地下暗挖管幕結構研究進展

楊丹萍， 孫正財

【1.吉林建筑科技學院 土木工程學院，吉林 長春130114；2.吉林省建筑科學研究設計院（吉林省建筑工程質(zhì)量檢測中心），吉林 長春 130012】

隨著城市化進程的高速發(fā)展，城市地區(qū)面臨著路況擁堵十分嚴重的問題。因此，地下空間資源的開發(fā)以及利用尤為重要，其對于經(jīng)濟建設、環(huán)境建設以及社會的可持續(xù)發(fā)展等方面都具有積極意義。為改善交通擁堵等問題，建設城市地鐵、地下隧道等地下交通方式已經(jīng)成為必要舉措。為提高地下工程施工的安全性以及有效性，管幕結構這種地下圍護結構被提出，目前國內(nèi)外許多大跨度地下結構施工都采用了此工法，并獲得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。管幕結構作為大跨度地下結構的有效圍護方法之一，具有很好的應用與研究前景。

1 管幕結構的技術特點

管幕結構是修建地下圍護結構的暗挖法中有效方法之一。它是利用頂管技術在擬建的地下建筑物四周頂進鋼管，鋼管之間進行連接而形成的地下空間圍護結構。管幕結構具有施工時噪音小、地表沉降小、無需進行道路改建及管線調(diào)整、適用于多種土體的地下施工等優(yōu)點，常用于地鐵車站項目、下穿高速公路以及鐵路工程的地道建設中。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道即采用了管幕工法進行暗挖段施工。

2 管幕結構國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

管幕結構作為大跨度地下結構的有效圍護體系，具有很好的應用與研究價值。國內(nèi)外許多專家、學者已經(jīng)針對于管幕結構的設計方法、施工工藝、受力以及變形性能做了大量的理論與試驗研究，并取得了很好的研究成果。

2.1 管幕結構國外研究現(xiàn)狀

Kwak 等[1]通過有限元模擬的方法，針對于管幕結構的鋼管部分與土體部分的力學性能進行了研究，不同尺寸鋼管的剛度具有很大差異，在鋼管連接處會引起巨大的地基放大和應力集中。通過對兩種情況下的應力集中和位移發(fā)生趨勢的深入研究，結合實例進行分析，闡述了鋼筋混凝土的薄弱環(huán)節(jié)處結構在動力荷載作用下的抗震特性。具體介紹了管幕結構在受到地震作用時，其結構不利位置以及位移發(fā)展方向，并對最不利位置進行抗震性能分析。

Lee[2]通過模型隧道試驗，研究了隧道的穩(wěn)定性和破壞形態(tài)。試驗過程中采用了近距離攝影測量方法對地面變形進行了測量。最終將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位移矢量和等值線，并與有限元分析和經(jīng)驗公式進行了比較。與此同時，還對鋼管加固模型隧道與無加固模型隧道進行了比較，并針對于鋼管加固模型隧道和無加固模型隧道的地基變形進行了分析。

Sim 等[3]進行了地下通道矩形拱斷面的試驗研究，并分析了整體式管棚和承式隧道的受力性能。采用非開挖方法施工時，鋼筋加砂漿的鋼管推進地下形成管頂，提高了地下通道的穩(wěn)定性。地下通道的矩形截面和拱截面的試驗研究表明，由于共同荷載作用，作用在地下通道上的應力和應變減小。研究表明整體式管棚對于承擔地下通道壓力具有很好的效果，并且可以有效降低造價。

2.2 管幕結構國內(nèi)研究現(xiàn)狀

閻石，金春福等[4]對大直徑鋼頂管管幕結構的力學性能進行了分析。通過ANSYS 軟件進行地層模型建立，在施工過程中采用頂管施工，該過程是鋼管以及地層所受應力的動態(tài)平衡過程。并通過對鋼管頂進的順序、地表沉降最大值以及地表沉降與最終沉降之比、施工完成時鋼管內(nèi)最大應力等參數(shù)調(diào)整，針對于地層變形分布規(guī)律、鋼管頂進過程各階段對地表變形的影響以及鋼管應力變形規(guī)律進行分析。研究表明施工順序?qū)︿摴苁芰暗貙佑绊戄^大，頂管過程中鋼管相互影響且鋼管內(nèi)力不對稱。

賈鵬蛟等[5-6]對多種參數(shù)下STS 管幕構件力學性能進行了研究，通過已有的試驗數(shù)據(jù)，利用ABAQUS 軟件進行有限元模擬。闡述了對管幕結構承載力的影響因素，翼緣板的間距、鋼管的厚度、配筋率和螺栓直徑的選取都會對其承載力產(chǎn)生影響，其中，翼緣板間距的調(diào)整對其力學性能的提升尤為明顯。以沈陽地鐵車站建設為基礎，通過對兩組管幕結構的試驗研究及ABAQUS 有限元分析，探討了STS管幕結構的彎曲破壞過程及影響因素。荷載作用過程中，混凝土和鋼管交界處混凝土先出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的發(fā)展，鋼板下翼緣達到屈服狀態(tài)。其中鋼管間距及下翼緣板焊接對抗彎性能的影響最為明顯，為管幕結構的應用提供了理論支持。

陶連金等[7]對砂卵石地層的管幕施工進行了試驗研究，并以北京地鐵區(qū)間隧道施工為工程背景，闡述了適合砂卵石地層的管幕工法。并通過現(xiàn)場原位試驗對該工法進行研究，研究表明，管幕結構可有效解決土層擾動過大的問題，在施工過程中可選擇小直徑管幕作支護改善地層不均勻變形。

任輝等[8]對管幕凍結法開展了探究，并運用到港珠澳大橋拱北隧道口岸暗挖施工中。通過在實頂管以及空頂管內(nèi)采用不同的組合形式，整理出三類管幕凍結法方案，并對該方案進行分析與論證。研究表明，三種方案中，實頂管與空頂管協(xié)同凍結方案效果最佳，實頂管為主與空頂管為輔的凍結方案較好，實頂管單獨凍結模式方案效果較差。

3 管幕結構形式

3.1 傳統(tǒng)管幕結構

傳統(tǒng)的管幕形式是在縱向布置鋼管，橫向以鎖扣進行連接，并在鋼管內(nèi)部澆筑混凝土。由于橫向鎖扣的約束作用較弱，所以在土方開挖過程中主要依靠管幕結構的縱向強度和臨時鋼拱架形成管棚支護體系。

3.2 新型管幕結構

新型管幕體系是在原有的傳統(tǒng)管幕基礎上進行改良，從而提升管幕結構的力學性能以及施工應用，目前新型管幕結構主要有NTR管幕結構、STS 管幕結構、NSTS 管幕結構、FCSR 管幕結構、PCR 管幕結構等。

（1）NTR 管幕結構

NTR 的英文全稱是New Tubular Roof ,是我國2009 年由韓國引入的地下結構暗挖技術[9]。NTR 管幕結構是指在地下結構建造過程中，密排頂進多個大直徑鋼管，采取管間切割支護或鋼管間以環(huán)梁進行連接，并在形成永久結構后進行土方開挖。其具有工程質(zhì)量較高、結構可靠性較好以及施工安全等優(yōu)點，通常其頂管采用箱型以及拱形兩種形式，該結構形式的頂管管徑尺寸以及結構尺寸調(diào)整比較容易，因此施工靈活方便。對于應對地下復雜環(huán)境施工以及超淺埋大跨度結構施工具有良好的應用效果，特別是跨度超過60m 的大跨度地下結構施工時具有極大的優(yōu)勢，韓國首爾地鐵9 號線、沈陽地鐵2 號線等地鐵車站等工程項目皆采用了NTR 工法。

（2）STS 管幕結構

關永平等[10]等進行了STS 管幕結構的研究。STS 英文全稱是steel tube slab，是一種淺埋暗挖技術。該工法是將多個鋼管在橫向增加翼緣板以及螺栓進行連接，以便抵抗縱橫兩方向荷載作用。此工法可用于建造超淺埋直墻平頂結構，并可達到空間體系的良好運用，在工程施工過程中不會對結構周邊的建筑及管線產(chǎn)生不利影響，并且通過調(diào)整其鋼管壁厚、翼緣板厚度等參數(shù)可有效提升其承載能力。

（3）NSTS 管幕結構

NSTS 英文全稱是New Steel Tube Slab，該工法是采用小鋼管將大鋼管進行連接，并在內(nèi)部進行混凝土澆筑，形成縱向布置大鋼管混凝土以及橫向增加小鋼管組成的完整結構，可有效避免大鋼管間清理難的問題[11]。具有承載力高、剛度大、造價低，以及施工速度快、施工過程簡單、對周圍生活環(huán)境影響小等優(yōu)點，因而，這種結構非常適用于軟土地層淺埋式大斷面長距離暗挖地下工程，又因為其地面沉降較小、對周圍環(huán)境及交通影響小等優(yōu)點，特別適用于工況較為復雜的繁華地區(qū)，具有良好的經(jīng)濟效益以及社會價值。

（4）FCSR 管幕結構

趙文等[12]進行了FCSR 管幕結構的探究，F(xiàn)CSR 英文全稱為flange-channel steel roof，即翼緣板-槽鋼連接管幕結構。通過利用有限元軟件進行其抗彎性能的模擬研究，研究其破壞模式及工作機理，該結構在受力過程中會發(fā)生延性破壞，橫向剛度較高；影響其受力性能的主要因素是鋼管間距的設置，管壁厚度及混凝土強度也會產(chǎn)生一定影響，而翼緣板的厚度對構件的承載力影響不大。

（5）PCR 管幕結構

熊學玉等[13]進行了PCR 管幕結構的探究，PCR 英文全稱為prestressed concrete roof，即預應力管幕結構。是使用預應力技術提升管幕結構的橫向整體穩(wěn)定性能以及縱向抗彎變形能力，從而使其具有更高的安全性能以及經(jīng)濟效益。PCR 管幕結構形式分為兩種，一種為隧道形，另一種為下路桁形。前者是對四角處鋼筋進行預應力施加，頂板、底板、側板采用預應力進行緊固，適用于寬度較窄且長度較長地下結構，如機場、車站等地下通道等；后者是將構件布置成“門”式結構，并用兩端橋臺進行支撐，適用于縱向和橫向長度較小地下結構，如較短距離的多車道項目等。

4 結語

管幕結構的受力性能主要考慮橫向剛度、整體穩(wěn)定性能以及縱向抗彎變形能力，橫向受力性能可通過調(diào)整鋼管及混凝土的基本參數(shù)進行優(yōu)化，縱向的抗彎性能可以通過對其連接件的改良進行調(diào)整。

對管幕結構的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行總結，分析了影響其性能的主要因素，并對今后的研究工作進行了闡述。