力模型如图11所示。

(a) 两边部分

(b) 中间部分

3.3.2 冗余度分析

对于单个结构来说，其均为几何静定结构，但是两侧结构在侧向土压力的作用下会有滑移的趋势。在过渡阶段，结构会存在较长的悬臂构件，为避免施工过程中存在结构体系内约束过少的不利状态，可施作临时支撑增加体系内的约束，保证过渡阶段结构体系的安全。过渡阶段的结构受力模型如图12所示。

图12 过渡阶段的结构受力简图

3.3.3 防连续倒塌措施

在过渡阶段，型钢梁柱施工完毕，纵梁混凝土强度达到90%后，可拆除单边钢侧壁；待后浇带结点施工完毕，混凝土强度达到90%后，可拆除另一边的钢侧壁。钢侧壁拆除示意图如图13所示。

(a) 现场施工图

(b) 钢侧壁拆除示意图

CC工法对整体结构进行分割、转化，分析时可根据工法特点对各个阶段单独分析。通过分析，认为各阶段的结构体系均可采用一定的措施及构造来满足当前阶段结构体系的安全性。

3.4 各阶段结构的关联性

结构在各个阶段的受力情况不能割裂。前阶段的受力对后阶段有一定的影响，不考虑前后阶段结构的受力特点，直接按最终的结构形式进行受力分析会给工程带来很大的安全隐患[9]。CC工法在分析结构受力时应根据施工阶段，在设计过程中充分考虑上一步开挖对下一步施工的影响。

针对3跨结构，分别采用增量法与全量法对结构进行分析，采用增量法可以真实地反映出各施工阶段对结构受力的影响。增量法与全量法的结构弯矩对比如图14所示。经比较，增量法计算整体结构的跨中弯矩比全量法增加约50%，端部弯矩比全量法减少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)

在实际工程中，也可单独计算各个阶段的结构，取其计算结果的包络图，适当放大角部钢筋； 或者对2种计算结果进行比较，确定合理的结构尺寸及配筋方案。

4 实际工程优化方案分析

某地下停车场项目是对CC工法的第一次成功运用。整个建设过程仅占用2个工作井，在8个月时间内完成了其他常规暗挖工法难以实现的大型地下空间结构。地下停车场标准结构断面见图15。

图15 地下停车场标准断面图

4.1 组合管节的优化

在工程中，前期的很多设计也得到了印证。实际采用的特殊衬砌结构为： 顶、底板为混凝土结构，侧壁为可循环使用的钢结构，各结点为刚结点。管片的结构形式见图16。

(a) 管节实体图

(b) 管节设计示意图

图16组合管节示意图(单位： mm)

Fig. 16 Composite pipe joint (unit: mm)

实际工程中，临时钢结构与混凝土结构构件的结点为刚结点，连接部位采用了大量螺栓与锚固板，给钢侧壁的拆装带来很繁琐的工作量。此部位可优化1～2个结点为铰结点，简化结点连接方式，这样既保证管节结构有一定冗余度，又能简化临时钢构件的安拆工序。刚结点与铰结点对比如图17所示。

4.2 整体结构的优化

最终结构需要把分散的顶、底板连成整体，现场因施工误差，相邻顶、底板预留的钢筋按原设计方案连接起来施工极其不便。在以后的设计中结点可按铰结点考虑，减少结点钢筋处理的工作量。结构体系模型如图18所示。

经分析，该结构共12个刚片(m)、12个单铰点(h)、5个链杆(r)，对该结构进行自由度分析:

W=3m-(2h+r)=3×12-2×12-6=-6。

计算结果说明此结构体系的内部约束不够，为非静定结构体系。地下工程结构与地面结构不同，计算时需考虑地层抗力对结构的影响。参考盾构隧道衬砌的多铰环计算法，对于一环管片，各分块衬砌之间考虑铰接，实际结构体系也为非静定体系。

(a) 刚结点

(b)铰结点

(a) 车库断面

(b) 车库体系模型

通常在地层弹簧模型计算法中，将由地层位移确定的地层反力作为管片环与地层之间的相互作用，并建立地层弹簧模型来评价地层抗力[10-11]。当管片环产生偏向地层的位移时，地层就表现出受压与受拉的力学特征。在欧美等国，一般采用全周地层弹簧模型，即模型同时考虑地层受压区域与受拉区域的反力； 在日本，通常只考虑地层受压区域的反力，即采用部分地层弹簧模型[12-13]。2种模型对比见图19。

(a) 全周地层弹簧模型

(b) 部分地层弹簧模型

在全周弹簧的约束下，管片表现出超静定结构体系的力学特征。对于CC工法结构，因相邻管节顶、底板在实际操作过程中有很大的不便，可参照圆形管片，考虑在结构周边设置土压弹簧来反映地层与结构之间的作用。其力学模型如图20所示。

图20 全周地层弹簧整体结构模型

考虑地层抗力结构的稳定性受周边地层扰动的影响很大，在地层发生微小位移后可能会对结构造成较大破坏。针对这种情况，相邻管节的结点位置可设置成半铰接的结构形式，相比刚结点可减少现场大量施工工序。在实际工程中也做了一些铰结点的试验，并对其力学性能进行了试验，图21所示的方案为结点两侧的钢筋不连通，钢筋全部锚固在后浇的节点区域内，按半固结点考虑。

(a) 施工过程 (b) 绑扎钢筋完成

图21半固结结点施工图

Fig. 21 Semi-fixed joint construction

实际工程中，通过监测半固结与固结2种方案的结构应变可知，两者受力状况几乎一样； 同时，通过对比理论计算的固结点应力，得出采用半固结的方案是合理可靠的。采用刚节点的工程应力云图如图22所示。

图22 采用刚节点的工程应力云图(单位： kN/m2)

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

半固结的方案在相同的劳动量条件下，大约可减少50%工时，在以后的工程中可考虑采用半固结的结点方案。

5 结论与讨论

1) CC工法体系安全、可靠，可以解决当前顶管、盾构等工法无法施工大型地下空间的弊端。

2) 用增量法计算可真实地反映出各施工阶段对结构受力的影响。但由于CC工法的特殊性，增量法的计算结果应与整体结构的计算结果进行比较，适当放大较小部位的计算结果。

3) 相邻管节顶板位置的结点可设置成半铰接的结构形式，既能减少现场大量施工工序，又能保证结构体系的安全。

4) CC工法在各个阶段除了满足构件承载力、稳定性的要求外，结构体系还需具有一定的冗余度，以保证结构体系的安全。

本文详细分析了各阶段结构体系的安全性，但地下工程中土体与管节之间的作用非常复杂，本文并未深入分析土体与结构之间的详细作用机制。后续可继续深入研究土体与结构之间的作用，以及不同地层弹簧刚度对整体结构稳定性的影响。