超淺埋大跨度地鐵車站管幕組合結構力學特性分析

儲柯鈞，趙 亮，繆紅彬

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300133；2.天津軌道交通集團有限公司，天津 300133）

1 研究背景

地鐵工程大都位于建構筑物密集的城市市區(qū)，隨著城市公共交通工程的深入發(fā)展，線網(wǎng)不斷加密，穿越的地下設施越來越多，建設難度逐步加大，人們對其建筑功能、服務水準的要求也在不斷提升，這對建設者的技術水準提出了更高的要求。傳統(tǒng)的淺埋暗挖法[1-3]固然有其技術優(yōu)勢，但通過實際應用，也暴露出許多不足之處：分洞室開挖時，需嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則，需要控制環(huán)節(jié)較多，對施工隊伍要求較高；初期支護剛度偏小，難以實現(xiàn)超淺埋暗挖施工；主要依靠人工作業(yè)，機械化水平較低，工作效率低等。而管幕組合結構因其較高的強度和剛度，為超淺埋條件下暗挖施工[4-7]提供了實施條件。

采用管幕作為預支護手段的成功案例較多，張云[8]依托北京地鐵崇文門站，在覆土8 m 的砂質(zhì)地層中采用30 根φ600 mm 無鎖扣管幕來控制上方構筑物的變形；馮建霖[9]對首都國際機場T3 與T2 航站樓間連接通道采用60 根φ970 mm 無鎖扣超長管幕作了開挖分析，總結出大直徑管幕在沉降控制上具有優(yōu)勢；楊光輝、朱合華等[10]對帶鎖扣管幕進行了抗拉和抗彎性能試驗，得出抗拉強度主要取決于角鋼外肢的剛度。當前對管幕組合結構的利用，主要借鑒了大管棚支護的理念，利用大量環(huán)形臨時鋼拱架和管幕的縱向剛度，搭建初期支護體系。

鑒于對管幕體系橫向承載能力和橫向剛度的研究、利用非常少，本文將介紹一種具有橫向承載能力的管幕組合結構，并結合沈陽地區(qū)某新建地鐵工程實例，重點分析管幕洞柱法車站修建過程中，管幕組合結構在施工階段的力學特性，為以后的相關試驗研究或工程建設提供參考。

2 管幕洞柱法車站概況

2.1 車站概況

沈陽某地鐵車站全長150 m，寬22.9 m，地下3 層3跨，箱形延米結構，采用明暗結合工法施工，中間暗挖段長80 m，采用管幕洞柱法施工，管幕組合結構總跨度27 m，暗挖段頂板覆土厚度3.5 m，管幕結構覆土2.5 m。

車站范圍內(nèi)從上而下的地層依次為雜填土，層厚1.6～4.8 m；粉質(zhì)黏土夾層，層厚0.5～3 m，可塑；中粗砂，層厚6～9 m，稍密；礫砂，層厚7～10 m，稍密～中密，局部密實；圓礫，層厚8～12 m，稍密～中密，局部密實；礫砂，層厚8～12 m，中密～密實。管幕結構主要位于雜填土層、粉質(zhì)黏土層及中粗砂層中。地下水為孔隙潛水，穩(wěn)定水位埋深為13.0～15.2 m，主要富存于砂土地層，具有強滲透性。

2.2 暗挖段剖面結構和施工工序

暗挖段剖面結構由初期支護和二次襯砌共同組成，初期支護主要由管幕組合結構和圍護樁共同組成。施工工序選擇管幕工法與傳統(tǒng)的洞柱法相結合，頂部在管幕結構的支護下，實現(xiàn)車站的分塊開挖和二次襯砌的澆筑。車站結構剖面及主要施工工序如圖1 所示。

圖1 結構剖面和施工工序圖

具體施工工序包括：①工作井頂進管幕，待管內(nèi)安裝連管間接螺栓后，在管內(nèi)及管間灌注混凝土形成管幕組合結構；②下導洞施工；③上導洞施工，同時施做底縱梁；④鋼管柱安裝后施做頂縱梁；⑤中間夾土開挖；⑥開挖上部邊跨土方，再施做圍護樁及冠梁；⑦施做頂板；⑧開挖至負一層中板；⑨依次開挖至負二層中板、底板，并按逆作法分別施做中板和底板，完成車站二次襯砌施工。

考慮到工序①～②中管幕組合結構尚未開挖，工序⑦～⑨中二次襯砌已形成，管幕結構不再是主要承力構件，下文主要分析工序③～⑥中的管幕結構的力學情況。

2.3 管幕組合結構及支撐構件基本設計參數(shù)

管幕組合結構中的鋼管，采用Q235鋼材，外徑φ900 mm，壁厚t=16 mm，鋼管采用帶翼緣鋼管，翼緣板厚度為16 mm，翼緣板與鋼管間采用坡口對接焊縫施焊。翼緣之間對稱預留2 排4 組φ30 mm 螺栓孔，用于穿插連接螺栓，螺栓孔縱向間距150 mm，同一橫剖面中螺栓孔需齊平。管幕節(jié)點截面設計如圖2所示。

圖2 管幕截面設計圖（單位：mm）

相鄰兩管幕中心距為1 m，為確保擋土效果及管間混凝土灌注質(zhì)量，管幕之間的翼緣板需要有一定長度的搭接，下翼緣板在開挖期間采用角焊縫焊接，焊腳尺寸為10 mm；管間連接采用M27 的普通螺栓，長900 mm，螺栓穿插就位后及時擰上自鎖螺母及錨頭螺母，錨頭螺母的承壓凈面積要求不小于螺栓截面積的4 倍，以保證螺栓錨固效果；管內(nèi)及管間均灌注C40 微膨脹混凝土；上導洞初期支護采用25a工型鋼，縱向間距0.5 m，焊接后形成倒門型鋼架，架設完畢后掛網(wǎng)濕噴C25 混凝土，形成0.3 m 厚中隔壁墻，角撐也采用25a 工型鋼，縱向間距0.5 m。

3 管幕組合結構模型及計算方法

3.1 結構模型

該地鐵車站僅在負一層采用管幕組合結構，鋼管共計40 根，頂部28 根，兩側各6 根，單根管長80 m，鋼管上方覆土厚度為2.5 m，管幕下方設置2 組倒門型鋼架作為上導洞支護結構，上部邊跨設置2 排工字鋼角撐，并與管幕結構焊接連接。管幕支護體系原型及簡化模型如圖3 所示。

圖3 支護體系原型及簡化模型圖

3.2 截面計算方法

3.2.1 基本假定

（1）該組合結構由鋼材、螺栓及混凝土協(xié)同受力，試驗情況[11-15]表明，螺栓作用與鋼筋類似，破壞特征與普通鋼筋混凝土結構類似。

（2）上翼緣板無法施焊，不考慮鋼管及翼緣板對管間混凝土約束的有利影響。

（3）管間截面（即圖2 中的B-B 剖面）按普通鋼筋混凝土結構正截面建立平衡方程[16-17]，并考慮翼緣板的貢獻。

3.2.2 正截面承載力計算

管間截面無論從強度還是剛度角度，均為整個構件的薄弱環(huán)節(jié)，是率先發(fā)生破壞的主要位置，其計算簡圖如圖4 所示。計算公式如下：

圖4 偏心受壓承載力計算圖

圖4 及式（1）～式（3）中，N為軸向壓力設計值；e為軸向壓力作用點至縱向受拉筋合力點的距離；M為彎矩設計值；分別為螺栓的抗拉、抗壓強度設計值；分別為受拉區(qū)、受壓區(qū)螺栓的有效截面面積；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；f w f為角焊縫抗拉強度設計值，考慮到現(xiàn)場施工條件較差的仰焊等因素，宜乘以0.5 的經(jīng)驗折減系數(shù)；A w f為角焊縫計算面積；b為計算寬度，取1 延米；a為縱向受拉筋合力點至截面近邊緣的距離；a'為受壓區(qū)縱筋合力點至截面受壓區(qū)邊緣的距離；x為混凝土受壓區(qū)高度；h0為截面有效高度；α1為系數(shù)，當混凝土強度不超過C50 時取1.0；σ為受拉邊或受壓較小邊的縱向鋼筋應力；e0為軸向壓力對截面重心的偏心距；ea為附加偏心距。

3.2.3 受剪承載力驗算

剪切破壞面同樣發(fā)生在管間薄弱截面，其破壞的特征是斜裂縫沿鋼管外壁發(fā)生發(fā)展，下翼緣角焊縫、螺栓與鋼管交接位置發(fā)生剪斷破壞。計算公式如下：

式（4）中，V為構件斜截面上最大剪力設計值；βh為截面高度影響系數(shù)；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；N為與剪力設計值V相對應的軸向壓力設計值，當大于0.3fcA時，取0.3fcA，A為構件截面面積。

3.2.4 撓度驗算

該管幕組合結構為變截面結構，最大、最小截面分別為圖2 中的A-A 截面和B-B 截面，經(jīng)計算，二者剛度比接近2: 1 關系。根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》要求[16]，計算跨度內(nèi)支座截面剛度不大于跨中截面的2 倍或不小于跨中截面剛度的0.5 倍時，該跨可按照等剛度構件計算，構件剛度取跨中彎矩最大截面處的剛度B，且該結構為臨時結構，可不考慮荷載長期作用影響。撓度驗算式如下：

式（5）中，f為結構撓度計算值；M為按荷載標準組合的計算彎矩；l為計算跨度；B為按荷載效應準永久組合計算的構件短期剛度。

4 算例

以沈陽地鐵某車站為例，對鋼管幕組合結構在各個施工階段的受力計算和分析如下。

4.1 內(nèi)力計算條件及參數(shù)

鋼管幕組合結構內(nèi)力計算條件及參數(shù)如下。

（1）計算理論：荷載-結構模式。

（2）計算程序：SAP2000 計算程序。

（3）計算荷載：豎向圍巖壓力按全土柱考慮，水平圍巖壓力按主動土壓力考慮；無水荷載；結構自重按各自重量計入；地面荷載按20 kPa 計入。

（4）根據(jù)地勘資料，土體的物理力學參數(shù)如表1 所示。

表1 計算模型的土層參數(shù)

4.2 內(nèi)力值的計算過程

根據(jù)管幕洞柱法車站的施工工序，選取最典型的3 個施工工況進行計算，管幕組合結構的計算模型及各工況在荷載基本組合下彎矩、軸力和剪力的計算結果如表2 所示。

表2 各工況計算結果匯總

4.3 承載能力計算結果

已知條件：計算截面尺寸b×h=（1 000×700） mm，彎矩設計值M=302.3 kN · m、軸力N=145.9 kN，剪力值V=338.8 kN，最大計算跨度6 m，C40 混凝土，螺栓為8.8 級普通螺栓，實際受拉或受壓螺栓總面積約2 700 mm2。計算結果表明，在最不利荷載工況下，該管幕組合結構的強度、剛度均能滿足規(guī)范要求，如表3 所示。

表3 計算結果

5 結論

通過對超淺埋大跨度地鐵車站管幕組合結構施工階段的力學模型、受力特征、薄弱截面平衡方程和結構計算等內(nèi)容的研究，得出如下結論。

（1）由混凝土、螺栓、鋼材及焊縫協(xié)同工作的管幕結構體系，具有較好的橫向剛度，能承受一定的橫向荷載。

（2）根據(jù)支護體系模型的計算結果，各階段跨中正彎矩均大于支座負彎矩，下翼緣板的焊接及角撐架設的非常必要，提高了該體系的可靠度。

（3）截面計算結果顯示有一定的裕量，構件參數(shù)有優(yōu)化空間，但優(yōu)化時一定要結合實際施工情況，再對驗算公式做必要的修正。