地铁车站新管幕法破坏模式及其承载力计算方法研究

2022-06-07钟雪

铁道标准设计 2022年6期

钟雪

(沈阳地铁集团有限公司,沈阳 110011)

引言

新管幕工法具有变形控制好、安全性高、环境适应能力强等特点，对于超浅埋大跨地铁车站施工具有十分突出的优势。目前，已有学者对新管幕构件的力学性能及破坏模式开展相关研究，阎石等[1]采用ANSYS有限元计算软件，利用地层结构模型对NTR构件密排钢管的力学特性及对地层的作用进行了数值模拟分析；金春福[2]在对新管幕构件的模型试验中，总结出管幕结构在结点位置处的破坏特点及构件的极限承载力，对新管幕构件破坏模式及破坏机理进行了描述；黎永索等[3-5]为考察管幕预筑隧道衬砌结构在土方大开挖过程中的力学响应，对中国首个采用管幕预筑法工程进行了现场试验；李慎刚等[6]开展新管幕构件中钢管的顶进现场试验，并对顶进造成的地表位移和顶推力进行了监测，得出顶管顶进过程中地表横断面变形规律，地表变形随顶进距离的变化规律及STS新管幕特殊顶管形式下适合沈阳地区的顶力估算方法；赵文，董驾潮等[7-8]以STS管幕结构修建沈阳地铁某车站为依托，结合现场施工，通过现场试验和监测对顶管施工及混凝土浇筑等工艺进行了研究，解决了钢管顶进准确定位的难题和大直径带翼缘板钢管减阻问题，提出清理管间土和混凝土灌注的施工方法；GOTO 等[9]研究了在恒载与列车动载作用下管幕结构的应变、位移及管幕锁口的力学特性；TAN等[10]研究了管幕形状和钢管直径对地表沉降的影响，发现管幕作为超前支护结构可使隧道开挖时地表沉降减40%～50%；HISATAKE等[11]通过离心模型试验研究了管幕结构不同开挖方式对地表沉降的影响，结果表明分步开挖较全断面开挖可明显减少地面沉降；贾鹏蛟等[12]对翼缘板连接的管幕结构抗弯性能进行了研究，深入分析了翼缘板在构件中的作用；关永平等[13]对STS管幕结构抗弯性能进行了试验研究并对其中的参数进行了优化设计；贾鹏蛟等[14]针对新管幕结构受力模式及关键技术进行了分析；郝云超[15]采用有限元软件，分析影响新管幕构件抗弯能力的主要设计参数，对构件的工作机理、承载力的影响因素等进行了研究；赵朕[16]通过对新管幕结合洞桩法施工车站进行数值模拟，得出了各步序施工引起的地表沉降和新管幕构件受力状况，为现场车站施工提供指导和参考；王世哲[17]采用以试验方法为主、理论分析为辅的综合研究方法，对螺栓横向连接的锚固构件的锚固性能进行了研究。工程技术人员根据工程所处的地质条件及城区地表建(构)筑物复杂程度，对管幕工法进行了持续的改进和完善，在此基础上提出了一个新的地下工程施工理念，形成了具有中国地下工程特色的新型施工方法，即模筑衬砌支护法[18]。盛浩[19]通过模型试验得出简支梁和 Winkler 弹性地基梁相结合的理论计算模型，能较好地反映管幕结构的变形和受力特征。本文通过采用钢管混凝土原理[20]计算方法，对新管幕构件进行了计算。

新管幕构件作为一种新型结构受力体系用于地下工程领域，目前在理论上并未形成系统的计算体系，且由于其结构上的复杂性与多变性，建立数学模型进行计算较为困难，因此，目前设计中大多采用定性分析与工程经验相结合的方法。由于采用新管幕工法施工的地铁车站还较少，对新管幕构件的横向力学性能研究方面仅为针对现有结构的计算分析。依托沈阳地铁东北大马路站结构设计与施工，结合模型试验，从管幕构件横、纵向受力进行了分析，提出构件承载能力计算方法。基于构件横向承载力不足的问题，对新管幕构件结构进行优化设计，充分利用其纵向上钢管混凝土良好的受力性能，将纵向方面受力的优势发挥出来，更好地承担上覆荷载。

1 新管幕法破坏模式

1.1 试验目的

新管幕横向连接体系的设计合理与否直接影响新管幕整体结构的可靠性。为此，针对新管幕支护体系受力性能开展了室内模型试验。通过室内试验和理论研究，明确新管幕结构横向连接的几个关键构件对结构承载能力的影响，从而对新管幕构件连接方式等进行优化，以提高新管幕构件的承载能力。

1.2 试验方案及构件设计与实施

根据新管幕支护体系构件的构造特点和横向连接方式，本次试验共设计了17组整体承载力试件，其中，9组研究构件的抗弯承载力，8组研究构件的抗剪承载力。试验设计参数见表1、表2，试件沿纵向长度取0.5 m，模型试件的尺寸取实际试件的1/4，确定试件最终的钢管外径为219 mm、内径为207 mm。连接横向钢管的螺栓采用M10，4.6级螺栓；模型试验中螺栓纵向间距100 mm。

表1 抗弯试验设计参数(钢管壁厚6 mm)

表2 抗剪试验设计参数(钢管壁厚6 mm)

本次采用静力试验的方法，并采用单调分级加载静力试验，以便于观测和研究试件在静荷载作用下强度、刚度等基本性能，以及构件的破坏机制与构件荷载与变形的关系。通过传感器读出液压千斤顶所施加的荷载值；试件的挠度值使用位移计量测；试件混凝土与钢筋的应变值使用应变片测量并用采集箱采集，并观察、记录加载过程中混凝土裂缝出现与扩展的过程与形态。

1.3 试验现象及结论分析

荷载达到极限荷载的10%～20%时，构件加载点位置处由于弯矩最大，下翼缘板与钢管之间的混凝土在拉应力作用下首先出现开裂。荷载达到极限荷载的80%～90%时，整个构件下部继续受拉，随着拉应力增大，下翼缘板及螺栓达到钢筋屈服强度。荷载继续增大至极限荷载时，跨中两个加载点之间为纯弯段内，其中下翼缘板和受拉螺栓被拉断，试件发生延性破坏。模型裂缝示意如图1所示，模型试验构件现场破坏如图2所示。

图1 模型裂缝示意

图2 模型试验构件现场破坏

从试验现象可以得出如下结论。

(1)下翼缘板不焊接时，管幕构件极限承载力降低80%以上，说明下翼缘板焊接对新管幕构件的承载力影响极大，施工现场应充分保证下翼缘板的焊接质量，否则可能出现新管幕构件承载力远达不到设计值的情况。

(2)混凝土强度等级降低至C20时，新管幕构件极限承载力未降低；表明管间混凝土受钢管和翼缘板的约束，其强度得到提高，施工现场如能保证管间清土和混凝土灌注质量，可适当降低混凝土强度等级。

(3)均布加载方式、加大螺栓配筋率、螺栓是否通长布置等条件对新管幕构件的承载力影响不大，极限承载力变化几乎很小，表明施工现场焊接上翼缘板以及采用通长螺栓等措施，对新管幕构件的极限承载力提高效果不显著，意义不大；同时可适当减小上翼缘板厚度。

(4)新管幕法模型试验表明，管幕在跨中弯矩作用下发生了下翼缘板拉裂、上翼缘板压溃的破坏模式，表明钢管之间的连接仍然是新管幕法的薄弱环节。

2 新管幕构件承载力计算方法

新管幕结构中钢管通过扣件及翼板的连接形成整体横向受力结构，在结构纵向上目前均按梁式构件考虑。因横向上结构通过扣件以及翼板连接，整体结构刚度较纵向小很多，因此，如何发挥新管幕构件纵向上良好的受力性能成为关键。

2.1 新管幕构件横向承载力计算方法

由上节试验得出的结论可知，管幕在跨中弯矩作用下会发生下翼缘板拉裂、上翼缘板压溃的破坏模式，在这种模式中管幕构件下部结构的抗拉作用主要靠焊接在钢管上的下翼缘板来承担，而管幕构件上部承受的压应力大部分由混凝土来承担，这也正是常规钢筋混凝土梁的受力特点，基于此对新管幕构件进行简化计算。目前，对新管幕构件横向力学承载力计算方法中，最常见的为简支梁计算模型，由于其在纵向上长度较大，可简化为平面应变模型。在管幕构件施工完成后进行土方开挖时，管幕构件下方土体被挖除，在上覆土荷载作用下，管幕构件承受较大的弯矩和剪力，如图3所示。

图3 管幕构件横向受力示意

图3中，q(x)为地面均布荷载；p(x)为地层反力。当新管幕构件受到横向受弯荷载时，最不利截面为钢管之间的位置，根据简支梁均布荷载下弯矩计算公式

(1)

式中，l为简支梁跨度。即可求得跨中位置处最大弯矩值。此时若跨中位置正处于新管幕构件的薄弱位置时，此时为最不利工况，如图4所示。

图4 新管幕构件薄弱位置示意

由于该处边界条件较为复杂，现将其等效为钢筋混凝土矩形梁进行计算。在纵向上取单位长度1 m进行等效为双向钢筋截面梁，其等效受力示意如图5所示。

图5 截面梁等效受力示意

其中，构件考虑以下4种力的作用，受压区混凝土压应力Fc、受压区螺栓压应力Fck、受拉区螺栓拉应力Ftk以及受拉翼板拉应力F1，拉压螺栓面积相同。按钢筋混凝土设计规范基本假定进行计算如下。

(1)受压区混凝土合力

Fc=α1fcbx

(2)

(2)受压区螺栓合力

(3)

(3)受拉区螺栓合力

Fck=fyAs

(4)

(4)受拉区翼板合力

F1=fytAt

(5)

力平衡方程为

Fc+Ftk=Fck+F1

(6)

由式(2)可以求得混凝土受压区高度x，此时受压区高度有以下3种情况，第一种为求得的受压区高度x

2as≤x≤xb=ξbh0

(7)

对受拉翼板位置处取矩,可求得此时正截面受弯承载力

Mu=α1fcbx(h-x/2)+fyAs(h-as)-fytasAs

(8)

第二种情况为当混凝土受压区高度x大于界限受压区高度时，取受压区高度为界限受压区高度，即

x=xb=ξbh0

(9)

此时只需将x代入式(8)即可。即

Mu=α1fcbξbh0(h-(ξbh0)/2)+fyAs(h-as)-fytasAs

(10)

第三种情况为混凝土受压区高度小于2倍的混凝土保护层厚度时，可近似取

x=2as

(11)

此时，受压螺栓合力与受压混凝土合力作用点相互重合，对合力作用点取矩可以得到

Mu=fyAs(h-as)+fytAt(h-as)

(12)

由承载力计算公式可得出以下结论，受拉区螺栓及翼板对构件承载力影响较大。因实际施工中螺栓的限制，提高螺栓强度在施工和造价上意义不大，而提高翼板强度是提高整个构件承载能力最经济有效的方式。翼板强度的提高方式可考虑以下两方面，一是增加翼板厚度，二是提高翼板焊接质量。

2.2 新管幕构件纵向承载力计算方法

纵向承载力可采用钢管混凝土梁进行计算，对圆钢管混凝土受弯构件的抗弯承载力计算时，有如下3条基本假设：①平截面假定，且只对危险截面进行计算；②不考虑受拉区混凝土的拉应力；③在达到极限抗弯承载力时，截面上受压区混凝土达到抗压强度设计值fc，受拉区和受压区的钢管强度均达到了抗拉强度设计值fy。图6为钢管混凝土达到承载力极限状态时，截面上钢管和混凝土的应力分布。

图6 钢管混凝土应力分布

图6中，r和R分别为圆钢管的内外径。由图中构件受力情况分析可知，构件的抗弯承载力Mu由受压区混凝土承担的弯矩Mc、受拉区钢管承担的弯矩Mt和受压区钢管承担的弯矩Mc1组成，即

Mu=Mc+Mt+Mc1

(13)

受压区混凝土、受拉区钢管和受压区钢管各自承担的轴向力Fc、Ft和Fc1可由各自材料强度乘以各自区域面积得到，由图6所示关系计算可得

Fc=fcAC

(14)

Ft=ftAt

(15)

Fc1=fyAc1

(16)

式中，Ac，At，Ac1分别为受压区混凝土、受拉区钢管和受压区钢管面积；dc、dt和dc1分别为受压区混凝土、受拉区钢管和受压区钢管区域的形心至x坐标轴的距离，则受压区混凝土承担的弯矩Mc为

Mc=Fcdc

(17)

同样可得

Mt=Ftdt

(18)

Mc1=Fc1dc1

(19)

根据截面上力的平衡条件，有

Fc=Ft+Fc1

(20)

由此，联立上式方程可以进行中和轴高度的求解及承载力计算。

根据模型试验所采用的材料，采用本节的承载力计算方法进行验算，其中，模型材料种类和参数如下：①本次试验采用混凝土强度等级为C40；②钢管采用外直径219 mm，厚6 mm的无缝钢管，翼缘板采用6 mm厚钢板，并焊接于钢管上；③横向连接钢筋采用φ10 mm钢筋，使用M10螺栓固定，钢筋长225 mm，纵向间距100 mm，上下间距125 mm，混凝土保护层厚度20 mm。根据计算得出其抗弯承载力约为240 kN·m，而模型试验中采取如上加载方式的力为445 kN，进行换算可得出弯矩为278 kN·m。文中抗弯承载能力计算方法略低于管幕构件的实际承载能力，在计算上趋向于保守，分析其原因为公式中采用的简化模型为矩形截面方式。

3 优化设计方案

通过前文对新管幕构件的模型试验及承载力分析可知，新管幕构件破坏主要发生在构件的下翼板与钢管的连接处，构件的承载能力受到构件横向连接中与钢管连接的下翼缘板抗拉强度限制，若想提高整个管幕的承载能力，需对管幕构件进行优化设计。

3.1 结构横纵向优化方案

考虑到其横向承载能力不足及纵向钢管混凝土受力得不到充分利用，对新管幕构件结构进行优化设计，从横向和纵向两方面来进行。在横向上考虑到实际受力情况，管幕构件下部的抗拉极限取决于下翼缘板的抗拉强度，因此，从构造上改变下翼缘板的结构形式，增加下翼缘板宽度及提高下翼缘板与钢管混凝土的连接。在纵向上将钢管混凝土进行分段，并在分段处设置支撑，架立钢架及浇筑混凝土对成段的钢管混凝土进行支撑，与管幕构件共同承受荷载，形成整体支护体系。这种优化设计的核心理念就是，通过架立的钢筋混凝土结构一方面来传递上面构件传递的荷载，另一方面在支撑处将构件横向连为一体，提高横向承载能力。新管幕结构施作方式没有变化，在构件施作完成后，对钢管进行切割，创造工作面，进行第二道支撑结构的施作。这样就相当于在这两者之间形成简支梁模式，这种结构由上面的管幕构件和下面的支撑共同受力。相邻两道支撑之间的管幕构件相当于简支梁，后面施作的两道支撑作为简支梁的支座。管幕构件在两道支撑作用下整体刚度以及抗弯承载力均得到了较大程度提高。构件上覆土压力及地面荷载等通过管幕构件传递到相邻的两道支撑中。

对新管幕结构进行优化设计后，整个结构受力方式转为传统的简支梁模型，在设计时结构更加简单明确，按传统简支梁结构模型计算即可。并且在上述结构完成后，可进行整个隧道结构部分土体的大开挖，极大地简化施工步序，同时提高施工安全性。相较于未经优化的方案，其相当于又增加了许多支座结构，在相同荷载作用下，对地面沉降的控制效果也会更好。

3.2 优化后结构受力分析

优化后新管幕组合结构纵向受力示意如图7所示。

图7 优化后组合结构纵向受力示意

在隧道横断面方向上，新管幕法中受力主体为钢管混凝土加扣件及翼板组成的组合受力体系。由于新管幕构件在主体结构的土方开挖阶段承受上覆土压力及路面荷载，在无临时支撑的情况下需依靠钢管间的连接强度提供横向承载力，其承载力对整个工程的安全性最为关键。新管幕构件横向连接下部受拉仅有连接相邻钢管的螺栓和翼缘板，承载能力有限，这部分是管幕结构受力的最薄弱环节。而经过优化后的结构相当于在钢管幕下方施加了一个整体的横梁，将新工法中的最不利状况进行了有效解决，受力简图如图8所示。

图8 优化后组合结构横向受力示意

4 工程应用

4.1 工程概况

本工法首次应用于国内沈阳地铁10号线东北大马路站，车站位于东北大马路与北海街十字路口，跨东北大马路设置，为10号线与远期7号线的换乘车站。车站中部跨东北大马路段有改移困难的军用电缆隧道及110 kV供电管廊，因此，车站中部跨路段需采用暗挖法施工。该段覆土埋深仅4 m，采用常规浅埋暗挖法施工风险较大。鉴于以上问题及前述背景，为尽可能保证车站使用功能(站厅层连通)，同时尽量减少10号线车站埋深，以降低工程投资及远期7号线车站的实施难度，本车站中部暗挖段采用新管幕法解决上述问题。东北大马路站为双层三跨矩形框架结构，车站北端基坑采用半盖挖法，南端基坑采用明挖法，中部跨路暗挖段平面如图9所示。新管幕法采用平顶直墙结构，先完成由相互连为一体的钢管形成初期支护，然后开挖土体并完成二衬，采用基坑外降水方案，暗挖段剖面如图10所示。

图9 东北大马路站暗挖段平面

图10 东北大马路站暗挖段剖面

综合比较目前国内常规暗挖工法，在本项目中的应用存在以下问题。

(1)在不改变车站埋深的情况下，由于埋深太浅，车站中部暗挖段仅能做单层结构，车站站厅层需断开，严重影响了换乘车站的使用功能。

(2)在保证站厅层连通的情况下，车站埋深增加较大、不经济，同时，车站埋深增大会进一步加大远期7号线车站及区间的实施难度。

4.2 承载力计算

按照新管幕构件最不利工况进行承载能力计算，当管幕构件施作完毕后，下一步工序为管幕下方小导洞开挖，如图11中工序3开挖，开挖完成后为构件的最不利状态。此时结构受力见图3，应按该工况进行构件承载能力计算。

图11 最不利工况示意

实际工程中计算材料及参数如下：①混凝土强度等级为C40；②钢管采用16 mm厚钢板，卷成900 mm直径钢管；③翼缘板采用20 mm厚钢板，并焊接于钢管上；④横向连接钢筋连接采用M30螺栓固定，螺栓长860 mm，纵向间距150 mm，上下间距500 mm，翼缘板上下间距700 mm。工序3导洞跨度按5 m考虑，上覆土层厚4.2 m。根据力平衡条件可求得受压区高度为38 cm，满足式(7)要求，以此求得该工序下受弯承载力为3 312 kN·m，远大于按全土柱法计算得出的上覆荷载引起的最大弯矩718 kN·m，可以看出，受弯承载力安全系数达4.6，可保证施工期间的安全。但在施工中应严格控制施工质量，尤其是下翼板之间及其与钢管的焊接质量，同时也要关注浇筑钢管混凝土的质量，防止出现空洞等缺陷。

4.3 沉降控制措施及效果

对地表沉降及地下管线的变形控制是本工程的重难点，因此，本文主要研究新管幕法开挖导致的地表沉降。现场沉降测点布置如图12所示。

图12 东北大马路站暗挖段监测平面

图12中共设置3个地表沉降监测断面，分别为始发端、接收端及顶管中部。结合监测情况，地表沉降可分为4个阶段，第一阶段为新管幕构件施工引起的沉降，主要控制措施为：①在钢管顶进过程中对四周进行注浆，以减少顶进过程中管土摩擦；②管头土体开挖过程中严格控制超挖，防止对管头外部土体扰动过大。第二阶段为管间切割引起的地表沉降。第三阶段为管幕内部土体开挖过程中引起的地表沉降，主要控制措施为对内部土体进行注浆加固，方案优化后提高了管幕结构整体刚度，此阶段引起的地层沉降明显得到改善。第四阶段为地表固结引起的地表沉降。

监测沉降数据主要包括地表竖向位移及管线竖向位移，最终监测数据显示地表竖向位移累计最大值为12.70 mm，小于控制值40 mm；拱顶最大沉降值为12.80 mm，小于控制值20 mm；管线最大变形量为3.92 mm。每日监测的沉降数据变化不大，符合变形速率要求。

4.4 优化方案施工方法及优点

在施工过程中，由于无现成的技术规范及计算方式来进行验证，分析认为，在上覆荷载作用下，管幕构件横向连接过于薄弱，容易发生构件横向连接开裂的事故，加之人为焊接焊缝质量得不到保证，施工风险会进一步提高。如上述试验中一旦发生下翼缘板拉裂的情况，整个构件的承载能力近乎完全丧失，隧道面临巨大风险。

该工程暗挖段纵向长43.1 m，可将整个管幕分为2段，每段长度约为22 m，除去两个端部以外，中间设置2 m厚搭接段。搭接段优先施工混凝土衬砌结构，用于支撑管幕结构，架立钢架及浇筑混凝土对成段的钢管混凝土进行支撑，与管幕构件共同承受荷载，形成整体支护体系。这样原有通长设置的管幕构件在纵向上被分为每段约为22 m的小段简支梁结构。

采用经过优化后的方案进行施工，不仅可提高管幕构件整体的承载能力，同时优化了受力体系，上覆荷载可直接通过简支梁的支座传递至下部。在管幕下方纵向上每隔一段设置横梁的方式，无论是在纵向上还是在横向上分析均对整个管幕构件承载能力有进一步的提高，投资无需过多增加，可供类似工程参考。