關于結構分割轉換工法不同分割方式的探討

蘇明浩， 高 毅， 程 鵬

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著我國城鎮化的快速推進，城市擁堵問題愈演愈烈。地下空間作為一種國土資源亟待開發利用[1-3]，但在城市成熟區域如何實現綠色環保、安全高效的地下工程施工，一直是困擾工程建設領域的一個難題。在邊界條件越來越嚴苛的社會背景下，地下暗挖技術備受關注。近年，以淺埋暗挖技術[4-5]、盾構技術[6]、頂管技術[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都取得了長足的發展，但這些工法仍都存在一定的局限性。淺埋暗挖法工效低，施工風險高；盾構頂管技術僅僅在單體隧道方面能發揮優勢；日本的HEP & JES工法和Harmonica工法在結構設計和經濟性方面的短板十分突出。地下暗挖技術取得了許多成果和進步，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。

針對這一工程難題，在對現有暗挖技術充分總結學習的基礎上，高毅等[14]和李建斌等[15]提出了結構分割轉換工法(structural cut and convert method, 簡稱“ CC工法”)，對該工法進行了較為全面的理論研究，并成功運用于鄭州中鐵裝備地下停車場工程。CC工法是一種通過機械化施工小斷面單元結構，然后拆除臨時支撐結構，施作內部梁柱結構，實現多層多跨的大型地下空間結構的新型暗挖施工方法。CC工法具有采用小型標準斷面，機械化施工完成大斷面地下空間結構的特點，在城市地下建筑暗挖施工領域具有顯著優勢，其結構分割轉換原理具有較突出的創新性和研究價值。

為研究該工法在不同分割方式下存在的問題，以及對設計、施工環節的影響，本文基于CC工法的原理，在前人研究的基礎上對不同分割方式在結構及后續施工中的若干問題進行更加深入的分析和研究，旨在進一步豐富CC工法在結構分割方面的研究，完善結構分割的理論，提高CC工法的綜合效益，為地下空間開發提供新的思路、新的解決方案，同時為CC工法的后續研究提供一些參考和依據。

1 2種典型分割形式

地下結構與地上結構相比，在荷載環境、受力特點方面存在著顯著差異。如圖1和圖2所示，地上結構的荷載無論是橫向荷載(如風荷載、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傳入地基，具有由上向下的傳遞路徑；而地下結構則不同，地下結構四周被土體包圍，全部受土體圍壓作用，結構主要是抵抗四周土體荷載以保障內部建筑空間。CC工法就是基于地下結構的受力特點而產生的，其核心原理是對結構進行合理分割，再通過受力轉換，實現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為“化整為零”再“由零到整”。由于小斷面的標準化，可以充分利用全斷面隧道掘進機械，進行暗挖施工，相較傳統工法，可避免對地上交通的影響，減少管線改遷，降低大氣污染，提高機械化裝配化率，真正做到綠色環保和安全高效。

CC工法在具體實踐時，首先要對結構進行合理的分割。結構的分割應滿足建筑空間需求這一基本前提，還應滿足結構受力可靠和施工便捷的要求，并盡可能地使工程造價趨于合理。在此分割原則下，主要有2種分割形式最受設計人員關注： 一是跨中設縫(見圖3)，二是柱頂設縫設縫(見圖4)。跨中設縫是將結構的梁柱安裝在分部頂進的臨時管節的跨中，這樣將來相鄰結構單元連接的節點位于最終結構的跨中，故稱跨中設縫。柱頂設縫是指在結構分割轉化時，將梁柱設置在臨時管節的一側，最終相鄰結構單位的接縫位于梁柱的頂部，故稱為柱頂接縫。分割方式不同會直接影響結構整體力學特點和施工組織設計，本文將對CC工法中上述2種重要分割方式的結構受力、施工特點、經濟性等主要方面進行比較和討論。

圖1地上結構荷載特點
Fig. 1 Characteristics of ground structure

圖2 地下結構荷載特點Fig. 2 Characteristics of underground structure

圖3 跨中設縫Fig. 3 Joint in mid-span

圖4 柱頂設縫Fig. 4 Joint on column top

2 結構受力

跨中設縫和柱頂設縫2種分割形式的不同，造成結構轉換時節點的位置、節點的性質和梁柱的布置不同。這些不同造成了結構受力體系、力的傳遞路徑以及結構計算中構件應力等結構受力特性的不同。

2.1 節點的考慮

在CC工法中，根據位置的不同將節點分為3類，如圖5所示(圖中數字表示隧道頂進順序，下同)。A類節點為臨時結構與外周結構的節點，如預制管節與臨時鋼結構的連接節點；B類節點為外周結構之間的節點，如相鄰管節間預制鋼筋混凝土構件連接節點；C類節點為內部永久結構與外周結構的節點，如管節的預制鋼筋混凝土構件與后施作的永久梁構件的連接節點。上述3類節點因為位置的不同，其處理方式也不同，不同的處理方式將直接影響節點的力學性質和結構計算。

圖5 節點分類Fig. 5 Types of nodes

一般而言，A類節點往往采用螺栓連接。因為單元結構的臨時構件使用鋼構件具有可周轉、易拼裝的優點，且混凝土預制構件預埋螺栓比較容易，故A類節點采用螺栓連接較為合理。通過保證螺栓的數量和連接質量，可以將A類節點處理為剛性節點，作為分部施工的管節結構，也必須保證節點的剛性。B類節點是節點處理的關鍵，它的處理往往比較麻煩，質量也較難把握。柱頂設縫時B類節點和C類節點必須完全剛性處理才能滿足結構穩定的要求。跨中設縫時，在較強的錨固措施和較好的施工質量下，設計時可以將B類節點考慮為剛性節點，但在節點設計措施和施工質量較難保證其剛度時，也可以認為其為半剛性或鉸接節點。值得注意的是，若要精確反映節點性質，判定其為剛接、半剛接還是鉸接，還應參考節點的力學試驗來確定。對于C類節點，按照施工方式比較容易判斷其是剛接還是鉸接。型鋼梁柱拼裝可認為其節點為鉸接點，節點鋼筋可靠連接或錨固并現澆混凝土的則可認為是剛接。

因此，對節點的考慮，重點是對B類節點的考慮。A類節點必須按剛性考慮和設計，C類節點考慮為剛接還是鉸接對結構計算結果影響不大。B類節點可以考慮為剛接、半剛接和鉸接。設計和施工時，對B類節點性質的定義不同，將對結構體系、受力特點產生較大影響。

2.2 結構體系

跨中設縫和柱頂設縫的傳力路徑都是典型的板-梁-柱體系，圍巖荷載經由板傳遞給縱梁，再由縱梁傳遞給柱，傳遞路徑清晰，如圖6和圖7所示。但是，跨中設縫時，對B類節點的不同考慮(剛接、半剛接還是鉸接)，受力是有一定區別的，尤其影響彎矩的傳遞和分布。因此，若節點性質定義不準確，跨中設縫的分割方式在結構受力計算時也較難準確反映結構的真實受力情況。

圖6 跨中設縫時荷載傳遞路徑Fig. 6 Load transfer path of when joint is set in mid-span

圖7 柱頂設縫時荷載傳遞路徑Fig. 7 Load transfer path when joint is set on column top

2.3 受力特點

參考國內首個運用CC工法施工的鄭州中鐵裝備地下車場試驗工程的基本參數，取1延米的6跨結構斷面為算例，結構厚度取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，利用計算軟件SAP 2000分別將跨中設縫時的B類節點按照剛接、半剛接、鉸接考慮，進行受力分析。需要注意的是，柱頂設縫時，B類和C類節點重合且均必須按照剛性節點考慮和設計，否則不是穩定結構。這樣柱頂設縫的結構受力和跨中設縫時B類節點按照剛性考慮是一致的，可以視為一種情況。B類節點分別按剛接、半鋼接、鉸接考慮時，軸力和剪力的差別并不大，較大差異主要表現在彎矩方面，如圖8—10所示。

圖8 節點剛接彎矩圖(跨中設縫)(單位： kN·m)Fig. 8 Bending moment diagram of rigid joint (joint in mid-span) (unit: kN·m)

圖9 節點半剛接彎矩圖(跨中設縫)(單位： kN·m)Fig. 9 Bending moment diagram of semi-rigid joint (joint in mid-span) (unit: kN·m)

圖10 節點鉸接彎矩圖(跨中設縫)(單位： kN·m)Fig. 10 Bending moment diagram of hinge joint (joint in mid-span)(unit: kN·m)

對比3種情況發現，節點為剛性時梁端和支座處彎矩幅值最小，跨中處彎矩最大； 鉸接時梁端和支座處的彎矩幅值最大，跨中處彎矩最小； 節點為半剛性時，梁端、支座和跨中處的彎矩剛好介于剛接和鉸接時的彎矩之間。上述計算結果從性質上符合結構力學規律，從數量上看，在覆土厚度為3 m時，三者的幅值有100 kN·m左右遞變規律。梁端、支座和跨中的彎矩過大對結構和配筋以及后續的施工都是不利的。按剛接、半剛接和鉸接計算時，跨中彎矩逐漸降低，支座負彎矩逐漸增大。跨中彎矩降幅約占剛接時的30%左右，梁端支座增幅約占剛接時的20%左右。從結構設計方面考慮，剛接設計時支座彎矩幅值最小，對結構設計較為有利。對于半剛接，需要注意其折減系數的選取。根據B類節點的具體構造以及試驗結果確定，才能較為真實地反映結構受力情況。

3 施工影響

除了需要對結構進行較為合理的設計外，CC工法還需要特別重視施工環節的設計。跨中設縫和柱頂設縫因為留設接縫的位置不同，導致2種結構方式的施工步序差別較大，且關鍵節點的質量控制難易程度也不同。

3.1 施工步序

跨中設縫的基本工序如圖11—14所示。跨中設縫時，施工的關鍵工序主要有4個環節。首先按照設計順序進行分部頂進。該步驟的結構單元由臨時鋼管片和混凝土管片組成，臨時鋼管片作為臨時的豎向支撐，混凝土管片是永久結構的一部分。頂進完成后，在組合結構的支護下，利用已有的洞室空間進行永久結構的施工。永久結構完成后，拆除臨時鋼管片，實現受力結構的轉換。最后進行內部裝飾、地平鋪裝等工作。

柱頂設縫的基本工序如圖15—19所示。柱頂設縫時，施工的關鍵工序主要有5個環節。首先按照設計順序進行分部頂進。頂進完成后，在跨中設置臨時支撐，并拆除鋼管片，處理頂底板接縫。隨后進行內部梁柱結構的施工。內部永久結構完成后，拆除臨時支撐。最后進行內部裝飾、地平鋪裝等工作。

圖11工序1：按順序分部頂進施工(跨中設縫)
Fig. 11 Step 1: Jacking by part (joint in mid-span)

圖12 工序2： 永久結構施工(跨中設縫)Fig. 12 Step 2: Permanent construction (joint in mid-span)

圖13 工序3： 鋼管片拆除(跨中設縫)Fig. 13 Step 3: Steel segment demolition (joint in mid-span)

圖14 工序4： 完成鋪裝、裝飾(跨中設縫)Fig. 14 Step 4: Scaffold remove (joint in mid-span)

圖15 工序1 ： 按順序分部頂進施工(柱頂設縫)Fig. 15 Step 1: Jacking in sequence (joint on column top)

圖16 工序2： 架設臨時支撐，拆除鋼管片，接縫處理(柱頂設縫)Fig. 16 Step 2: Scaffold, steel segment demolition and joint construction (joint on column top)

圖17 工序3： 永久結構施工(柱頂設縫)Fig. 17 Step 3: Permanent construction (joint on column top)

圖18 工序4： 拆除臨時支撐(柱頂設縫)Fig. 18 Step 4: Scaffold remove (joint on column top)

圖19 工序5： 完成鋪裝、裝飾(柱頂設縫)Fig. 19 Step 5: Pavement and decoration (joint on column top)

通過對比發現，2種分割方式施工步序最顯著的差別是柱頂設縫需要增加一次臨時支撐。從結構受力轉換角度分析，跨中設縫的鋼管片兼具臨時支撐作用，整個結構體系只有一次受力轉換，而柱頂設縫需要進行2次受力轉換。柱頂設縫整體結構的工況較多，接縫處理比跨中設縫更復雜，增加了受力轉換的次數和難度，這對結構是不利的，且會因此增加額外的工程措施費用。

3.2 節點施工

無論是柱頂設縫還是跨中設縫，節點的施工都是CC工法不可回避的技術難點。相對而言，柱頂設縫處理起來更為困難。首先，設計上要保證B類節點具備剛性節點的構造措施； 然后，在施工上還要保證其質量，但因為柱頂設縫時，施工空間會因為臨時支撐的內部架設而進一步縮小，且柱頂設縫因為梁柱板均在同一部位，造成B類和C類節點重合，其受力更為復雜，施工處理起來更為復雜，所以B類節點的施工質量是難以保證的。跨中設縫時，僅B類節點的施工存在一定困難，但其施工空間和施工質量是可以保障的。需要特別指出的是，柱頂設縫的防水處理、質量補救都存在問題。如若出現防水、施工質量等缺陷，跨中設縫易于處理，而柱頂設縫則較難采取措施處理。

總之，節點如何設計和施工才能保證工程結構的可靠性和耐久性，是CC工法目前仍需要系統和深入研究的課題。

3.3 經濟性評價

從經濟上評價2種分割方式，柱頂設縫的劣勢較為顯著。首先，柱頂設縫因為需要多進行一次受力轉換，增加了臨時支撐的這一項措施費。其次，柱頂設縫時，頂進工況下組合管節的鋼管片部分僅僅起到了頂進施工時的支護作用，而跨中設縫除了頂進工況起到臨時結構作用外，在受力轉換時也起到了臨時支撐的作用。相較柱頂設縫，跨中設縫時，CC工法施工對鋼管片的利用更充分。跨中設縫在不增加模數的情況下，調整內部梁柱的位置可以較靈活地實現多跨地下建筑的空間布局，滿足不同功能需求； 柱頂設縫則需要依據建筑設計，增加斷面尺寸種類，從而增加相應全斷面設備數量，這也勢必會大幅增加工程成本。

4 結論與討論

1)跨中設縫和柱頂設縫的結構受力體系均為板梁柱體系。跨中設縫B類節點的性質難以準確把握時，其結構受力計算結果較難真實反映結構實際情況。

2)當B類節點分別按照剛接、半剛接、鉸接考慮時，跨中彎矩逐漸減小，支座處彎矩逐漸增大。按剛接設計時，彎矩幅值最小，結構受力相對有利。

3)相比跨中設縫，柱頂設縫在施工時，其工序復雜、質量難以保證，結構受力體系需2次轉換，對結構和施工安全影響較大。

4)柱頂設縫因為B類和C類節點在位置上重合，設計、施工問題較多，質量較難保證，后續問題較多，較難處理。

5)考慮施工措施和斷面選取，跨中設縫具有較好的經濟優勢。

6)本文主要從設計、施工2個方面對CC工法柱頂設縫和跨中設縫的2種方式進行探討和研究，對比了2種方式在結構受力、施工步驟等諸多方面的特點和優劣，為CC工法的分割方式的選擇以及方案設計提供了參考和依據。但本文研究尚有不足，針對CC工法節點設計仍需進一步深入研究。