摘要:地下工程中存在的施工復雜、周期長以及經濟性有待提升等問題一定程度阻礙了地下空間的蓬勃發展，而預制裝配式結構在地下空間領域的應用對地下工程的建設已產生深遠影響，為解決這一問題提供了新思路和方法.本文對國內外基坑和地下管廊的預制裝配式結構的研究現狀進行歸納總結.結果表明，現有的成果中裝配式預應力魚腹梁基坑支護體系具有一定優勢，但仍缺乏對復雜工程適用性的驗證;新型基坑支護結構填補了部分特殊條件工程應用的空白;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構抗震響應，且能夠準確表征材料破壞特性的復雜本構模型.

　　關鍵詞:地下空間;裝配式結構;預應力;基坑工程;地下綜合管廊;抗震;綜述

　　現代社會的不斷進步推動著中國和世界經濟繼續保持快速的發展，建筑產業對產品的需求量也必將不斷増長，導致大量的能源被消耗且環境遭到嚴重破環.采用綠色環保、可回收的材料，實現建筑工業化能夠有效地解決這一問題.裝配式結構作為建筑工業化的一大亮點得到大力發展.

　　20世紀初，裝配式結構已被大量應用于工業廠房、房屋建筑和公路橋梁等工程，如:預制裝配式框架體系、預制樓板和墻板等.而對于地下空間領域，預制裝配式結構發展相對緩慢.近年來人口膨脹，用地供給緊張，道路交通擁堵，基礎設施老舊，嚴重影響了城市的發展和規劃，針對如此嚴峻的形勢，地下空間的開發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的熱潮.同時由于地下工程施工復雜，周期較長，經濟性有待提升，而裝配式技術的發展能夠縮短工期并提高工程質量，帶來相當明顯的經濟和技術效益.在施工方面，一定程度消除了現場澆筑混凝土的諸多弊病，提高了施工的技術水平，為施工的標準化、模式化提供了條件.同時施工環境的改善，降低了對周圍環境的影響，符合現代綠色環保的要求[3-4].因此，地下空間領域開展預制裝配式結構的研究極為重要且必要.預制裝配式結構在地下空間領域的應用，主要體現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，裝配式結構作為臨時支撐體系，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].同時預應力技術的應用解決了傳統支護結構承載力和剛度有限的弱點.目前，應用于實際工程中的裝配式結構包括，裝配式預應力魚腹梁鋼結構、十字形和圓形裝配式基坑支護結構以及裝配式可回收土釘等[6-8].對于預制裝配式綜合管廊，其不同于傳統現澆式管廊，工廠預制并現場快速拼裝，有效地縮短施工周期，降低了工程造價和對周圍環境的影響.針對預制管片接頭剛度相比于現澆管片相對薄弱以及預制裝配式管廊抗震薄弱等問題，國內外學者開展了大量的研究工作[9].

　　1裝配式結構基坑工程中的應用

　　1.1裝配式預應力魚腹梁基坑支護結構

　　裝配式預應力魚腹梁鋼結構簡稱IPS工法(InnovativePrestressedSupportSystem)，是應用預應力原理開發出的一種新型基坑支護結構[10].該技術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.同時通過對結構預應力和基坑變形進行自動監測，搭建智能預警系統，形成了一套能夠有效控制基坑水平位移的設計與施工技術.

　　目前對于IPS工法的研究主要體現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，該工法相比于傳統支護體系安全度提升30%以上，建議施工過程中應預先準備總鋼絞線數量的10%，作為安全儲備[7].郭亮等[10]從預應力、變形以及剛度控制等方面解析了IPS支撐體系的工作機理，分析發現施加預應力能夠提高IPS結構的表觀剛度.

　　同時基于現場實測數據，發現預應力能夠在基坑開挖前充分激發被動土壓力，大幅度限制向內位移，同時支撐體系的反作用克服了傳統內支撐應力集中的缺陷.劉成[11]建立了多層次模糊綜合指標評價模型對基坑的風險進行評估，發現風險等級為三級即偶爾發生，而且結構彎矩的較大值出現在對撐、角撐、三角鋼域交點和圍檁的連接處.結合現有研究成果，發現IPS圍護體系目前未見應用于深大基坑工程，對于復雜工程的適用性、設計和施工變形控制標準有待進一步研究.其中包括IPS結構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測結構受力和基坑變形數據的動態反饋體系等內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構

　　根據不同地質條件和施工工況，近些年出現了多種新型裝配式基坑支護結構，如十字形、圓形裝配式基坑支護結構以及裝配式可回收土釘等.

　　1.2.1十字形裝配式基坑支護結構

　　借鑒邊坡支護工程常見的格構式錨固支護體系，十字形裝配式支護結構應用在基坑工程，該結構通過連接裝置將多個預制的十字形格構單元進行拼裝，并采用預應力錨索將格構單元作用于基坑土體.

　　通過現場試驗發現基底土反力隨著錨索張拉應力的增加而增加，且呈現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，在規范要求范圍內，表明十字形格構式支護結構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構

　　對于市政工程中小型環形斷面豎井，劉洋洋[12]提出了一種采用圓形支護的裝配式鋼結構支護體系，能夠充分地發揮結構的抗壓性能，施工靈活性較大.該結構由支護單元、環向和豎向連接等3種鋼構件組成.通過建模分析，發現對于砂土地層，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，對后續地下空間開發產生影響.李連祥等[8]設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卸下.通過數值分析發現土釘的極限抗拔承載力由釘土極限摩阻力和繞絲端承載力構成.在受力過程中，靠近開挖面的首先達到屈服，屈服面逐漸向土體內擴展.當釘土接觸面達到極限受力狀態，靠近坡面土體發生剪切破壞，內側釘-土界面逐漸發生剪切破壞，同時給出了可回收土釘的承載力計算公式.

　　2預制裝配式綜合管廊

　　2.1綜合管廊發展和應用

　　最早1833年，綜合管廊起源于法國巴黎，當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設施之間的矛盾，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.國內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模的管廊規劃和修建.本文列出部分國家和國內城市修建地下綜合管廊的發展進程[13]。

　　2.2綜合管廊預制拼接技術

　　針對傳統現澆技術存在的諸多問題，裝配式綜合管廊的施工技術得到了發展，包括半預制技術、預制節段拼裝技術、分塊預制拼裝技術以及疊合整體式預制拼裝技術等。

　　2.3裝配式綜合管廊計算模型

　　由于預制管廊的受力形式和盾構管片相似，其計算模型參考盾構管片已有成果，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，結果表明有限元加速度2范數偏差在35%以內，而且距離邊界較遠點偏差更小，說明約束方程對模型的邊界效應控制良好.

　　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進行建模分析，結果表明黏性邊界限制模型內部土體水平位移，響應值偏小，自由邊界不產生該限制作用，適合底部加速度時程引起的動力分析，而將激勵側選用固定邊界，另一側為黏性邊界的動力分析具有較好的收斂性.結合目前對于管廊抗震的研究成果，可以發現模型試驗作為較為準確地分析方法，對邊界效應優化能夠提高結果的準確度.數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不能準確地表達材料的破壞過程，需要進一步的研究.

　　3結論和展望

　　本文以地下空間領域預制裝配式結構應用和研究為背景，分別對基坑工程和地下綜合管廊中預制裝配式結構進行分類歸納總結分析，其中包含IPS魚腹式基坑支護結構、新型基坑支護結構、綜合管廊發展和應用以及預制管廊抗震和接頭受力性能等內容.簡要概括了各預制裝配式結構的構造、作用機理以及設計方法，重點對基坑各圍護結構從結構受力機理和基坑位移控制進行分析，對預制管廊設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機制等內容進行系統地總結.已有研究仍然存在不足之處，需要進一步的研究包括:

　　(1)IPS支撐體系未見應用于深大基坑工程，對于復雜工程的適用性和設計、施工變形控制標準有待研究，基于監測結構受力及基坑變形數據的動態反饋體系還需完善，同時對于深大基坑的風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構設計較多參考盾構管片的設計方法和理念，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確性還有待驗證，應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時，材料本構模型往往為簡單的彈性模型，雖然計算較易實現，但對于土體、混凝土等復雜的材料的破壞過程難以表征，能夠詳細體現材料特性且易于求解的本構模型有待進一步研究.

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　　作者：張超哲，劉松玉