超浅埋大跨度地铁车站管幕组合结构力学特性分析

储柯钧，赵 亮，缪红彬

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300133；2.天津轨道交通集团有限公司，天津 300133）

1 研究背景

地铁工程大都位于建构筑物密集的城市市区，随着城市公共交通工程的深入发展，线网不断加密，穿越的地下设施越来越多，建设难度逐步加大，人们对其建筑功能、服务水准的要求也在不断提升，这对建设者的技术水准提出了更高的要求。传统的浅埋暗挖法[1-3]固然有其技术优势，但通过实际应用，也暴露出许多不足之处：分洞室开挖时，需严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则，需要控制环节较多，对施工队伍要求较高；初期支护刚度偏小，难以实现超浅埋暗挖施工；主要依靠人工作业，机械化水平较低，工作效率低等。而管幕组合结构因其较高的强度和刚度，为超浅埋条件下暗挖施工[4-7]提供了实施条件。

采用管幕作为预支护手段的成功案例较多，张云[8]依托北京地铁崇文门站，在覆土8 m 的砂质地层中采用30 根φ600 mm 无锁扣管幕来控制上方构筑物的变形；冯建霖[9]对首都国际机场T3 与T2 航站楼间连接通道采用60 根φ970 mm 无锁扣超长管幕作了开挖分析，总结出大直径管幕在沉降控制上具有优势；杨光辉、朱合华等[10]对带锁扣管幕进行了抗拉和抗弯性能试验，得出抗拉强度主要取决于角钢外肢的刚度。当前对管幕组合结构的利用，主要借鉴了大管棚支护的理念，利用大量环形临时钢拱架和管幕的纵向刚度，搭建初期支护体系。

鉴于对管幕体系横向承载能力和横向刚度的研究、利用非常少，本文将介绍一种具有横向承载能力的管幕组合结构，并结合沈阳地区某新建地铁工程实例，重点分析管幕洞柱法车站修建过程中，管幕组合结构在施工阶段的力学特性，为以后的相关试验研究或工程建设提供参考。

2 管幕洞柱法车站概况

2.1 车站概况

沈阳某地铁车站全长150 m，宽22.9 m，地下3 层3跨，箱形延米结构，采用明暗结合工法施工，中间暗挖段长80 m，采用管幕洞柱法施工，管幕组合结构总跨度27 m，暗挖段顶板覆土厚度3.5 m，管幕结构覆土2.5 m。

车站范围内从上而下的地层依次为杂填土，层厚1.6～4.8 m；粉质黏土夹层，层厚0.5～3 m，可塑；中粗砂，层厚6～9 m，稍密；砾砂，层厚7～10 m，稍密～中密，局部密实；圆砾，层厚8～12 m，稍密～中密，局部密实；砾砂，层厚8～12 m，中密～密实。管幕结构主要位于杂填土层、粉质黏土层及中粗砂层中。地下水为孔隙潜水，稳定水位埋深为13.0～15.2 m，主要富存于砂土地层，具有强渗透性。

2.2 暗挖段剖面结构和施工工序

暗挖段剖面结构由初期支护和二次衬砌共同组成，初期支护主要由管幕组合结构和围护桩共同组成。施工工序选择管幕工法与传统的洞柱法相结合，顶部在管幕结构的支护下，实现车站的分块开挖和二次衬砌的浇筑。车站结构剖面及主要施工工序如图1 所示。

图1 结构剖面和施工工序图

具体施工工序包括：①工作井顶进管幕，待管内安装连管间接螺栓后，在管内及管间灌注混凝土形成管幕组合结构；②下导洞施工；③上导洞施工，同时施做底纵梁；④钢管柱安装后施做顶纵梁；⑤中间夹土开挖；⑥开挖上部边跨土方，再施做围护桩及冠梁；⑦施做顶板；⑧开挖至负一层中板；⑨依次开挖至负二层中板、底板，并按逆作法分别施做中板和底板，完成车站二次衬砌施工。

考虑到工序①～②中管幕组合结构尚未开挖，工序⑦～⑨中二次衬砌已形成，管幕结构不再是主要承力构件，下文主要分析工序③～⑥中的管幕结构的力学情况。

2.3 管幕组合结构及支撑构件基本设计参数

管幕组合结构中的钢管，采用Q235钢材，外径φ900 mm，壁厚t=16 mm，钢管采用带翼缘钢管，翼缘板厚度为16 mm，翼缘板与钢管间采用坡口对接焊缝施焊。翼缘之间对称预留2 排4 组φ30 mm 螺栓孔，用于穿插连接螺栓，螺栓孔纵向间距150 mm，同一横剖面中螺栓孔需齐平。管幕节点截面设计如图2所示。

图2 管幕截面设计图（单位：mm）

相邻两管幕中心距为1 m，为确保挡土效果及管间混凝土灌注质量，管幕之间的翼缘板需要有一定长度的搭接，下翼缘板在开挖期间采用角焊缝焊接，焊脚尺寸为10 mm；管间连接采用M27 的普通螺栓，长900 mm，螺栓穿插就位后及时拧上自锁螺母及锚头螺母，锚头螺母的承压净面积要求不小于螺栓截面积的4 倍，以保证螺栓锚固效果；管内及管间均灌注C40 微膨胀混凝土；上导洞初期支护采用25a工型钢，纵向间距0.5 m，焊接后形成倒门型钢架，架设完毕后挂网湿喷C25 混凝土，形成0.3 m 厚中隔壁墙，角撑也采用25a 工型钢，纵向间距0.5 m。

3 管幕组合结构模型及计算方法

3.1 结构模型

该地铁车站仅在负一层采用管幕组合结构，钢管共计40 根，顶部28 根，两侧各6 根，单根管长80 m，钢管上方覆土厚度为2.5 m，管幕下方设置2 组倒门型钢架作为上导洞支护结构，上部边跨设置2 排工字钢角撑，并与管幕结构焊接连接。管幕支护体系原型及简化模型如图3 所示。

图3 支护体系原型及简化模型图

3.2 截面计算方法

3.2.1 基本假定

（1）该组合结构由钢材、螺栓及混凝土协同受力，试验情况[11-15]表明，螺栓作用与钢筋类似，破坏特征与普通钢筋混凝土结构类似。

（2）上翼缘板无法施焊，不考虑钢管及翼缘板对管间混凝土约束的有利影响。

（3）管间截面（即图2 中的B-B 剖面）按普通钢筋混凝土结构正截面建立平衡方程[16-17]，并考虑翼缘板的贡献。

3.2.2 正截面承载力计算

管间截面无论从强度还是刚度角度，均为整个构件的薄弱环节，是率先发生破坏的主要位置，其计算简图如图4 所示。计算公式如下：

图4 偏心受压承载力计算图

图4 及式（1）～式（3）中，N为轴向压力设计值；e为轴向压力作用点至纵向受拉筋合力点的距离；M为弯矩设计值；分别为螺栓的抗拉、抗压强度设计值；分别为受拉区、受压区螺栓的有效截面面积；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；f w f为角焊缝抗拉强度设计值，考虑到现场施工条件较差的仰焊等因素，宜乘以0.5 的经验折减系数；A w f为角焊缝计算面积；b为计算宽度，取1 延米；a为纵向受拉筋合力点至截面近边缘的距离；a'为受压区纵筋合力点至截面受压区边缘的距离；x为混凝土受压区高度；h0为截面有效高度；α1为系数，当混凝土强度不超过C50 时取1.0；σ为受拉边或受压较小边的纵向钢筋应力；e0为轴向压力对截面重心的偏心距；ea为附加偏心距。

3.2.3 受剪承载力验算

剪切破坏面同样发生在管间薄弱截面，其破坏的特征是斜裂缝沿钢管外壁发生发展，下翼缘角焊缝、螺栓与钢管交接位置发生剪断破坏。计算公式如下：

式（4）中，V为构件斜截面上最大剪力设计值；βh为截面高度影响系数；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；N为与剪力设计值V相对应的轴向压力设计值，当大于0.3fcA时，取0.3fcA，A为构件截面面积。

3.2.4 挠度验算

该管幕组合结构为变截面结构，最大、最小截面分别为图2 中的A-A 截面和B-B 截面，经计算，二者刚度比接近2: 1 关系。根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》要求[16]，计算跨度内支座截面刚度不大于跨中截面的2 倍或不小于跨中截面刚度的0.5 倍时，该跨可按照等刚度构件计算，构件刚度取跨中弯矩最大截面处的刚度B，且该结构为临时结构，可不考虑荷载长期作用影响。挠度验算式如下：

式（5）中，f为结构挠度计算值；M为按荷载标准组合的计算弯矩；l为计算跨度；B为按荷载效应准永久组合计算的构件短期刚度。

4 算例

以沈阳地铁某车站为例，对钢管幕组合结构在各个施工阶段的受力计算和分析如下。

4.1 内力计算条件及参数

钢管幕组合结构内力计算条件及参数如下。

（1）计算理论：荷载-结构模式。

（2）计算程序：SAP2000 计算程序。

（3）计算荷载：竖向围岩压力按全土柱考虑，水平围岩压力按主动土压力考虑；无水荷载；结构自重按各自重量计入；地面荷载按20 kPa 计入。

（4）根据地勘资料，土体的物理力学参数如表1 所示。

表1 计算模型的土层参数

4.2 内力值的计算过程

根据管幕洞柱法车站的施工工序，选取最典型的3 个施工工况进行计算，管幕组合结构的计算模型及各工况在荷载基本组合下弯矩、轴力和剪力的计算结果如表2 所示。

表2 各工况计算结果汇总

4.3 承载能力计算结果

已知条件：计算截面尺寸b×h=（1 000×700） mm，弯矩设计值M=302.3 kN · m、轴力N=145.9 kN，剪力值V=338.8 kN，最大计算跨度6 m，C40 混凝土，螺栓为8.8 级普通螺栓，实际受拉或受压螺栓总面积约2 700 mm2。计算结果表明，在最不利荷载工况下，该管幕组合结构的强度、刚度均能满足规范要求，如表3 所示。

表3 计算结果

5 结论

通过对超浅埋大跨度地铁车站管幕组合结构施工阶段的力学模型、受力特征、薄弱截面平衡方程和结构计算等内容的研究，得出如下结论。

（1）由混凝土、螺栓、钢材及焊缝协同工作的管幕结构体系，具有较好的横向刚度，能承受一定的横向荷载。

（2）根据支护体系模型的计算结果，各阶段跨中正弯矩均大于支座负弯矩，下翼缘板的焊接及角撑架设的非常必要，提高了该体系的可靠度。

（3）截面计算结果显示有一定的裕量，构件参数有优化空间，但优化时一定要结合实际施工情况，再对验算公式做必要的修正。