摘要:地下工程中存在的施工復(fù)雜、周期長以及經(jīng)濟性有待提升等問題一定程度阻礙了地下空間的蓬勃發(fā)展，而預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在地下空間領(lǐng)域的應(yīng)用對地下工程的建設(shè)已產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，為解決這一問題提供了新思路和方法.本文對國內(nèi)外基坑和地下管廊的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進行歸納總結(jié).結(jié)果表明，現(xiàn)有的成果中裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁基坑支護體系具有一定優(yōu)勢，但仍缺乏對復(fù)雜工程適用性的驗證;新型基坑支護結(jié)構(gòu)填補了部分特殊條件工程應(yīng)用的空白;對于裝配式綜合管廊計算模型單一的問題，值得進一步完善，同時缺乏用于分析管廊結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)，且能夠準(zhǔn)確表征材料破壞特性的復(fù)雜本構(gòu)模型.

　　關(guān)鍵詞:地下空間;裝配式結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力;基坑工程;地下綜合管廊;抗震;綜述

　　現(xiàn)代社會的不斷進步推動著中國和世界經(jīng)濟繼續(xù)保持快速的發(fā)展，建筑產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)品的需求量也必將不斷増長，導(dǎo)致大量的能源被消耗且環(huán)境遭到嚴(yán)重破環(huán).采用綠色環(huán)保、可回收的材料，實現(xiàn)建筑工業(yè)化能夠有效地解決這一問題.裝配式結(jié)構(gòu)作為建筑工業(yè)化的一大亮點得到大力發(fā)展.

　　20世紀(jì)初，裝配式結(jié)構(gòu)已被大量應(yīng)用于工業(yè)廠房、房屋建筑和公路橋梁等工程，如:預(yù)制裝配式框架體系、預(yù)制樓板和墻板等.而對于地下空間領(lǐng)域，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展相對緩慢.近年來人口膨脹，用地供給緊張，道路交通擁堵，基礎(chǔ)設(shè)施老舊，嚴(yán)重影響了城市的發(fā)展和規(guī)劃，針對如此嚴(yán)峻的形勢，地下空間的開發(fā)利用能夠有效地解決前述問題[1-2].

　　因此迎來了地下空間開發(fā)的熱潮.同時由于地下工程施工復(fù)雜，周期較長，經(jīng)濟性有待提升，而裝配式技術(shù)的發(fā)展能夠縮短工期并提高工程質(zhì)量，帶來相當(dāng)明顯的經(jīng)濟和技術(shù)效益.在施工方面，一定程度消除了現(xiàn)場澆筑混凝土的諸多弊病，提高了施工的技術(shù)水平，為施工的標(biāo)準(zhǔn)化、模式化提供了條件.同時施工環(huán)境的改善，降低了對周圍環(huán)境的影響，符合現(xiàn)代綠色環(huán)保的要求[3-4].因此，地下空間領(lǐng)域開展預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的研究極為重要且必要.預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在地下空間領(lǐng)域的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在基坑工程和城市地下綜合管廊等方面.

　　對于大跨度深基坑工程，裝配式結(jié)構(gòu)作為臨時支撐體系，滿足基坑支護施工快捷方便、工期短的要求，具備寬闊的開放施工空間[5].同時預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)承載力和剛度有限的弱點.目前，應(yīng)用于實際工程中的裝配式結(jié)構(gòu)包括，裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)、十字形和圓形裝配式基坑支護結(jié)構(gòu)以及裝配式可回收土釘?shù)萚6-8].對于預(yù)制裝配式綜合管廊，其不同于傳統(tǒng)現(xiàn)澆式管廊，工廠預(yù)制并現(xiàn)場快速拼裝，有效地縮短施工周期，降低了工程造價和對周圍環(huán)境的影響.針對預(yù)制管片接頭剛度相比于現(xiàn)澆管片相對薄弱以及預(yù)制裝配式管廊抗震薄弱等問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作[9].

　　1裝配式結(jié)構(gòu)基坑工程中的應(yīng)用

　　1.1裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁基坑支護結(jié)構(gòu)

　　裝配式預(yù)應(yīng)力魚腹梁鋼結(jié)構(gòu)簡稱IPS工法(InnovativePrestressedSupportSystem)，是應(yīng)用預(yù)應(yīng)力原理開發(fā)出的一種新型基坑支護結(jié)構(gòu)[10].該技術(shù)是采用下弦為鋼絞線的魚腹梁形成大剛度的圍檁梁，利用組合式對撐和角撐形成完整的支撐體系.同時通過對結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力和基坑變形進行自動監(jiān)測，搭建智能預(yù)警系統(tǒng)，形成了一套能夠有效控制基坑水平位移的設(shè)計與施工技術(shù).

　　目前對于IPS工法的研究主要體現(xiàn)在該支撐體系的工作機理、受力變形特征和破壞形式，探討了該支護對基坑變形的控制效果，建立了基本的基坑安全性評價體系.研究表明，該工法相比于傳統(tǒng)支護體系安全度提升30%以上，建議施工過程中應(yīng)預(yù)先準(zhǔn)備總鋼絞線數(shù)量的10%，作為安全儲備[7].郭亮等[10]從預(yù)應(yīng)力、變形以及剛度控制等方面解析了IPS支撐體系的工作機理，分析發(fā)現(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力能夠提高IPS結(jié)構(gòu)的表觀剛度.

　　同時基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力能夠在基坑開挖前充分激發(fā)被動土壓力，大幅度限制向內(nèi)位移，同時支撐體系的反作用克服了傳統(tǒng)內(nèi)支撐應(yīng)力集中的缺陷.劉成[11]建立了多層次模糊綜合指標(biāo)評價模型對基坑的風(fēng)險進行評估，發(fā)現(xiàn)風(fēng)險等級為三級即偶爾發(fā)生，而且結(jié)構(gòu)彎矩的較大值出現(xiàn)在對撐、角撐、三角鋼域交點和圍檁的連接處.結(jié)合現(xiàn)有研究成果，發(fā)現(xiàn)IPS圍護體系目前未見應(yīng)用于深大基坑工程，對于復(fù)雜工程的適用性、設(shè)計和施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)有待進一步研究.其中包括IPS結(jié)構(gòu)體系各部件受力特征和破壞形式，配合圍護樁共同受力的機理，魚腹梁-圍護樁-土體相互作用機理以及基于監(jiān)測結(jié)構(gòu)受力和基坑變形數(shù)據(jù)的動態(tài)反饋體系等內(nèi)容還需進一步擴充和完善.同時針對深大基坑采用IPS體系進行支護的風(fēng)險分析及防范措施缺乏完整詳盡的評估體系.

　　1.2新型裝配式基坑支護結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)不同地質(zhì)條件和施工工況，近些年出現(xiàn)了多種新型裝配式基坑支護結(jié)構(gòu)，如十字形、圓形裝配式基坑支護結(jié)構(gòu)以及裝配式可回收土釘?shù)?

　　1.2.1十字形裝配式基坑支護結(jié)構(gòu)

　　借鑒邊坡支護工程常見的格構(gòu)式錨固支護體系，十字形裝配式支護結(jié)構(gòu)應(yīng)用在基坑工程，該結(jié)構(gòu)通過連接裝置將多個預(yù)制的十字形格構(gòu)單元進行拼裝，并采用預(yù)應(yīng)力錨索將格構(gòu)單元作用于基坑土體.

　　通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)基底土反力隨著錨索張拉應(yīng)力的增加而增加，且呈現(xiàn)沿肋梁兩端并向錨索段增大的趨勢，最大土反力值為最小值的1.05～1.17倍.而在基坑開挖過程中，坡頂水平和豎向位移分別為18.6mm和23.1mm，在規(guī)范要求范圍內(nèi)，表明十字形格構(gòu)式支護結(jié)構(gòu)在基坑工程中具有一定的可行性[6].

　　1.2.2圓形裝配式基坑支護結(jié)構(gòu)

　　對于市政工程中小型環(huán)形斷面豎井，劉洋洋[12]提出了一種采用圓形支護的裝配式鋼結(jié)構(gòu)支護體系，能夠充分地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的抗壓性能，施工靈活性較大.該結(jié)構(gòu)由支護單元、環(huán)向和豎向連接等3種鋼構(gòu)件組成.通過建模分析，發(fā)現(xiàn)對于砂土地層，隨著單次開挖深度的增加，基坑的最大開挖深度在減小，同時建議應(yīng)著重注意坑腳的變形，以保證基坑安全性.

　　1.2.3裝配式可回收土釘

　　由于傳統(tǒng)土釘墻中注漿錨固體與土體之間的界面黏聚力和摩擦力相對薄弱，且基坑回填后無法回收，對后續(xù)地下空間開發(fā)產(chǎn)生影響.李連祥等[8]設(shè)計了一種裝配可回收基坑土釘，其不需要注漿，直接采用機械旋入的方式進入土體，回收過程中反向旋轉(zhuǎn)卸下.通過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)土釘?shù)臉O限抗拔承載力由釘土極限摩阻力和繞絲端承載力構(gòu)成.在受力過程中，靠近開挖面的首先達(dá)到屈服，屈服面逐漸向土體內(nèi)擴展.當(dāng)釘土接觸面達(dá)到極限受力狀態(tài)，靠近坡面土體發(fā)生剪切破壞，內(nèi)側(cè)釘-土界面逐漸發(fā)生剪切破壞，同時給出了可回收土釘?shù)某休d力計算公式.

　　2預(yù)制裝配式綜合管廊

　　2.1綜合管廊發(fā)展和應(yīng)用

　　最早1833年，綜合管廊起源于法國巴黎，當(dāng)時為了解決不斷增長的市政管線需求與原有老舊的城市基礎(chǔ)設(shè)施之間的矛盾，將供水管、煤氣管和通訊線纜等市政管線安置在既有的以排水為主的廊道中，形成了早期的共同溝，被認(rèn)為是最早的地下綜合管廊的形式.隨后，眾多國家相繼效仿巴黎綜合管廊的建設(shè).國內(nèi)綜合管廊的修建最早可追溯到1958年，北京天安門廣場地下修建了長約1000米的共同溝，由于各種原因，導(dǎo)致在隨后的30年來未被得到重視.直到1994年上海張楊路建成總長為11.12km的地下綜合管廊.隨后，許多城市開始進行大規(guī)模的管廊規(guī)劃和修建.本文列出部分國家和國內(nèi)城市修建地下綜合管廊的發(fā)展進程[13]。

　　2.2綜合管廊預(yù)制拼接技術(shù)

　　針對傳統(tǒng)現(xiàn)澆技術(shù)存在的諸多問題，裝配式綜合管廊的施工技術(shù)得到了發(fā)展，包括半預(yù)制技術(shù)、預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)、分塊預(yù)制拼裝技術(shù)以及疊合整體式預(yù)制拼裝技術(shù)等。

　　2.3裝配式綜合管廊計算模型

　　由于預(yù)制管廊的受力形式和盾構(gòu)管片相似，其計算模型參考盾構(gòu)管片已有成果，目前計算模型主要有5種，分別為:慣用法、修正慣用法、梁-彈簧模型、梁-接頭模型和彈簧鉸閉合框架模型[15-16]。為弱化邊界效應(yīng)對管廊抗震分析的影響，蔣錄珍等[32]采用ABAQUS軟件，通過定義約束方程模擬層狀剪切砂箱的邊界效應(yīng)，結(jié)果表明有限元加速度2范數(shù)偏差在35%以內(nèi)，而且距離邊界較遠(yuǎn)點偏差更小，說明約束方程對模型的邊界效應(yīng)控制良好.

　　施有志等[33]采用PLAXIS軟件對采用固定邊界、黏性邊界和自由場等3種人工邊界條件的管廊地震動力響應(yīng)進行建模分析，結(jié)果表明黏性邊界限制模型內(nèi)部土體水平位移，響應(yīng)值偏小，自由邊界不產(chǎn)生該限制作用，適合底部加速度時程引起的動力分析，而將激勵側(cè)選用固定邊界，另一側(cè)為黏性邊界的動力分析具有較好的收斂性.結(jié)合目前對于管廊抗震的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)模型試驗作為較為準(zhǔn)確地分析方法，對邊界效應(yīng)優(yōu)化能夠提高結(jié)果的準(zhǔn)確度.數(shù)值分析過程中往往將地震動分成水平和豎向分開考慮，同時常用的線彈性本構(gòu)不能準(zhǔn)確地表達(dá)材料的破壞過程，需要進一步的研究.

　　3結(jié)論和展望

　　本文以地下空間領(lǐng)域預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)用和研究為背景，分別對基坑工程和地下綜合管廊中預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)進行分類歸納總結(jié)分析，其中包含IPS魚腹式基坑支護結(jié)構(gòu)、新型基坑支護結(jié)構(gòu)、綜合管廊發(fā)展和應(yīng)用以及預(yù)制管廊抗震和接頭受力性能等內(nèi)容.簡要概括了各預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、作用機理以及設(shè)計方法，重點對基坑各圍護結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)受力機理和基坑位移控制進行分析，對預(yù)制管廊設(shè)計中薄弱接頭的抗彎性能、管廊計算模型、抗震性能以及動力響應(yīng)機制等內(nèi)容進行系統(tǒng)地總結(jié).已有研究仍然存在不足之處，需要進一步的研究包括:

　　(1)IPS支撐體系未見應(yīng)用于深大基坑工程，對于復(fù)雜工程的適用性和設(shè)計、施工變形控制標(biāo)準(zhǔn)有待研究，基于監(jiān)測結(jié)構(gòu)受力及基坑變形數(shù)據(jù)的動態(tài)反饋體系還需完善，同時對于深大基坑的風(fēng)險分析及防范措施缺乏完整的評估體系;(2)目前裝配式管廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計較多參考盾構(gòu)管片的設(shè)計方法和理念，僅針對管廊的計算模型唯有彈簧鉸閉合框架模型，但該模型的適用性和準(zhǔn)確性還有待驗證，應(yīng)用廣泛且具有普適性的計算模型亟需提出;(3)在分析管廊地震作用響應(yīng)時，材料本構(gòu)模型往往為簡單的彈性模型，雖然計算較易實現(xiàn)，但對于土體、混凝土等復(fù)雜的材料的破壞過程難以表征，能夠詳細(xì)體現(xiàn)材料特性且易于求解的本構(gòu)模型有待進一步研究.

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　　作者：張超哲，劉松玉