馬玉輝 （中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

管幕預(yù)筑法是在擬建地下工程設(shè)定的輪廓位置頂進密排大直徑鋼管群，鋼管頂進就位后在鋼管內(nèi)部澆筑混凝土，后續(xù)再在鋼管群保護下開挖、施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終形成地下空間的一種建造方法。管幕預(yù)筑法常用于穿越道路、鐵路、結(jié)構(gòu)物、機場等工程的非開挖技術(shù)，具有對地面交通影響小、地表沉降小、對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強等特點[1-4]。

大直徑鋼管內(nèi)部填充混凝土，故管幕結(jié)構(gòu)的剛度由鋼管與混凝土共同組成，剛度越大其變形越小。劉增龍[5]以北京首都國際機場2號航站樓與3號航站樓之間的聯(lián)絡(luò)通道穿越機場跑道工程為背景，對大跨度淺覆土管幕暗挖法施工引起機場跑道沉降變形規(guī)律進行了分析，結(jié)果表明最大沉降點發(fā)生在中心軸位置，達到-13mm。陶連金等[6]依托實際工程對管幕施工及新建地鐵隧道下穿既有地鐵隧道施工過程進行了數(shù)值分析，結(jié)果表明在管幕預(yù)支護體系作用下，新建隧道的施工對上部地層的擾動以沉降為主；新建地鐵左、右線隧道施工引起的土層沉降具有疊加效應(yīng)。張超哲等[7-8]探討了一種采用H型鋼連接的新型管幕結(jié)構(gòu)的受力特征和破壞規(guī)律，結(jié)果表明鋼管壁厚對承載力影響明顯，翼緣板厚度對其影響不明顯，混凝土強度對其具有一定影響。趙文等[9]對一種采用翼緣板—槽鋼連接的新型管幕結(jié)構(gòu)抗彎性能的關(guān)鍵參數(shù)進行了分析，結(jié)果表明鋼管壁厚和混凝土強度的增加對構(gòu)件承載力具有一定的影響。韓現(xiàn)民等[10]對以下穿太原火車站工程為依托，對鋼管與混凝土間界面狀態(tài)、構(gòu)件截面幾何特征和管壁厚度等對結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗彎能力影響進行研究。結(jié)果表明截面幾何特征對承載能力影響較大，截面極限抗彎承載力隨管壁厚度的減小而呈線性減小規(guī)律。另外還有其他學(xué)者[11-14]對管幕的受力與變形性能進行了廣泛研究，為深入了解管幕的變形機制提供了重要理論基礎(chǔ)。

但目前大多數(shù)研究僅關(guān)注鋼管直徑、壁厚增加對鋼管剛度的有利影響，而較少涉及管幕總體重量增加對沉降變形的不利影響。事實上，一方面鋼管直徑越大其抗彎剛度越大，但另一方面其總重量也越大[15，16]。在箱涵頂進就位的最危險工況中，若管幕結(jié)構(gòu)橫向剛度較小，管幕的大部分重量往往由兩端的管幕梁承擔(dān)，對于大跨度管幕結(jié)構(gòu)來說，管幕梁承擔(dān)了過大的上覆荷載，可能導(dǎo)致變形過大。

可見，有必要發(fā)展一種剛度較大而總體重量相對較小的管幕結(jié)構(gòu)，以保證大跨度管幕結(jié)構(gòu)的變形在允許范圍內(nèi)。現(xiàn)以合肥市濱湖科學(xué)城大連路(青海路—包河大道)道路及綜合管廊工程為依托，探討鋼管剛度及自重變化對下穿機場主跑道管幕結(jié)構(gòu)的變形影響。

2 傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度特征

2.1 工程概況

合肥市濱湖科學(xué)城大連路位于中央公園內(nèi)，東西走向，西起青海路，東至包河大道，道路全長約2.3km，規(guī)劃為城市主干路，雙向六車道，設(shè)計時速60km/h。大連路隧道設(shè)計范圍西起青海路，下穿現(xiàn)狀駱崗機場跑道，止于新建廬州大道交點，為保留公園內(nèi)機場跑道，采用管幕法隧道頂進施工，暗埋段隧道全長495m，敞口段U型槽長度235m。

合肥市大連路隧道工程在樁號4+87.45～6+81.15處下穿合肥市駱崗機場跑道（跑道已棄用），平面交角69°，地下道路與綜合管廊結(jié)構(gòu)樁間水平最小凈距4.87m，頂部覆土5.3～6.13m。該節(jié)點采用預(yù)制隧道頂進法施工，頂進長度約93.7m。管幕支護設(shè)計方案采用44根壁厚16mm直徑1.6m長的帶鎖扣定制鋼管組成四周口字型結(jié)構(gòu)，鎖扣分為雌扣和雄扣，鎖扣采用工廠焊接熱軋不等邊角鋼，頂進長度為92.7m，斷面如圖1所示。鋼管頂進采用2臺直徑1.6m泥水平衡頂管機由東工作井往西接收井掘進施工，鋼管單節(jié)長不小于6m，分節(jié)間采用鴛鴦坡口焊連接，如圖2所示。

圖1 管幕結(jié)構(gòu)橫斷面圖

圖2 鋼管頂進施工現(xiàn)場圖

鋼管頂進主要位于④1層、④2層中。④1層粘土（Q3al+p）l：層厚1.5～7.8m，層底標高13.50～20.51m，黃褐、褐黃、灰黃色，硬塑狀態(tài)，濕，含鐵錳結(jié)核、氧化物、高嶺土等，光滑，無搖震反應(yīng)，干強度及韌性高等，為合肥地區(qū)較典型的膨脹土層。④2層粘土（Q3al+p）l：該層土部分鉆孔鉆穿，最大揭示厚度18.8m，褐黃、灰黃、黃褐色，硬塑狀態(tài)為主，局部堅硬狀態(tài)，濕，含鐵錳質(zhì)結(jié)核（局部富集）、氧化物、高嶺土等，局部間夾薄層粉質(zhì)粘土，光滑，無搖振反應(yīng)，干強度及韌性中～高等。

2.2 鋼管抗彎剛度分析

管幕結(jié)構(gòu)中的鋼管橫斷面如圖3所示，鋼管內(nèi)部被混凝土填充。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，鋼管混凝土的截面組合抗彎剛度EI可由式(1)計算[17]。

圖3 傳統(tǒng)管幕鋼管橫剖面圖

式中：EI——鋼管混凝土的組合抗彎剛度；Es、Ec——分別為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的彈性模量；Is、Ic——分別為鋼管、鋼管內(nèi)混凝土的截面慣性矩。

以鋼管內(nèi)部填充C20等級混凝土為例，可計算得到不同鋼管直徑時鋼管混凝土的組合抗彎剛度，如圖4所示?？梢?，管幕鋼管混凝土中，混凝土的抗彎剛度EcIc大于鋼管的抗彎剛度EsIs，且隨著鋼管半徑的增加相互差距越來越大。如鋼管半徑取0.80m時，混凝土抗彎剛度EcIc是鋼管抗彎剛度EsIs的1.47倍。

合肥市大連路隧道工程的鋼管長度為93.7m，現(xiàn)以該長度測算單根鋼管混凝土的自重情況，如圖5所示?？梢?，管幕鋼管混凝土中，混凝土的自重Gc遠大于鋼管的自重Gs，且隨著鋼管半徑的增加相互差距越來越大。如鋼管半徑取0.80m時，混凝土自重Gc是鋼管自重Gs的7.12倍。

對比圖4與圖5可知，管幕鋼管混凝土中，混凝土一方面提供了較大的抗彎剛度（有利的方面），但另一方面也大大增加了管幕結(jié)構(gòu)的整體自重（不利的方面）。為了考察混凝土的綜合效應(yīng)，不妨建立一個抗彎剛度與重度比例系數(shù)β，其由式(2)確定。β越大，說明相同自重情況下結(jié)構(gòu)具有更大的抗彎剛度，其變形更小，對工程有利。

比例系數(shù)β與鋼管半徑的相互關(guān)系如圖6所示，可見，鋼管的比例系數(shù)βs遠大于混凝土比例系數(shù)βc，鋼管混凝土的綜合系數(shù)β遠小于鋼管比例系數(shù)βs。如鋼管半徑取0.80m時，鋼管比例系數(shù)βs是混凝土比例系數(shù)βc的4.84倍，管比例系數(shù)βs是綜合系數(shù)β的3.28倍。

根據(jù)上述特征可知，可通過增加鋼管用量、減少混凝土用量，達到提高鋼管混凝土的總體剛度且降低其自重的目的，進而對提高管幕結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、降低土體變形有利。

3 雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)特征分析

3.1 雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)設(shè)計

為此，本文提出一種高強度雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)，其包括外部鋼管、內(nèi)部鋼管與固定環(huán)；固定環(huán)由外鋼環(huán)、內(nèi)鋼環(huán)與扇形鋼板焊接而成；組裝時，多個固定環(huán)基于內(nèi)鋼環(huán)均勻套在內(nèi)部鋼管外表，再整體嵌于外部鋼管的內(nèi)部；在外部鋼管與內(nèi)部鋼管之間澆筑混凝土(或在內(nèi)部鋼管內(nèi)部也澆筑混凝土)，由此形成雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)。

如果僅在外部鋼管與內(nèi)部鋼管之間澆筑混凝土，內(nèi)部鋼管中空，則形成雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示；如果所有空隙均澆筑混凝土，則形成雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示?？筛鶕?jù)實際情況確定是否需要對內(nèi)部鋼管內(nèi)側(cè)填充混凝土。

圖7 雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)橫剖面圖

固定環(huán)構(gòu)型如圖8所示。固定環(huán)的內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)徑略大于內(nèi)部鋼管的外徑、外鋼環(huán)外徑略小于外部鋼管的內(nèi)徑，使固定環(huán)能套在內(nèi)部鋼管外表，如圖9所示。固定環(huán)上所有扇形鋼板的弧度總和不大于180°，使后續(xù)在外部鋼管與內(nèi)部鋼管之間澆筑混凝土?xí)r，混凝土能夠順利穿越、透過固定環(huán)而充滿整個空間。

圖8 固定環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 固定環(huán)與內(nèi)部鋼管連接示意圖

多個固定環(huán)均勻、對稱地焊接在內(nèi)部鋼管的外表，便于內(nèi)部鋼管基于固定環(huán)在外部鋼管內(nèi)部行走與穿越。外部鋼管、內(nèi)部鋼管與固定環(huán)的相互組裝如圖10所示。

圖10 外部鋼管與內(nèi)部鋼管連接示意圖

3.2 雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)剛度特征

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[17]，圖7(a)所示空心鋼管混凝土的截面組合抗彎剛度EI可由式(3)計算得到。

式中：I外、I內(nèi)——分別為外部鋼管、內(nèi)部鋼管的截面慣性矩，Ic為內(nèi)外鋼管之間的混凝土截面慣性矩。

以外部鋼管半徑為0.80m為例，計算得到了內(nèi)部鋼管半徑不同取值時外部鋼管、內(nèi)部鋼管、內(nèi)外鋼管之間混凝土及管幕總體的剛度變化情況（內(nèi)部鋼管中空），如圖11所示。可見：

圖11 空心管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度與內(nèi)部鋼管半徑之間的關(guān)系

①隨著內(nèi)部鋼管半徑的增加，內(nèi)外鋼管之間混凝土的抗彎剛度逐漸減小，內(nèi)部鋼管的抗彎剛度逐漸增加，當(dāng)內(nèi)部鋼管半徑大于0.60m時，內(nèi)外鋼管之間混凝土的抗彎剛度開始小于外部鋼管的抗彎剛度；

②當(dāng)內(nèi)部鋼管半徑小于0.50m時，內(nèi)部中空的雙鋼管總體抗彎剛度與未設(shè)置內(nèi)部鋼管的傳統(tǒng)鋼管抗彎剛度基本相等。當(dāng)內(nèi)部鋼管半徑大于0.50m時，內(nèi)部中空的雙鋼管總體抗彎剛度逐漸小于未設(shè)置內(nèi)部鋼管的傳統(tǒng)鋼管抗彎剛度。

進一步得到了內(nèi)部中空的雙鋼管空心結(jié)構(gòu)的自重分布情況，如圖12所示，可見：

圖12 空心管幕結(jié)構(gòu)自重與內(nèi)部鋼管半徑的相互關(guān)系

①隨著內(nèi)部鋼管半徑的增加，內(nèi)外鋼管之間混凝土的自重逐漸減小，內(nèi)部鋼管的自重逐漸增加，總體上看，內(nèi)外鋼管之間混凝土的自重遠大于內(nèi)外鋼管的自重，如內(nèi)部鋼管半徑為0.50m時，混凝土自重為外部鋼管自重的4.34倍；

②內(nèi)部中空管幕結(jié)構(gòu)的總自重隨著內(nèi)部鋼管半徑的增加而減?。?/p>

③設(shè)置內(nèi)部中空的內(nèi)部鋼管后，管幕結(jié)構(gòu)的總自重小于未設(shè)置內(nèi)部鋼管的傳統(tǒng)管幕自重。如內(nèi)部鋼管半徑為0.50m時，管幕結(jié)構(gòu)的總自重等于未設(shè)置內(nèi)部鋼管的傳統(tǒng)管幕自重的76.1%。

由圖11與圖12可知，當(dāng)內(nèi)部鋼管半徑等于0.50m時，雖然雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度與傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度基本相當(dāng)，但其自重僅為統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)自重的76.1%，即單根鋼管減少自重達1093kN，顯然對提高管幕結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、降低土體變形是有利的。

該方法的技術(shù)意義在于：在維持管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度基本不變情況下，通過增設(shè)內(nèi)部鋼管、減少混凝土的澆筑體積，達到了降低管幕結(jié)構(gòu)整體自重的效果，為管幕結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了新思路。

3.3 雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)剛度特征

當(dāng)然，也可以根據(jù)需要對內(nèi)部鋼管也進行混凝土填充，形式雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示，現(xiàn)探討該構(gòu)型的抗彎剛度特征。

以外部鋼管半徑為0.80m為例，計算得到了內(nèi)部鋼管半徑不同取值時管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度變化情況，如圖13所示?？梢姡涸鲈O(shè)內(nèi)部鋼管后，隨著內(nèi)部鋼管半徑的增加，雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度逐漸大于傳統(tǒng)單鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。如內(nèi)部鋼管半徑為0.60m時，雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度比傳統(tǒng)單鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度增大17%。

圖13 雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度特征分析

以外部鋼管半徑為0.80m為例，計算得到了內(nèi)部鋼管半徑不同取值時管幕結(jié)構(gòu)的自重變化情況，如圖14所示?？梢姡涸鲈O(shè)內(nèi)部鋼管后，雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的自重略大于傳統(tǒng)單鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的自重。如內(nèi)部鋼管半徑為0.60m時，雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的自重比傳統(tǒng)單鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)自重增大9.5%。

圖14 雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)自重特征分析

進一步得到了不同工況下管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度與重度比例系數(shù)β取值情況，如圖15所示，可見：

圖15 β與內(nèi)部鋼管半徑的相互關(guān)系

①隨著內(nèi)部鋼管半徑的增加，雙鋼管空心結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)逐漸遠大于傳統(tǒng)單鋼管實心結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)，如內(nèi)部鋼管半徑為0.60m時，雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度與重度比例系數(shù)是傳統(tǒng)單鋼管實心結(jié)構(gòu)相應(yīng)值的1.56倍，說明雙鋼管空心結(jié)構(gòu)具有較高的“性價比”；

②當(dāng)內(nèi)部鋼管半徑小于0.45m時，雙鋼管實心結(jié)構(gòu)的比例系數(shù)小于傳統(tǒng)單鋼管實心結(jié)構(gòu)的相應(yīng)值，但兩者差別不大。

可見，與傳統(tǒng)單鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)相比，雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的自重略有增加，但其抗彎剛度增加更大，總體上還是有利的。對于管幕結(jié)構(gòu)總體長度不大、管幕自重對整體影響有限的情況下，可以通過增設(shè)內(nèi)部鋼管，可達到提高管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度、降低土體變形的目的。

4 雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

增設(shè)內(nèi)部鋼管后，其造價與傳統(tǒng)管幕結(jié)構(gòu)有所提高，故所提雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)可僅在變形較大的關(guān)鍵部位使用，而無需在所有位置使用。該做法大大降低了關(guān)鍵部位的變形，提高了管幕結(jié)構(gòu)的安全性，而對總體造價影響有限，性價比較高。具體分析如下：

①對于管幕結(jié)構(gòu)整體長度大、上覆土體強度較低、管幕橫向連接剛度較弱、管幕自重對結(jié)構(gòu)變形影響相對較大時，可采用雙鋼管空心結(jié)構(gòu)，其可實現(xiàn)維持管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度基本不變情況下，大大降低管幕結(jié)構(gòu)整體自重的效果。且往往在頂排中部的鋼管變形較大，故僅在頂排中部的局部范圍使用雙鋼管空心結(jié)構(gòu)，其余位置仍采用傳統(tǒng)的單鋼管實心結(jié)構(gòu)，如圖16所示；

圖16 雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)的應(yīng)用示意圖

②對于管幕結(jié)構(gòu)整體長度相對不大、管幕橫向連接剛度較好、管幕自重對結(jié)構(gòu)變形影響相對有限時，可采用雙鋼管實心結(jié)構(gòu)，其可實現(xiàn)增大管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度的效果，也僅在頂排中部的局部范圍使用雙鋼管實心結(jié)構(gòu)，其余位置仍采用傳統(tǒng)的單鋼管實心結(jié)構(gòu)，如圖17所示。

圖17 雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的應(yīng)用示意圖

合肥市大連路隧道工程的管幕結(jié)構(gòu)在上述理論的支撐下，對結(jié)構(gòu)進行了一定的優(yōu)化，確保下穿原駱崗機場跑道的影響在允許范圍內(nèi)?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，所提優(yōu)化是合理可靠的。管幕結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測規(guī)律與機理分析將另文發(fā)表。

5 結(jié)論

管幕結(jié)構(gòu)中鋼管直徑越大其抗彎剛度越大，但另一方面其總重量也越大，故需綜合考慮鋼管抗彎剛度與自重之間的相互關(guān)系，以便得到經(jīng)濟合理的管幕設(shè)計方案。對比分析表明：

①傳統(tǒng)單鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)中，混凝土的抗彎剛度大于鋼管的抗彎剛度，且隨著鋼管半徑的增加相互差距越來越大，但同時混凝土的自重遠大于鋼管的自重；

②提出了一種高強度雙鋼管管幕結(jié)構(gòu)，其包括外部鋼管、內(nèi)部鋼管與固定環(huán)，如僅在外部鋼管與內(nèi)部鋼管之間澆筑混凝土，內(nèi)部鋼管中空，則形成雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)，如果所有空隙均澆筑混凝土，則形成雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)；

③雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)在維持管幕結(jié)構(gòu)抗彎剛度基本不變情況下，通過增設(shè)內(nèi)部鋼管、減少混凝土的澆筑體積，達到了降低管幕結(jié)構(gòu)整體自重的效果，為管幕結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了一條新途徑；

④雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)的抗彎剛度與重度比例系數(shù)大于傳統(tǒng)單鋼管實心結(jié)構(gòu)的相應(yīng)值，說明雙鋼管空心結(jié)構(gòu)具有較高的“性價比”；

⑤與傳統(tǒng)單鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)相比，雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)的自重略有增加，但其抗彎剛度增加更大，總體上還是有利的；

⑥雙鋼管空心管幕結(jié)構(gòu)或雙鋼管實心管幕結(jié)構(gòu)可僅布置在管幕的頂排中部，而其余位置仍采用傳統(tǒng)的單鋼管實心結(jié)構(gòu)，該做法大大降低了關(guān)鍵部位的變形，提高了管幕結(jié)構(gòu)的安全性，而對總體造價影響有限，性價比較高。