楊丹萍， 孫正財(cái)

【1.吉林建筑科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130114；2.吉林省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院（吉林省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心），吉林 長(zhǎng)春 130012】

隨著城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，城市地區(qū)面臨著路況擁堵十分嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，地下空間資源的開發(fā)以及利用尤為重要，其對(duì)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)、環(huán)境建設(shè)以及社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等方面都具有積極意義。為改善交通擁堵等問(wèn)題，建設(shè)城市地鐵、地下隧道等地下交通方式已經(jīng)成為必要舉措。為提高地下工程施工的安全性以及有效性，管幕結(jié)構(gòu)這種地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)被提出，目前國(guó)內(nèi)外許多大跨度地下結(jié)構(gòu)施工都采用了此工法，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。管幕結(jié)構(gòu)作為大跨度地下結(jié)構(gòu)的有效圍護(hù)方法之一，具有很好的應(yīng)用與研究前景。

1 管幕結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)

管幕結(jié)構(gòu)是修建地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的暗挖法中有效方法之一。它是利用頂管技術(shù)在擬建的地下建筑物四周頂進(jìn)鋼管，鋼管之間進(jìn)行連接而形成的地下空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)。管幕結(jié)構(gòu)具有施工時(shí)噪音小、地表沉降小、無(wú)需進(jìn)行道路改建及管線調(diào)整、適用于多種土體的地下施工等優(yōu)點(diǎn)，常用于地鐵車站項(xiàng)目、下穿高速公路以及鐵路工程的地道建設(shè)中。港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道即采用了管幕工法進(jìn)行暗挖段施工。

2 管幕結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

管幕結(jié)構(gòu)作為大跨度地下結(jié)構(gòu)的有效圍護(hù)體系，具有很好的應(yīng)用與研究?jī)r(jià)值。國(guó)內(nèi)外許多專家、學(xué)者已經(jīng)針對(duì)于管幕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、施工工藝、受力以及變形性能做了大量的理論與試驗(yàn)研究，并取得了很好的研究成果。

2.1 管幕結(jié)構(gòu)國(guó)外研究現(xiàn)狀

Kwak 等[1]通過(guò)有限元模擬的方法，針對(duì)于管幕結(jié)構(gòu)的鋼管部分與土體部分的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，不同尺寸鋼管的剛度具有很大差異，在鋼管連接處會(huì)引起巨大的地基放大和應(yīng)力集中。通過(guò)對(duì)兩種情況下的應(yīng)力集中和位移發(fā)生趨勢(shì)的深入研究，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析，闡述了鋼筋混凝土的薄弱環(huán)節(jié)處結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的抗震特性。具體介紹了管幕結(jié)構(gòu)在受到地震作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)不利位置以及位移發(fā)展方向，并對(duì)最不利位置進(jìn)行抗震性能分析。

Lee[2]通過(guò)模型隧道試驗(yàn)，研究了隧道的穩(wěn)定性和破壞形態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程中采用了近距離攝影測(cè)量方法對(duì)地面變形進(jìn)行了測(cè)量。最終將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位移矢量和等值線，并與有限元分析和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較。與此同時(shí)，還對(duì)鋼管加固模型隧道與無(wú)加固模型隧道進(jìn)行了比較，并針對(duì)于鋼管加固模型隧道和無(wú)加固模型隧道的地基變形進(jìn)行了分析。

Sim 等[3]進(jìn)行了地下通道矩形拱斷面的試驗(yàn)研究，并分析了整體式管棚和承式隧道的受力性能。采用非開挖方法施工時(shí)，鋼筋加砂漿的鋼管推進(jìn)地下形成管頂，提高了地下通道的穩(wěn)定性。地下通道的矩形截面和拱截面的試驗(yàn)研究表明，由于共同荷載作用，作用在地下通道上的應(yīng)力和應(yīng)變減小。研究表明整體式管棚對(duì)于承擔(dān)地下通道壓力具有很好的效果，并且可以有效降低造價(jià)。

2.2 管幕結(jié)構(gòu)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

閻石，金春福等[4]對(duì)大直徑鋼頂管管幕結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了分析。通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行地層模型建立，在施工過(guò)程中采用頂管施工，該過(guò)程是鋼管以及地層所受應(yīng)力的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。并通過(guò)對(duì)鋼管頂進(jìn)的順序、地表沉降最大值以及地表沉降與最終沉降之比、施工完成時(shí)鋼管內(nèi)最大應(yīng)力等參數(shù)調(diào)整，針對(duì)于地層變形分布規(guī)律、鋼管頂進(jìn)過(guò)程各階段對(duì)地表變形的影響以及鋼管應(yīng)力變形規(guī)律進(jìn)行分析。研究表明施工順序?qū)︿摴苁芰暗貙佑绊戄^大，頂管過(guò)程中鋼管相互影響且鋼管內(nèi)力不對(duì)稱。

賈鵬蛟等[5-6]對(duì)多種參數(shù)下STS 管幕構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行了研究，通過(guò)已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用ABAQUS 軟件進(jìn)行有限元模擬。闡述了對(duì)管幕結(jié)構(gòu)承載力的影響因素，翼緣板的間距、鋼管的厚度、配筋率和螺栓直徑的選取都會(huì)對(duì)其承載力產(chǎn)生影響，其中，翼緣板間距的調(diào)整對(duì)其力學(xué)性能的提升尤為明顯。以沈陽(yáng)地鐵車站建設(shè)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)兩組管幕結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究及ABAQUS 有限元分析，探討了STS管幕結(jié)構(gòu)的彎曲破壞過(guò)程及影響因素。荷載作用過(guò)程中，混凝土和鋼管交界處混凝土先出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的發(fā)展，鋼板下翼緣達(dá)到屈服狀態(tài)。其中鋼管間距及下翼緣板焊接對(duì)抗彎性能的影響最為明顯，為管幕結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了理論支持。

陶連金等[7]對(duì)砂卵石地層的管幕施工進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并以北京地鐵區(qū)間隧道施工為工程背景，闡述了適合砂卵石地層的管幕工法。并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)對(duì)該工法進(jìn)行研究，研究表明，管幕結(jié)構(gòu)可有效解決土層擾動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，在施工過(guò)程中可選擇小直徑管幕作支護(hù)改善地層不均勻變形。

任輝等[8]對(duì)管幕凍結(jié)法開展了探究，并運(yùn)用到港珠澳大橋拱北隧道口岸暗挖施工中。通過(guò)在實(shí)頂管以及空頂管內(nèi)采用不同的組合形式，整理出三類管幕凍結(jié)法方案，并對(duì)該方案進(jìn)行分析與論證。研究表明，三種方案中，實(shí)頂管與空頂管協(xié)同凍結(jié)方案效果最佳，實(shí)頂管為主與空頂管為輔的凍結(jié)方案較好，實(shí)頂管單獨(dú)凍結(jié)模式方案效果較差。

3 管幕結(jié)構(gòu)形式

3.1 傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的管幕形式是在縱向布置鋼管，橫向以鎖扣進(jìn)行連接，并在鋼管內(nèi)部澆筑混凝土。由于橫向鎖扣的約束作用較弱，所以在土方開挖過(guò)程中主要依靠管幕結(jié)構(gòu)的縱向強(qiáng)度和臨時(shí)鋼拱架形成管棚支護(hù)體系。

3.2 新型管幕結(jié)構(gòu)

新型管幕體系是在原有的傳統(tǒng)管幕基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，從而提升管幕結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以及施工應(yīng)用，目前新型管幕結(jié)構(gòu)主要有NTR管幕結(jié)構(gòu)、STS 管幕結(jié)構(gòu)、NSTS 管幕結(jié)構(gòu)、FCSR 管幕結(jié)構(gòu)、PCR 管幕結(jié)構(gòu)等。

（1）NTR 管幕結(jié)構(gòu)

NTR 的英文全稱是New Tubular Roof ,是我國(guó)2009 年由韓國(guó)引入的地下結(jié)構(gòu)暗挖技術(shù)[9]。NTR 管幕結(jié)構(gòu)是指在地下結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中，密排頂進(jìn)多個(gè)大直徑鋼管，采取管間切割支護(hù)或鋼管間以環(huán)梁進(jìn)行連接，并在形成永久結(jié)構(gòu)后進(jìn)行土方開挖。其具有工程質(zhì)量較高、結(jié)構(gòu)可靠性較好以及施工安全等優(yōu)點(diǎn)，通常其頂管采用箱型以及拱形兩種形式，該結(jié)構(gòu)形式的頂管管徑尺寸以及結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整比較容易，因此施工靈活方便。對(duì)于應(yīng)對(duì)地下復(fù)雜環(huán)境施工以及超淺埋大跨度結(jié)構(gòu)施工具有良好的應(yīng)用效果，特別是跨度超過(guò)60m 的大跨度地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)具有極大的優(yōu)勢(shì)，韓國(guó)首爾地鐵9 號(hào)線、沈陽(yáng)地鐵2 號(hào)線等地鐵車站等工程項(xiàng)目皆采用了NTR 工法。

（2）STS 管幕結(jié)構(gòu)

關(guān)永平等[10]等進(jìn)行了STS 管幕結(jié)構(gòu)的研究。STS 英文全稱是steel tube slab，是一種淺埋暗挖技術(shù)。該工法是將多個(gè)鋼管在橫向增加翼緣板以及螺栓進(jìn)行連接，以便抵抗縱橫兩方向荷載作用。此工法可用于建造超淺埋直墻平頂結(jié)構(gòu)，并可達(dá)到空間體系的良好運(yùn)用，在工程施工過(guò)程中不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)周邊的建筑及管線產(chǎn)生不利影響，并且通過(guò)調(diào)整其鋼管壁厚、翼緣板厚度等參數(shù)可有效提升其承載能力。

（3）NSTS 管幕結(jié)構(gòu)

NSTS 英文全稱是New Steel Tube Slab，該工法是采用小鋼管將大鋼管進(jìn)行連接，并在內(nèi)部進(jìn)行混凝土澆筑，形成縱向布置大鋼管混凝土以及橫向增加小鋼管組成的完整結(jié)構(gòu)，可有效避免大鋼管間清理難的問(wèn)題[11]。具有承載力高、剛度大、造價(jià)低，以及施工速度快、施工過(guò)程簡(jiǎn)單、對(duì)周圍生活環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，因而，這種結(jié)構(gòu)非常適用于軟土地層淺埋式大斷面長(zhǎng)距離暗挖地下工程，又因?yàn)槠涞孛娉两递^小、對(duì)周圍環(huán)境及交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于工況較為復(fù)雜的繁華地區(qū)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)價(jià)值。

（4）FCSR 管幕結(jié)構(gòu)

趙文等[12]進(jìn)行了FCSR 管幕結(jié)構(gòu)的探究，F(xiàn)CSR 英文全稱為flange-channel steel roof，即翼緣板-槽鋼連接管幕結(jié)構(gòu)。通過(guò)利用有限元軟件進(jìn)行其抗彎性能的模擬研究，研究其破壞模式及工作機(jī)理，該結(jié)構(gòu)在受力過(guò)程中會(huì)發(fā)生延性破壞，橫向剛度較高；影響其受力性能的主要因素是鋼管間距的設(shè)置，管壁厚度及混凝土強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生一定影響，而翼緣板的厚度對(duì)構(gòu)件的承載力影響不大。

（5）PCR 管幕結(jié)構(gòu)

熊學(xué)玉等[13]進(jìn)行了PCR 管幕結(jié)構(gòu)的探究，PCR 英文全稱為prestressed concrete roof，即預(yù)應(yīng)力管幕結(jié)構(gòu)。是使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)提升管幕結(jié)構(gòu)的橫向整體穩(wěn)定性能以及縱向抗彎變形能力，從而使其具有更高的安全性能以及經(jīng)濟(jì)效益。PCR 管幕結(jié)構(gòu)形式分為兩種，一種為隧道形，另一種為下路桁形。前者是對(duì)四角處鋼筋進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加，頂板、底板、側(cè)板采用預(yù)應(yīng)力進(jìn)行緊固，適用于寬度較窄且長(zhǎng)度較長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)，如機(jī)場(chǎng)、車站等地下通道等；后者是將構(gòu)件布置成“門”式結(jié)構(gòu)，并用兩端橋臺(tái)進(jìn)行支撐，適用于縱向和橫向長(zhǎng)度較小地下結(jié)構(gòu)，如較短距離的多車道項(xiàng)目等。

4 結(jié)語(yǔ)

管幕結(jié)構(gòu)的受力性能主要考慮橫向剛度、整體穩(wěn)定性能以及縱向抗彎變形能力，橫向受力性能可通過(guò)調(diào)整鋼管及混凝土的基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，縱向的抗彎性能可以通過(guò)對(duì)其連接件的改良進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)管幕結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分析了影響其性能的主要因素，并對(duì)今后的研究工作進(jìn)行了闡述。