管幕法作为一种地下工程暗挖技术, 在钢管幕基础上构筑大跨度、大断面地下工程的施工工艺, 尤其在城市复杂环境下下穿既有隧道、道路、桥梁以及建造超浅埋工程中有着显著的优越性^[1].

管幕工法最早出现在欧洲, 20世纪70年代首次被用来成功修建了安特卫普的地下工程^[2].在美国也被用于修建浅埋隧道工程^[3].韩国和日本在传统管幕工法的基础上, 对工法的施工步序和连接方式进行优化, 提出了新型的管幕工法, 在韩国、日本以及新加坡等国家多次运用, 取得了良好的经济效益和社会效益^[4-5].

中国首次应用管幕工法是1984年香港采用管幕法修建地下通道.1989年用于修建台北松山机场地下通道工程, 2004年修建上海中环线虹许路北虹路地道^[6].

管幕工法经过多年的发展以及国内外学者的研究, 取得了丰硕的成果.但随着地下工程施工遇到的周边环境越来越复杂, 传统管幕结构在开挖期间必须辅以密集的型钢支撑体系, 且严格控制开挖步距和支撑体系间距, 以确保管幕承载力能满足施工要求.此种工法已不能满足特殊施工的要求, 研究和实践新的施工方法迫在眉睫.

新管幕结构(STS)是一种用于修建地铁站、下穿既有隧道、道路、铁路的新型地下支护体系, 它采用混凝土、翼缘板以及螺栓将若干个钢管连接起来, 形成一个共同受力的支护结构^[7].新管幕结构不仅提高了结构可靠性, 而且能够有效减少对既有建筑影响、降低地层变形等.因此, 新管幕工法有广阔的应用前景^[8-9].

新管幕工法结合洞桩法修建超浅埋车站在国内首次应用于实际工程中, 缺乏相关经验.加之奥体中心站正上方为交通繁忙的青年大街主干道, 埋深较浅.基于此, 本文结合工程难点以及存在的问题, 通过研究新管幕结构的受力模式以及施工过程中的风险分析, 为以后的施工提供参考.

1 工程概况

沈阳地铁九号线奥体中心站为14 m岛式站台车站, 两端为明挖施工, 中间跨为暗挖施工.其中, 暗挖段采用新管幕支护结合洞桩法修建, 三层双柱三跨断面, 暗挖段长度为80.5 m, 结构净宽22.9 m, 高21.14 m, 覆土厚度约3.0 m, 底板埋深约24.5 m, 见图 1.结合新管幕结构的受力性能和施工工况, 选取外径为900 mm的圆形钢管, 厚度为16 mm, 翼缘板厚度为20 mm, 钢材为Q235钢.连接螺栓选取M27, 8.8级高强度螺栓.

2 新管幕结构受力模式 2.1 新管幕法结合洞桩法施工工序

新管幕结构结合洞桩法施工主要包含以下4步, 见图 2a~2d.

1) 施作新型管幕结构以及开挖上下导洞;

2) 施作钢管柱以及相应的顶纵梁和底纵梁;

3) 开挖站厅层土体, 并架设斜撑, 同时施作边桩、冠梁结构和中板等;

4) 开挖站台层, 施作底板、侧墙以及其他附属结构.

2.2 新管幕结构的横向受力模式

当上导洞贯通时, 新管幕结构在横向跨度5 m内没有支护体系, 完全依靠自身承载能力, 此时结构处于最不利情况.加之现有的管幕计算力学模型仅适用于管间连接较弱的传统管幕结构, 忽略相邻钢管间的相互作用, 将结构等效为纵向梁进行计算.

新管幕结构的管间连接较强, 传统的计算模型已不适用.本文将新管幕结构视作Winkler弹性地基梁计算上部导洞贯通时其横向受力状态.考虑到上导洞贯通时管幕结构主要承受横向荷载, 加之管幕结构长度较大, 将其简化成平面应变模型.由于管幕结构上方土体较浅, 将管幕结构的上方荷载等效为均布荷载q(x).

根据Winkler弹性地基梁, 新管幕结构的计算模型见图 3.由图可知, 上导洞开挖时导致的土体扰动可分为AB和CD两段, 这两端范围内新管幕结构受到地基反力k(x)作用; 在A到D范围内承受上方荷载q(x); BC段所受荷载由新管幕结构承担, 而OA段和DE段仅承受地基反力k(x).

1) 在OA段范围内, 不受地层荷载的作用, 地基反力为k(x)=Kw(x), 即

(1)

式中:EI为新管幕结构的抗弯刚度; ω为新管幕结构的竖向位移; b为弹性地基梁单位宽度; k为地基作用反力.其中K是地层基床系数:

(2)

当地层荷载为0时, 则Winkler弹性地基挠度方程的通解为

(3)

式中 .

2) AB和CD两段受导洞施工的影响, 新管幕结构上方的竖向荷载和地反力分别为q(x)和k(x), 可得

(4)

(5)

(6)

式中:c为黏聚力; φ为内摩擦角; q为地面超载; K₀为静止土压力系数; H为管幕结构埋深.

此时, AB段挠度控制方程的通解为

(7)

由梁的连续性可以得到, 当x=s₀时, 则

(8)

(9)

将其代入式(3)和式(4), 可得

(10)

CD段挠度控制方程的通解为

(11)

由梁的连续性可知, 当x=s₀+2s₁+l时, 则

(12)

(13)

将其代入式(4)和(11)则有

(14)

3)在BC段范围内, 新管幕结构上方的竖向荷载为q(x), 同时地基反力为0, 则

(15)

BC段的通解为

(16)

4)在DE段范围内, 由于未受到导洞施工的影响, 其控制方程为

(17)

DE段控制方程的通解为

(18)

新管幕结构左右两端均受到土体的约束, 则结构两端可假定为固定端, 即

当x=0时:

(19)

当x=L时:

(20)

由梁的连续性可以得到, 当x=s₀+s₁时:

(21)

当x=s₀+s₁+l时:

(22)

将上述边界条件代入式(3), (7), (14), (16), (18), 建立12个方程, 即可求解A₁, A₂, A₃, A₄, B₁, B₂, B₃, B₄, C₁, C₂, C₃, C₄等12个未知参数.

根据本文提出的管幕结构计算模型, 结合新管幕结构的横向跨度L为27 m, 导洞跨度l为5 m, 导洞距边墙的距离s_o为7 m, 导洞高度h为5 m, 新管幕结构的等效横向抗弯刚度为4.32×10⁵ kN · m.可得到上部导洞贯通时新管幕结构的弯矩和剪力, 见图 4.由图可知, 新管幕结构在导洞两侧3 m范围为核心受力区.当左侧导洞贯通时, 导洞跨中的管幕结构正弯矩为248 kN · m, 导洞边墙位置处管幕结构最大负弯矩为-370 kN · m.由于计算模型中假定导洞边墙为刚性支座, 导致边墙处的负弯矩较大; 此时剪力最大值达到125 kN, 也位于导洞边墙位置.当右侧导洞贯通时, 导洞跨中正弯矩达到268 kN · m, 增加了8 %左右, 而导洞边墙位置处最大负弯矩为-304 kN · m, 减小了17.8 %.当上部导洞贯通后, 整体管幕结构的正弯矩增加, 负弯矩减小, 符合结构的受力模式，表明本文提出的计算模型能较好预测新管幕结构的横向受力模式.

2.3 新管幕结构的纵向受力模式

新管幕结构纵向最不利工况, 见图 2d.当站厅层施工完成后, 由于区域B的管幕结构主要承担横向受力, 则区域A处的管幕结构在纵向受力为整个过程的最不利工况.管幕结构可沿纵向等效为连续梁结构, 边跨为6.05 m, 中间跨度为6.5 m, 见图 5.

为研究管幕结构的纵向受力状态和竖向变形的最不利情况, 把单根钢管混凝土构件作为研究对象, 不考虑钢管间横向作用, 计算其弯矩、剪力和竖向变形.采用文献[10]提出的钢管混凝土的抗弯刚度计算方法:

(23)

(24)

考虑到钢管混凝土结构出现混凝土开裂时, 会导致整体结构的刚度退化.本文基于文献[11]对式(19), (20)进行了改进, 进一步完善了钢管混凝土结构的抗弯刚度计算公式:

(25)

管幕结构在上方荷载作用下的内力分布见图 6.由图可知, 管幕结构跨中最大正弯矩为176.99 kN · m, 最大负弯矩为260.29 kN · m, 最大剪力为236.62 kN, 三者均位于边跨位置.表明在施工过程中, 纵向方向的边跨位置为整体结构的最薄弱环节.按照钟善桐模型计算出的管幕结构纵向承载力为4 160 kN · m, 抗剪承载力为8 479 kN, 表明管幕结构在最不利工况下满足施工要求.在管幕结构变形方面, 其最大变形发生在边跨位置, 约6.46 mm, 而本工程的管幕结构竖向变形控制值为10 mm, 表明其变形同样满足施工要求.

3 结论

1) 新管幕工法在复杂地质下修建三层三跨地铁暗挖车站, 能够合理控制地层变形, 确保施工安全性, 还能提高空间利用率.

2) 提出了新管幕结构的横向和纵向受力模式的计算公式, 为后期施工提供理论支撑.

3) 上导洞贯通时, 在导洞左右两侧各3 m范围为主要受力区, 此区域为管幕结构最不利受力区域.当左侧导洞贯通时, 导洞跨中正上方的管幕结构正弯矩为248 kN · m, 负弯矩为-370 kN · m.随着右侧导洞贯通时, 跨中正弯矩增加8 %, 最大负弯矩减小17.8 %.

4) 管幕结构沿纵向跨中最大正弯矩为176.99 kN · m, 负弯矩为260.29 kN · m, 最大变形为6.46 mm, 均位于边跨位置, 满足施工要求.