地下空间预制装配式结构研究现状综述

　　摘要:地下工程中存在的施工复杂、周期长以及经济性有待提升等问题一定程度阻碍了地下空间的蓬勃发展，而预制装配式结构在地下空间领域的应用对地下工程的建设已产生深远影响，为解决这一问题提供了新思路和方法.本文对国内外基坑和地下管廊的预制装配式结构的研究现状进行归纳总结.结果表明，现有的成果中装配式预应力鱼腹梁基坑支护体系具有一定优势，但仍缺乏对复杂工程适用性的验证;新型基坑支护结构填补了部分特殊条件工程应用的空白;对于装配式综合管廊计算模型单一的问题，值得进一步完善，同时缺乏用于分析管廊结构抗震响应，且能够准确表征材料破坏特性的复杂本构模型.

　　关键词:地下空间;装配式结构;预应力;基坑工程;地下综合管廊;抗震;综述

　　现代社会的不断进步推动着中国和世界经济继续保持快速的发展，建筑产业对产品的需求量也必将不断増长，导致大量的能源被消耗且环境遭到严重破环.采用绿色环保、可回收的材料，实现建筑工业化能够有效地解决这一问题.装配式结构作为建筑工业化的一大亮点得到大力发展.

　　20世纪初，装配式结构已被大量应用于工业厂房、房屋建筑和公路桥梁等工程，如:预制装配式框架体系、预制楼板和墙板等.而对于地下空间领域，预制装配式结构发展相对缓慢.近年来人口膨胀，用地供给紧张，道路交通拥堵，基础设施老旧，严重影响了城市的发展和规划，针对如此严峻的形势，地下空间的开发利用能够有效地解决前述问题[1-2].

　　因此迎来了地下空间开发的热潮.同时由于地下工程施工复杂，周期较长，经济性有待提升，而装配式技术的发展能够缩短工期并提高工程质量，带来相当明显的经济和技术效益.在施工方面，一定程度消除了现场浇筑混凝土的诸多弊病，提高了施工的技术水平，为施工的标准化、模式化提供了条件.同时施工环境的改善，降低了对周围环境的影响，符合现代绿色环保的要求[3-4].因此，地下空间领域开展预制装配式结构的研究极为重要且必要.预制装配式结构在地下空间领域的应用，主要体现在基坑工程和城市地下综合管廊等方面.

　　对于大跨度深基坑工程，装配式结构作为临时支撑体系，满足基坑支护施工快捷方便、工期短的要求，具备宽阔的开放施工空间[5].同时预应力技术的应用解决了传统支护结构承载力和刚度有限的弱点.目前，应用于实际工程中的装配式结构包括，装配式预应力鱼腹梁钢结构、十字形和圆形装配式基坑支护结构以及装配式可回收土钉等[6-8].对于预制装配式综合管廊，其不同于传统现浇式管廊，工厂预制并现场快速拼装，有效地缩短施工周期，降低了工程造价和对周围环境的影响.针对预制管片接头刚度相比于现浇管片相对薄弱以及预制装配式管廊抗震薄弱等问题，国内外学者开展了大量的研究工作[9].

　　1装配式结构基坑工程中的应用

　　1.1装配式预应力鱼腹梁基坑支护结构

　　装配式预应力鱼腹梁钢结构简称IPS工法(InnovativePrestressedSupportSystem)，是应用预应力原理开发出的一种新型基坑支护结构[10].该技术是采用下弦为钢绞线的鱼腹梁形成大刚度的围檩梁，利用组合式对撑和角撑形成完整的支撑体系.同时通过对结构预应力和基坑变形进行自动监测，搭建智能预警系统，形成了一套能够有效控制基坑水平位移的设计与施工技术.

　　目前对于IPS工法的研究主要体现在该支撑体系的工作机理、受力变形特征和破坏形式，探讨了该支护对基坑变形的控制效果，建立了基本的基坑安全性评价体系.研究表明，该工法相比于传统支护体系安全度提升30%以上，建议施工过程中应预先准备总钢绞线数量的10%，作为安全储备[7].郭亮等[10]从预应力、变形以及刚度控制等方面解析了IPS支撑体系的工作机理，分析发现施加预应力能够提高IPS结构的表观刚度.

　　同时基于现场实测数据，发现预应力能够在基坑开挖前充分激发被动土压力，大幅度限制向内位移，同时支撑体系的反作用克服了传统内支撑应力集中的缺陷.刘成[11]建立了多层次模糊综合指标评价模型对基坑的风险进行评估，发现风险等级为三级即偶尔发生，而且结构弯矩的较大值出现在对撑、角撑、三角钢域交点和围檩的连接处.结合现有研究成果，发现IPS围护体系目前未见应用于深大基坑工程，对于复杂工程的适用性、设计和施工变形控制标准有待进一步研究.其中包括IPS结构体系各部件受力特征和破坏形式，配合围护桩共同受力的机理，鱼腹梁-围护桩-土体相互作用机理以及基于监测结构受力和基坑变形数据的动态反馈体系等内容还需进一步扩充和完善.同时针对深大基坑采用IPS体系进行支护的风险分析及防范措施缺乏完整详尽的评估体系.

　　1.2新型装配式基坑支护结构

　　根据不同地质条件和施工工况，近些年出现了多种新型装配式基坑支护结构，如十字形、圆形装配式基坑支护结构以及装配式可回收土钉等.

　　1.2.1十字形装配式基坑支护结构

　　借鉴边坡支护工程常见的格构式锚固支护体系，十字形装配式支护结构应用在基坑工程，该结构通过连接装置将多个预制的十字形格构单元进行拼装，并采用预应力锚索将格构单元作用于基坑土体.

　　通过现场试验发现基底土反力随着锚索张拉应力的增加而增加，且呈现沿肋梁两端并向锚索段增大的趋势，最大土反力值为最小值的1.05～1.17倍.而在基坑开挖过程中，坡顶水平和竖向位移分别为18.6mm和23.1mm，在规范要求范围内，表明十字形格构式支护结构在基坑工程中具有一定的可行性[6].

　　1.2.2圆形装配式基坑支护结构

　　对于市政工程中小型环形断面竖井，刘洋洋[12]提出了一种采用圆形支护的装配式钢结构支护体系，能够充分地发挥结构的抗压性能，施工灵活性较大.该结构由支护单元、环向和竖向连接等3种钢构件组成.通过建模分析，发现对于砂土地层，随着单次开挖深度的增加，基坑的最大开挖深度在减小，同时建议应着重注意坑脚的变形，以保证基坑安全性.

　　1.2.3装配式可回收土钉

　　由于传统土钉墙中注浆锚固体与土体之间的界面黏聚力和摩擦力相对薄弱，且基坑回填后无法回收，对后续地下空间开发产生影响.李连祥等[8]设计了一种装配可回收基坑土钉，其不需要注浆，直接采用机械旋入的方式进入土体，回收过程中反向旋转卸下.通过数值分析发现土钉的极限抗拔承载力由钉土极限摩阻力和绕丝端承载力构成.在受力过程中，靠近开挖面的首先达到屈服，屈服面逐渐向土体内扩展.当钉土接触面达到极限受力状态，靠近坡面土体发生剪切破坏，内侧钉-土界面逐渐发生剪切破坏，同时给出了可回收土钉的承载力计算公式.

　　2预制装配式综合管廊

　　2.1综合管廊发展和应用

　　最早1833年，综合管廊起源于法国巴黎，当时为了解决不断增长的市政管线需求与原有老旧的城市基础设施之间的矛盾，将供水管、煤气管和通讯线缆等市政管线安置在既有的以排水为主的廊道中，形成了早期的共同沟，被认为是最早的地下综合管廊的形式.随后，众多国家相继效仿巴黎综合管廊的建设.国内综合管廊的修建最早可追溯到1958年，北京天安门广场地下修建了长约1000米的共同沟，由于各种原因，导致在随后的30年来未被得到重视.直到1994年上海张杨路建成总长为11.12km的地下综合管廊.随后，许多城市开始进行大规模的管廊规划和修建.本文列出部分国家和国内城市修建地下综合管廊的发展进程[13]。

　　2.2综合管廊预制拼接技术

　　针对传统现浇技术存在的诸多问题，装配式综合管廊的施工技术得到了发展，包括半预制技术、预制节段拼装技术、分块预制拼装技术以及叠合整体式预制拼装技术等。

　　2.3装配式综合管廊计算模型

　　由于预制管廊的受力形式和盾构管片相似，其计算模型参考盾构管片已有成果，目前计算模型主要有5种，分别为:惯用法、修正惯用法、梁-弹簧模型、梁-接头模型和弹簧铰闭合框架模型[15-16]。为弱化边界效应对管廊抗震分析的影响，蒋录珍等[32]采用ABAQUS软件，通过定义约束方程模拟层状剪切砂箱的边界效应，结果表明有限元加速度2范数偏差在35%以内，而且距离边界较远点偏差更小，说明约束方程对模型的边界效应控制良好.

　　施有志等[33]采用PLAXIS软件对采用固定边界、黏性边界和自由场等3种人工边界条件的管廊地震动力响应进行建模分析，结果表明黏性边界限制模型内部土体水平位移，响应值偏小，自由边界不产生该限制作用，适合底部加速度时程引起的动力分析，而将激励侧选用固定边界，另一侧为黏性边界的动力分析具有较好的收敛性.结合目前对于管廊抗震的研究成果，可以发现模型试验作为较为准确地分析方法，对边界效应优化能够提高结果的准确度.数值分析过程中往往将地震动分成水平和竖向分开考虑，同时常用的线弹性本构不能准确地表达材料的破坏过程，需要进一步的研究.

　　3结论和展望

　　本文以地下空间领域预制装配式结构应用和研究为背景，分别对基坑工程和地下综合管廊中预制装配式结构进行分类归纳总结分析，其中包含IPS鱼腹式基坑支护结构、新型基坑支护结构、综合管廊发展和应用以及预制管廊抗震和接头受力性能等内容.简要概括了各预制装配式结构的构造、作用机理以及设计方法，重点对基坑各围护结构从结构受力机理和基坑位移控制进行分析，对预制管廊设计中薄弱接头的抗弯性能、管廊计算模型、抗震性能以及动力响应机制等内容进行系统地总结.已有研究仍然存在不足之处，需要进一步的研究包括:

　　(1)IPS支撑体系未见应用于深大基坑工程，对于复杂工程的适用性和设计、施工变形控制标准有待研究，基于监测结构受力及基坑变形数据的动态反馈体系还需完善，同时对于深大基坑的风险分析及防范措施缺乏完整的评估体系;(2)目前装配式管廊的结构设计较多参考盾构管片的设计方法和理念，仅针对管廊的计算模型唯有弹簧铰闭合框架模型，但该模型的适用性和准确性还有待验证，应用广泛且具有普适性的计算模型亟需提出;(3)在分析管廊地震作用响应时，材料本构模型往往为简单的弹性模型，虽然计算较易实现，但对于土体、混凝土等复杂的材料的破坏过程难以表征，能够详细体现材料特性且易于求解的本构模型有待进一步研究.

　　参考文献

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　　作者：张超哲，刘松玉