双钢管管幕结构的抗弯刚度与自重特征分析

2022-03-10马玉辉中铁二十四局集团安徽工程有限公司安徽合肥230000

安徽建筑 2022年2期

马玉辉（中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽合肥 230000）

1 引言

管幕预筑法是在拟建地下工程设定的轮廓位置顶进密排大直径钢管群，钢管顶进就位后在钢管内部浇筑混凝土，后续再在钢管群保护下开挖、施工内部结构，最终形成地下空间的一种建造方法。管幕预筑法常用于穿越道路、铁路、结构物、机场等工程的非开挖技术，具有对地面交通影响小、地表沉降小、对复杂环境适应性强等特点[1-4]。

大直径钢管内部填充混凝土，故管幕结构的刚度由钢管与混凝土共同组成，刚度越大其变形越小。刘增龙[5]以北京首都国际机场2号航站楼与3号航站楼之间的联络通道穿越机场跑道工程为背景，对大跨度浅覆土管幕暗挖法施工引起机场跑道沉降变形规律进行了分析，结果表明最大沉降点发生在中心轴位置，达到-13mm。陶连金等[6]依托实际工程对管幕施工及新建地铁隧道下穿既有地铁隧道施工过程进行了数值分析，结果表明在管幕预支护体系作用下，新建隧道的施工对上部地层的扰动以沉降为主；新建地铁左、右线隧道施工引起的土层沉降具有叠加效应。张超哲等[7-8]探讨了一种采用H型钢连接的新型管幕结构的受力特征和破坏规律，结果表明钢管壁厚对承载力影响明显，翼缘板厚度对其影响不明显，混凝土强度对其具有一定影响。赵文等[9]对一种采用翼缘板—槽钢连接的新型管幕结构抗弯性能的关键参数进行了分析，结果表明钢管壁厚和混凝土强度的增加对构件承载力具有一定的影响。韩现民等[10]对以下穿太原火车站工程为依托，对钢管与混凝土间界面状态、构件截面几何特征和管壁厚度等对结构构件抗弯能力影响进行研究。结果表明截面几何特征对承载能力影响较大，截面极限抗弯承载力随管壁厚度的减小而呈线性减小规律。另外还有其他学者[11-14]对管幕的受力与变形性能进行了广泛研究，为深入了解管幕的变形机制提供了重要理论基础。

但目前大多数研究仅关注钢管直径、壁厚增加对钢管刚度的有利影响，而较少涉及管幕总体重量增加对沉降变形的不利影响。事实上，一方面钢管直径越大其抗弯刚度越大，但另一方面其总重量也越大[15，16]。在箱涵顶进就位的最危险工况中，若管幕结构横向刚度较小，管幕的大部分重量往往由两端的管幕梁承担，对于大跨度管幕结构来说，管幕梁承担了过大的上覆荷载，可能导致变形过大。

可见，有必要发展一种刚度较大而总体重量相对较小的管幕结构，以保证大跨度管幕结构的变形在允许范围内。现以合肥市滨湖科学城大连路(青海路—包河大道)道路及综合管廊工程为依托，探讨钢管刚度及自重变化对下穿机场主跑道管幕结构的变形影响。

2 传统管幕结构抗弯刚度特征

2.1 工程概况

合肥市滨湖科学城大连路位于中央公园内，东西走向，西起青海路，东至包河大道，道路全长约2.3km，规划为城市主干路，双向六车道，设计时速60km/h。大连路隧道设计范围西起青海路，下穿现状骆岗机场跑道，止于新建庐州大道交点，为保留公园内机场跑道，采用管幕法隧道顶进施工，暗埋段隧道全长495m，敞口段U型槽长度235m。

合肥市大连路隧道工程在桩号4+87.45～6+81.15处下穿合肥市骆岗机场跑道（跑道已弃用），平面交角69°，地下道路与综合管廊结构桩间水平最小净距4.87m，顶部覆土5.3～6.13m。该节点采用预制隧道顶进法施工，顶进长度约93.7m。管幕支护设计方案采用44根壁厚16mm直径1.6m长的带锁扣定制钢管组成四周口字型结构，锁扣分为雌扣和雄扣，锁扣采用工厂焊接热轧不等边角钢，顶进长度为92.7m，断面如图1所示。钢管顶进采用2台直径1.6m泥水平衡顶管机由东工作井往西接收井掘进施工，钢管单节长不小于6m，分节间采用鸳鸯坡口焊连接，如图2所示。

图1 管幕结构横断面图

图2 钢管顶进施工现场图

钢管顶进主要位于④1层、④2层中。④1层粘土（Q3al+p）l：层厚1.5～7.8m，层底标高13.50～20.51m，黄褐、褐黄、灰黄色，硬塑状态，湿，含铁锰结核、氧化物、高岭土等，光滑，无摇震反应，干强度及韧性高等，为合肥地区较典型的膨胀土层。④2层粘土（Q3al+p）l：该层土部分钻孔钻穿，最大揭示厚度18.8m，褐黄、灰黄、黄褐色，硬塑状态为主，局部坚硬状态，湿，含铁锰质结核（局部富集）、氧化物、高岭土等，局部间夹薄层粉质粘土，光滑，无摇振反应，干强度及韧性中～高等。

2.2 钢管抗弯刚度分析

管幕结构中的钢管横断面如图3所示，钢管内部被混凝土填充。根据《钢管混凝土结构技术规范》，钢管混凝土的截面组合抗弯刚度EI可由式(1)计算[17]。

图3 传统管幕钢管横剖面图

式中：EI——钢管混凝土的组合抗弯刚度；Es、Ec——分别为钢管、钢管内混凝土的弹性模量；Is、Ic——分别为钢管、钢管内混凝土的截面惯性矩。

以钢管内部填充C20等级混凝土为例，可计算得到不同钢管直径时钢管混凝土的组合抗弯刚度，如图4所示。可见，管幕钢管混凝土中，混凝土的抗弯刚度EcIc大于钢管的抗弯刚度EsIs，且随着钢管半径的增加相互差距越来越大。如钢管半径取0.80m时，混凝土抗弯刚度EcIc是钢管抗弯刚度EsIs的1.47倍。

合肥市大连路隧道工程的钢管长度为93.7m，现以该长度测算单根钢管混凝土的自重情况，如图5所示。可见，管幕钢管混凝土中，混凝土的自重Gc远大于钢管的自重Gs，且随着钢管半径的增加相互差距越来越大。如钢管半径取0.80m时，混凝土自重Gc是钢管自重Gs的7.12倍。

对比图4与图5可知，管幕钢管混凝土中，混凝土一方面提供了较大的抗弯刚度（有利的方面），但另一方面也大大增加了管幕结构的整体自重（不利的方面）。为了考察混凝土的综合效应，不妨建立一个抗弯刚度与重度比例系数β，其由式(2)确定。β越大，说明相同自重情况下结构具有更大的抗弯刚度，其变形更小，对工程有利。

比例系数β与钢管半径的相互关系如图6所示，可见，钢管的比例系数βs远大于混凝土比例系数βc，钢管混凝土的综合系数β远小于钢管比例系数βs。如钢管半径取0.80m时，钢管比例系数βs是混凝土比例系数βc的4.84倍，管比例系数βs是综合系数β的3.28倍。

根据上述特征可知，可通过增加钢管用量、减少混凝土用量，达到提高钢管混凝土的总体刚度且降低其自重的目的，进而对提高管幕结构稳定性、降低土体变形有利。

3 双钢管管幕结构特征分析

3.1 双钢管管幕结构设计

为此，本文提出一种高强度双钢管管幕结构，其包括外部钢管、内部钢管与固定环；固定环由外钢环、内钢环与扇形钢板焊接而成；组装时，多个固定环基于内钢环均匀套在内部钢管外表，再整体嵌于外部钢管的内部；在外部钢管与内部钢管之间浇筑混凝土(或在内部钢管内部也浇筑混凝土)，由此形成双钢管管幕结构。

如果仅在外部钢管与内部钢管之间浇筑混凝土，内部钢管中空，则形成双钢管空心管幕结构，如图7(a)所示；如果所有空隙均浇筑混凝土，则形成双钢管实心管幕结构，如图7(b)所示。可根据实际情况确定是否需要对内部钢管内侧填充混凝土。

图7 双钢管管幕结构横剖面图

固定环构型如图8所示。固定环的内钢环内径略大于内部钢管的外径、外钢环外径略小于外部钢管的内径，使固定环能套在内部钢管外表，如图9所示。固定环上所有扇形钢板的弧度总和不大于180°，使后续在外部钢管与内部钢管之间浇筑混凝土时，混凝土能够顺利穿越、透过固定环而充满整个空间。

图8 固定环结构示意图

图9 固定环与内部钢管连接示意图

多个固定环均匀、对称地焊接在内部钢管的外表，便于内部钢管基于固定环在外部钢管内部行走与穿越。外部钢管、内部钢管与固定环的相互组装如图10所示。

图10 外部钢管与内部钢管连接示意图

3.2 双钢管空心管幕结构刚度特征

根据《钢管混凝土结构技术规范》[17]，图7(a)所示空心钢管混凝土的截面组合抗弯刚度EI可由式(3)计算得到。

式中：I外、I内——分别为外部钢管、内部钢管的截面惯性矩，Ic为内外钢管之间的混凝土截面惯性矩。

以外部钢管半径为0.80m为例，计算得到了内部钢管半径不同取值时外部钢管、内部钢管、内外钢管之间混凝土及管幕总体的刚度变化情况（内部钢管中空），如图11所示。可见：

图11 空心管幕结构抗弯刚度与内部钢管半径之间的关系

①随着内部钢管半径的增加，内外钢管之间混凝土的抗弯刚度逐渐减小，内部钢管的抗弯刚度逐渐增加，当内部钢管半径大于0.60m时，内外钢管之间混凝土的抗弯刚度开始小于外部钢管的抗弯刚度；

②当内部钢管半径小于0.50m时，内部中空的双钢管总体抗弯刚度与未设置内部钢管的传统钢管抗弯刚度基本相等。当内部钢管半径大于0.50m时，内部中空的双钢管总体抗弯刚度逐渐小于未设置内部钢管的传统钢管抗弯刚度。

进一步得到了内部中空的双钢管空心结构的自重分布情况，如图12所示，可见：

图12 空心管幕结构自重与内部钢管半径的相互关系

①随着内部钢管半径的增加，内外钢管之间混凝土的自重逐渐减小，内部钢管的自重逐渐增加，总体上看，内外钢管之间混凝土的自重远大于内外钢管的自重，如内部钢管半径为0.50m时，混凝土自重为外部钢管自重的4.34倍；

②内部中空管幕结构的总自重随着内部钢管半径的增加而减小；

③设置内部中空的内部钢管后，管幕结构的总自重小于未设置内部钢管的传统管幕自重。如内部钢管半径为0.50m时，管幕结构的总自重等于未设置内部钢管的传统管幕自重的76.1%。

由图11与图12可知，当内部钢管半径等于0.50m时，虽然双钢管空心管幕结构的抗弯刚度与传统管幕结构的抗弯刚度基本相当，但其自重仅为统管幕结构自重的76.1%，即单根钢管减少自重达1093kN，显然对提高管幕结构的稳定性、降低土体变形是有利的。

该方法的技术意义在于：在维持管幕结构抗弯刚度基本不变情况下，通过增设内部钢管、减少混凝土的浇筑体积，达到了降低管幕结构整体自重的效果，为管幕结构的优化设计提供了新思路。

3.3 双钢管实心管幕结构刚度特征

当然，也可以根据需要对内部钢管也进行混凝土填充，形式双钢管实心管幕结构，如图7(b)所示，现探讨该构型的抗弯刚度特征。

以外部钢管半径为0.80m为例，计算得到了内部钢管半径不同取值时管幕结构的抗弯刚度变化情况，如图13所示。可见：增设内部钢管后，随着内部钢管半径的增加，双钢管实心管幕结构的抗弯刚度逐渐大于传统单钢管实心管幕结构的抗弯刚度。如内部钢管半径为0.60m时，双钢管实心管幕结构的抗弯刚度比传统单钢管实心管幕结构抗弯刚度增大17%。

图13 双钢管实心管幕结构抗弯刚度特征分析

以外部钢管半径为0.80m为例，计算得到了内部钢管半径不同取值时管幕结构的自重变化情况，如图14所示。可见：增设内部钢管后，双钢管实心管幕结构的自重略大于传统单钢管实心管幕结构的自重。如内部钢管半径为0.60m时，双钢管实心管幕结构的自重比传统单钢管实心管幕结构自重增大9.5%。

图14 双钢管实心管幕结构自重特征分析

进一步得到了不同工况下管幕结构抗弯刚度与重度比例系数β取值情况，如图15所示，可见：

图15 β与内部钢管半径的相互关系

①随着内部钢管半径的增加，双钢管空心结构的比例系数逐渐远大于传统单钢管实心结构的比例系数，如内部钢管半径为0.60m时，双钢管空心管幕结构的抗弯刚度与重度比例系数是传统单钢管实心结构相应值的1.56倍，说明双钢管空心结构具有较高的“性价比”；

②当内部钢管半径小于0.45m时，双钢管实心结构的比例系数小于传统单钢管实心结构的相应值，但两者差别不大。

可见，与传统单钢管实心管幕结构相比，双钢管实心管幕结构的自重略有增加，但其抗弯刚度增加更大，总体上还是有利的。对于管幕结构总体长度不大、管幕自重对整体影响有限的情况下，可以通过增设内部钢管，可达到提高管幕结构抗弯刚度、降低土体变形的目的。

4 双钢管管幕结构的应用

增设内部钢管后，其造价与传统管幕结构有所提高，故所提双钢管管幕结构可仅在变形较大的关键部位使用，而无需在所有位置使用。该做法大大降低了关键部位的变形，提高了管幕结构的安全性，而对总体造价影响有限，性价比较高。具体分析如下：

①对于管幕结构整体长度大、上覆土体强度较低、管幕横向连接刚度较弱、管幕自重对结构变形影响相对较大时，可采用双钢管空心结构，其可实现维持管幕结构抗弯刚度基本不变情况下，大大降低管幕结构整体自重的效果。且往往在顶排中部的钢管变形较大，故仅在顶排中部的局部范围使用双钢管空心结构，其余位置仍采用传统的单钢管实心结构，如图16所示；