地下暗挖管幕结构研究进展

2020-03-01杨丹萍孙正财

建筑与预算 2020年11期

杨丹萍，孙正财

【1.吉林建筑科技学院土木工程学院，吉林长春130114；2.吉林省建筑科学研究设计院（吉林省建筑工程质量检测中心），吉林长春 130012】

随着城市化进程的高速发展，城市地区面临着路况拥堵十分严重的问题。因此，地下空间资源的开发以及利用尤为重要，其对于经济建设、环境建设以及社会的可持续发展等方面都具有积极意义。为改善交通拥堵等问题，建设城市地铁、地下隧道等地下交通方式已经成为必要举措。为提高地下工程施工的安全性以及有效性，管幕结构这种地下围护结构被提出，目前国内外许多大跨度地下结构施工都采用了此工法，并获得了良好的经济效益与社会效益。管幕结构作为大跨度地下结构的有效围护方法之一，具有很好的应用与研究前景。

1 管幕结构的技术特点

管幕结构是修建地下围护结构的暗挖法中有效方法之一。它是利用顶管技术在拟建的地下建筑物四周顶进钢管，钢管之间进行连接而形成的地下空间围护结构。管幕结构具有施工时噪音小、地表沉降小、无需进行道路改建及管线调整、适用于多种土体的地下施工等优点，常用于地铁车站项目、下穿高速公路以及铁路工程的地道建设中。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道即采用了管幕工法进行暗挖段施工。

2 管幕结构国内外研究现状

管幕结构作为大跨度地下结构的有效围护体系，具有很好的应用与研究价值。国内外许多专家、学者已经针对于管幕结构的设计方法、施工工艺、受力以及变形性能做了大量的理论与试验研究，并取得了很好的研究成果。

2.1 管幕结构国外研究现状

Kwak 等[1]通过有限元模拟的方法，针对于管幕结构的钢管部分与土体部分的力学性能进行了研究，不同尺寸钢管的刚度具有很大差异，在钢管连接处会引起巨大的地基放大和应力集中。通过对两种情况下的应力集中和位移发生趋势的深入研究，结合实例进行分析，阐述了钢筋混凝土的薄弱环节处结构在动力荷载作用下的抗震特性。具体介绍了管幕结构在受到地震作用时，其结构不利位置以及位移发展方向，并对最不利位置进行抗震性能分析。

Lee[2]通过模型隧道试验，研究了隧道的稳定性和破坏形态。试验过程中采用了近距离摄影测量方法对地面变形进行了测量。最终将测量数据转换为位移矢量和等值线，并与有限元分析和经验公式进行了比较。与此同时，还对钢管加固模型隧道与无加固模型隧道进行了比较，并针对于钢管加固模型隧道和无加固模型隧道的地基变形进行了分析。

Sim 等[3]进行了地下通道矩形拱断面的试验研究，并分析了整体式管棚和承式隧道的受力性能。采用非开挖方法施工时，钢筋加砂浆的钢管推进地下形成管顶，提高了地下通道的稳定性。地下通道的矩形截面和拱截面的试验研究表明，由于共同荷载作用，作用在地下通道上的应力和应变减小。研究表明整体式管棚对于承担地下通道压力具有很好的效果，并且可以有效降低造价。

2.2 管幕结构国内研究现状

阎石，金春福等[4]对大直径钢顶管管幕结构的力学性能进行了分析。通过ANSYS 软件进行地层模型建立，在施工过程中采用顶管施工，该过程是钢管以及地层所受应力的动态平衡过程。并通过对钢管顶进的顺序、地表沉降最大值以及地表沉降与最终沉降之比、施工完成时钢管内最大应力等参数调整，针对于地层变形分布规律、钢管顶进过程各阶段对地表变形的影响以及钢管应力变形规律进行分析。研究表明施工顺序对钢管受力及地层影响较大，顶管过程中钢管相互影响且钢管内力不对称。

贾鹏蛟等[5-6]对多种参数下STS 管幕构件力学性能进行了研究，通过已有的试验数据，利用ABAQUS 软件进行有限元模拟。阐述了对管幕结构承载力的影响因素，翼缘板的间距、钢管的厚度、配筋率和螺栓直径的选取都会对其承载力产生影响，其中，翼缘板间距的调整对其力学性能的提升尤为明显。以沈阳地铁车站建设为基础，通过对两组管幕结构的试验研究及ABAQUS 有限元分析，探讨了STS管幕结构的弯曲破坏过程及影响因素。荷载作用过程中，混凝土和钢管交界处混凝土先出现裂缝，随着裂缝的发展，钢板下翼缘达到屈服状态。其中钢管间距及下翼缘板焊接对抗弯性能的影响最为明显，为管幕结构的应用提供了理论支持。

陶连金等[7]对砂卵石地层的管幕施工进行了试验研究，并以北京地铁区间隧道施工为工程背景，阐述了适合砂卵石地层的管幕工法。并通过现场原位试验对该工法进行研究，研究表明，管幕结构可有效解决土层扰动过大的问题，在施工过程中可选择小直径管幕作支护改善地层不均匀变形。

任辉等[8]对管幕冻结法开展了探究，并运用到港珠澳大桥拱北隧道口岸暗挖施工中。通过在实顶管以及空顶管内采用不同的组合形式，整理出三类管幕冻结法方案，并对该方案进行分析与论证。研究表明，三种方案中，实顶管与空顶管协同冻结方案效果最佳，实顶管为主与空顶管为辅的冻结方案较好，实顶管单独冻结模式方案效果较差。

3 管幕结构形式

3.1 传统管幕结构

传统的管幕形式是在纵向布置钢管，横向以锁扣进行连接，并在钢管内部浇筑混凝土。由于横向锁扣的约束作用较弱，所以在土方开挖过程中主要依靠管幕结构的纵向强度和临时钢拱架形成管棚支护体系。

3.2 新型管幕结构

新型管幕体系是在原有的传统管幕基础上进行改良，从而提升管幕结构的力学性能以及施工应用，目前新型管幕结构主要有NTR管幕结构、STS 管幕结构、NSTS 管幕结构、FCSR 管幕结构、PCR 管幕结构等。

（1）NTR 管幕结构

NTR 的英文全称是New Tubular Roof ,是我国2009 年由韩国引入的地下结构暗挖技术[9]。NTR 管幕结构是指在地下结构建造过程中，密排顶进多个大直径钢管，采取管间切割支护或钢管间以环梁进行连接，并在形成永久结构后进行土方开挖。其具有工程质量较高、结构可靠性较好以及施工安全等优点，通常其顶管采用箱型以及拱形两种形式，该结构形式的顶管管径尺寸以及结构尺寸调整比较容易，因此施工灵活方便。对于应对地下复杂环境施工以及超浅埋大跨度结构施工具有良好的应用效果，特别是跨度超过60m 的大跨度地下结构施工时具有极大的优势，韩国首尔地铁9 号线、沈阳地铁2 号线等地铁车站等工程项目皆采用了NTR 工法。

（2）STS 管幕结构

关永平等[10]等进行了STS 管幕结构的研究。STS 英文全称是steel tube slab，是一种浅埋暗挖技术。该工法是将多个钢管在横向增加翼缘板以及螺栓进行连接，以便抵抗纵横两方向荷载作用。此工法可用于建造超浅埋直墙平顶结构，并可达到空间体系的良好运用，在工程施工过程中不会对结构周边的建筑及管线产生不利影响，并且通过调整其钢管壁厚、翼缘板厚度等参数可有效提升其承载能力。

（3）NSTS 管幕结构

NSTS 英文全称是New Steel Tube Slab，该工法是采用小钢管将大钢管进行连接，并在内部进行混凝土浇筑，形成纵向布置大钢管混凝土以及横向增加小钢管组成的完整结构，可有效避免大钢管间清理难的问题[11]。具有承载力高、刚度大、造价低，以及施工速度快、施工过程简单、对周围生活环境影响小等优点，因而，这种结构非常适用于软土地层浅埋式大断面长距离暗挖地下工程，又因为其地面沉降较小、对周围环境及交通影响小等优点，特别适用于工况较为复杂的繁华地区，具有良好的经济效益以及社会价值。

（4）FCSR 管幕结构

赵文等[12]进行了FCSR 管幕结构的探究，FCSR 英文全称为flange-channel steel roof，即翼缘板-槽钢连接管幕结构。通过利用有限元软件进行其抗弯性能的模拟研究，研究其破坏模式及工作机理，该结构在受力过程中会发生延性破坏，横向刚度较高；影响其受力性能的主要因素是钢管间距的设置，管壁厚度及混凝土强度也会产生一定影响，而翼缘板的厚度对构件的承载力影响不大。

（5）PCR 管幕结构

熊学玉等[13]进行了PCR 管幕结构的探究，PCR 英文全称为prestressed concrete roof，即预应力管幕结构。是使用预应力技术提升管幕结构的横向整体稳定性能以及纵向抗弯变形能力，从而使其具有更高的安全性能以及经济效益。PCR 管幕结构形式分为两种，一种为隧道形，另一种为下路桁形。前者是对四角处钢筋进行预应力施加，顶板、底板、侧板采用预应力进行紧固，适用于宽度较窄且长度较长地下结构，如机场、车站等地下通道等；后者是将构件布置成“门”式结构，并用两端桥台进行支撑，适用于纵向和横向长度较小地下结构，如较短距离的多车道项目等。