随着城市的快速发展, 地下空间的开发利用也逐渐加快, 如何合理、有效地利用城市地下空间已成为世界各大城市所共同面临的问题。尤其是在城区内修建地下结构时, 面对老旧房屋、道路管线、保护建筑等问题, 如何能保证施工不影响周边居民及环境, 真正做到绿色施工, 这是一个较难解决的问题。面对这些问题, 暗挖工艺逐渐成为在复杂环境下修建地下结构的首选。作为暗挖工艺的一种, 管幕工法相对于顶管、盾构等施工工艺而言, 对施工空间的要求及周边环境的影响都更小, 在世界各国都有成功案例。

　　 管幕工法, 也叫排管顶进法, 是利用小口径顶管机建造大断面地下空间的施工技术^[1], 是一种新型的地下暗挖技术。其原理是以单根构件顶进为基础, 各构件之间依靠锁口相连, 并在锁口处注入止水剂, 形成密封的止水惟幕。管幕可设计成各种形状, 如半圆形、圆形、门字形、口字形等。然后在管幕的保护下, 边开挖边设置支撑, 直至开挖贯通, 再浇筑结构体。同时, 由于管幕具有隔离地下水的作用, 故施工时无需降低地下水位^[2]。

　　 管幕工法起源于日本, 早在1971年, 日本就首次成功地将管幕工法应用于Kawase-Inae穿越铁路的通道工程^[3], 随后在全世界范围内掀起了管幕工法施工的热潮^[4]。因为其对周围环境影响较小, 成为世界各大城市市政施工的首选方法, 并且在过去的40余年中发展出了如PCR (prestressed concrete roof) 工法、ESA (endless self-advancing) 工法、FJ (front jacking method) 工法^[5]、RBJ (roof-box jacking method) 工法、R&C (roof&culvert) 工法^[6]、新管幕 (new tubular roof method, NTR) 工法^[7,8]等多种管幕的施工方法。

　　 PCR工法, 是一种通过纵向预应力控制管幕的变形, 通过横向预应力提高管幕的整体性, 从而达到更高的安全性和经济性的施工方法。日本的URT协会熟练掌握PCR技术, 并且从1980年至今, 有大大小小近90个成功的工程案例, 其中2004年草津市明神自动车道工程, 上部覆土2.2m厚, 隧道高3m、宽4m、长60.5m, 是已知最长的PCR工法实例。

　　 关于管幕工法理论层面的研究包括:1984年, 日本学者後藤芳顯等^[9,10]对钢管之间锁口的受力特性进行了理论分析并进行试验对比;1996年, Furuyama S等^[11]认为在所有软土地区管幕工法工程中, 均对管幕内土体进行加固, 所以应把管幕作为弹性地基梁进行计算;1986年, Attewel^[12]通过数值方法研究了管幕工程中隧道掘进引起的土层位移对周边环境的影响, 详细研究了土层变形的影响范围;2003年, Tan和Ranjith^[13]利用FLAC软件对管幕工法进行了二维数值分析, 分析了不同管幕形状、钢管直径对沉降的影响, 表明钢管幕可明显地抑制隧道变形及相应的地表沉降, 地表沉降比没有应用钢管幕情况下减小40%~50%;姚大钧^[14]于2004年通过FLAC数值分析方法模拟隧道支撑开挖工序, 研究了地表变形特征, 并同现场监测数据做对比。

　　 对于管幕各种工法理论方面的研究, 目前仍处于发展阶段, 更多的仍是在实际工程中总结出的工程经验^[15]。尤其是PCR工法, 目前除日本外, 国内外对其的研究十分有限。

　　 PCR的结构形式主要分为隧道形 (图1) 和下路桁形 (图2) 两种。其中隧道形又分为圆形和箱形两种 (图3) 。而下路桁形根据主桁是否与桥台分离, 分为整体式 (图4) 和分离式 (图5) 两种。

　　 隧道形PCR是指, 将四个角的钢单元作为预应力筋的施工地点, 通过预应力, 将管幕上部顶板、下部底板以及侧板紧紧箍在一起的管幕形式。

　　 下路桁形PCR是指, 通过预应力, 将管幕构件形成“门”式结构, 再将整体结构支承于两端桥台上的管幕形式。

　　 对于圆形隧道形PCR形式, 横截面上的所有构件, 均被环向预应力牢牢地拴在一起, 而对于箱形隧道形PCR形式, 则通过竖向与横向的预应力筋将各个构件连接在一起, 这些预应力筋使得每两根构件之间的各个接触点均处于受压状态, 形成全预应力构件, 这样可以认为这些构件在环向或横向形成了一个与桥梁中的“节段梁”概念相似的假想梁, 并一起协同工作。四个角的现浇钢单元, 除了作为施工时施加预应力的工作面外, 也将在浇筑混凝土后作为梁柱之间的刚节点, 使得管幕结构成为一个整体, 协同受力。这样的横向传力模式使得结构可以在纵向上变得更长, 适用于窄长的地下结构, 如火车站下人行或车行通道等。

　　 与隧道形类似, 下路桁形中的各个预制构件被纵向预应力压紧, 共同工作。对于整体式结构, 梁简支于两侧的桥台上, 并将荷载向下传给基础;对于分离式结构, 梁简支于两侧主桁上, 主桁再将荷载传递给桥台, 然后传向基础。这样的纵向传力模式使得结构在横向可以延展, 适合于宽而短的地下结构, 如多车道穿越较短距离的工程等。

　　 由于不同形式的受力模式不同, 故所适用的范围也不一样, 根据上部覆土厚度以及上部荷载的不同而有所变化, 但是大致的适用范围如表1所示。

　　 在现有的工程实例中, PCR构件的基本形状包括双孔和单孔两种, 如图6所示, 其标准构件的高度H为750mm~1 300mm不等, 根据不同的上部覆土情况、荷载情况、车道行车情况、隧道宽度和长度等, 取值不同。构件中孔道直径也会根据设计计算有所变更, 但总的取值大约在 (50%~70%) H之间。对于下路桁形而言, 构件多用单孔构件, 并且H多为1 000mm以下。对于隧道形而言, 单孔、双孔构件均适用, 并且各个尺寸的构件均适用。

　　 (1) 在工具钢管的推进过程中, 钢管尖端安装了与构件截面同样断面的刀口进行土体的切削, 从而在不扰动周围土体正常使用的情况下, 有效地减小了周围环境的影响, 尤其是控制了沉降, 大幅度地减小施工对上部地面道路的影响。

　　 (2) 由于预应力的使用, 有效地控制了管幕的挠度, 从而保证上部路面的正常使用。日本工法以变形量[δ]=5mm为设计标准。工程实践表明, 通常情况下, 管幕变形量小于5mm时, 地表沉降可控制在20mm以内^[16,17], 即使周围有房屋, 也不需要进行基础托换^[18]。

　　 (3) 由于使用PCR构件的置换推进法, 即使遇到土体状况不良的情况, 如土体包含砾石、卵石或者障碍物, 也能保证较高的推进精度。

　　 由于PCR构件在工厂中预制而成, 流水线作业使得构件质量得以严格控制, 所以有充分的质量和可靠性保证。同时由于结构主要材料是高强度混凝土, 所以具有优异的耐腐蚀性和耐久性。

　　 由于PCR构件直接充当永久结构的一部分, 故减少了临时搭建所带来的附加工程工序及费用, 比如传统管幕法所需箱涵的费用。同时由于结构尺寸减小, 提高了整体工程的标高, 使得土方开挖量减小, 故整体的工期和工程费用都有所减少。

　　 PCR形成之后, 整体结构已经形成, 在开挖隧道内部的土体时基本没有风险。

　　 从推进到隧道内部的挖掘, 一连串机械化的工作, 节省了大量劳动力, 同时也使得工程管理更加高效和方便。

　　 虽然PCR有不同的形式, 但是在施工方式流程上基本相同, 本文以隧道形PCR中的箱形管幕为例 (图7) , 对于其施工方法做简要介绍。

　　 首先, 在需要管幕穿越的建筑物两侧分别开挖出发井和接收井, 之后按照先上部顶板, 随后两边侧壁, 最后底板的顺序进行三个部分的PCR施工^[19]。上述这三部分的施工流程大致相同, 主要包括管幕顶进和预应力张拉。其中底板施工过程中, 还需要现浇一段闭合段来完成整个箱形管幕的合龙。以下就以底板施工为例, 结合图片进行详细解释。

　　 在开挖好出发井和接收井, 并安装完推进架台和推进器之后, 以安装在首部的掘进机为引导, 将工具钢管分节顶推至PCR构件的设计位置 (图8) 。

　　 工具钢管的作用, 就是在顶推的过程中, 将PCR构件位置处的土通过钢管运出, 即用工具钢管置换该部分的土体, 并且承担其原来的传力作用, 有效控制了施工对周围环境的影响。置换出了土体, 也为后续PCR构件的顶进减小了阻力, 从而提高了顶进的效率, 降低施工难度^[20]。在采用预应力管幕法施工时, 工具钢管的顶进精度不仅确定了PCR管的位置, 同时也对地表变形有着重要的影响^[21], 因此, 第一批工具钢管顶进时的施工精度, 对于整个工程起着决定性作用。

　　 待一整根或相邻两整根工具钢管顶推到位之后, 在相同位置顶推一个单孔或双孔的PCR构件来置换之前顶推的工具钢管。在PCR构件顶推进土体之后, 对每节PCR构件之间施加纵向预应力, 通过节与节之间的预应力将整根PCR构件连成一体, 成为全预应力梁^[22]。在PCR构件顶推过程中, 工具钢管于接收井中回收并用于相邻位置的PCR构件的顶进 (图9) 。

　　 待整排PCR构件全部顶推到位后, 在两端PCR构件相邻位置平行地顶推入角部钢单元。与之前的工具钢管所不同的是, 角部钢单元顶进到位之后不再被置换出来, 而是在其内部配筋并作为现浇混凝土的模板, 同时也作为横向预应力的工作区, 最终留在整体结构中不被取出。角部钢单元与PCR构件均为分节顶进, 节与节之间采用现场焊接的方式作为连接 (图10) 。

　　 在穿入预应力筋之前, 清洗构件之间的夹缝, 用流水冲走PCR构件锁口内外的残留土, 这一点对于整个工程的质量非常重要, 若内部存在残留土, 造成夹缝填入砂浆不密实, 则会严重影响预应力筋的使用寿命^[23]。随后在角部钢单元中, 垂直于PCR构件横向穿入无粘结预应力筋, 预应力筋在PCR构件的上下缘的拉压区分两排布置。待全部预应力筋穿入后, 在夹缝中充填入砂浆, 主要用于结构防水以及承担后续施加在结构上的预应力^[24]。最后在角部的钢单元中对横向预应力筋进行张拉, 对管幕施加横向预应力 (图11) 。

　　 顶板和侧壁均采用以上的施工流程, 而底板处还需要现浇一部分合龙段。底板在顶推工具钢管的过程中预留一个单元位置作现浇合龙用, 该预留段采用临时钢板作为覆土支撑^[25]。随后引导推入绑扎好的钢筋笼, 穿入横向预应力筋, 用现浇高流动性能的混凝土填充该部位 (图12) 。

　　 待上顶板、两侧壁以及底板的PCR构件施工完毕后, 对角部钢单元内部进行配筋, 现浇高流动性能的混凝土填充, 至此完成PCR的全部施工。完工后, 待混凝土达到设计强度, 即可以在内部开挖土体, 并对管幕内部进行施工, 最终对管幕的端部进行封堵 (图13) 。

　　 对于PCR结构而言, 其中的预应力钢筋属于无粘结筋, 应按照无粘结预应力混凝土进行计算。其中构件承载力极限状态验算应按式 (1) , (2) 进行:

　　 持久设计状况、短暂设计状况:

　　 地震设计状况:

　　 式中:γ₀为结构重要性系数, 应按《工程结构可靠性设计统一标准》 (GB 50153—2008) 执行;S_d为承载力极限状态下作用组合的效应设计值, 应按《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2010) 和《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) 的规定执行;R_d为结构构件承载力设计值;γ_RE为承载力抗震调整系数。

　　 构件尺寸的设计包括工具钢管的设计和PCR构件的设计, 对于构件的尺寸、壁厚、孔洞大小、长细比等的设计, 应从以下几个工况综合考虑:

　　 (1) 顶进时的工况。不论是工具钢管, 还是PCR构件, 宏观上看均为细长构件, 在顶进时, 可以看作一个压弯长柱。钢结构的工具管有可能在顶进过程中发生整体或局部失稳破坏, PCR构件有可能发生局部受压破坏。

　　 (2) 未开挖时的工况。此时的构件主要受到四周的土压力作用, 土压力的大小与工程的覆土厚度、上部道路的通行情况均有关。以上两种工况, 主要是从单独的构件考虑的。

　　 (3) 开挖后的工况。此时整体的结构已经形成, 所有构件协同工作, 承担上部覆土压力、侧壁土压力、隧道内正常使用情况的车辆荷载等。此时将结构作为整体考虑。

　　 通过上述工况下的设计, 并综合现实情况下的工程真实受力情况, 就可以设计出一系列拥有标准尺寸的PCR构件, 用于不同工程条件下的设计和施工。标准化的工艺可以使成本降低, 并拥有更好的构件质量。

　　 PCR顶进的设计过程中, 最重要的一环是计算顶进力的大小, 这对于顶进设备的确定、工作井的开挖、工作井后靠墙的稳定验算等均具有重要意义^[26,27]。但在所查阅的各类文献中, 却鲜有对其计算的说明。但可以将其与给水排水工程中的顶管顶进相类比, 故可用式 (3) 进行顶进力的计算^[28]:

　　 式中:F为顶管所需总顶进力, k N;K为润滑泥浆减阻系数, 根据润滑泥浆的质量、饱满程度酌情取值为0.3~0.8;D₁为管道外径, m;L为管道顶进长度, m;f_k为管外壁单位面积与土体的平均摩阻力, k N/m², 可通过试验确定或按表2选用;N_F为顶管迎面阻力, k N, 不同类型掘进机的迎面阻力不同, 手工掘进、工具管顶部及两侧允许超挖时, N_F=0。

　　 若由于各种原因, 无法按照式 (3) 计算, 根据上海市已建市政工程的经验, 顶管所需总顶进力F也可按全程管道自重的3~6倍估算^[29], 人工开挖时取下限, 挤压法顶进时取上限。

　　 由于PCR结构实际上是由若干个构件通过预应力张拉形成的一个整体, 并且对于整体结构的受力分析, 也是基于构件之间没有缝隙的基础上进行的, 那么相邻构件之间的节点设计就变得尤为关键。这其中包括构件与构件之间的节点设计以及角部钢单元的节点设计。

　　 构件之间的设计, 首先是通过锁扣, 将两个构件联系在一起, 然后要对构件之间的缝隙进行清洗和灌浆, 起到止水、隔绝空气的作用, 这对于预应力筋的耐久性有决定性影响。角部钢单元, 作为施加预应力的工作区, 在设计时, 需要考虑预应力筋张拉时, 锚具与钢管内壁之间的压应力是否超限、钢筋笼的绑扎与锚具是否存在冲突以及在混凝土达到设计强度后是否有足够的刚度, 保证结构的受力特性。并且, 由于直接和土体接触, 需要其具有出色的耐蚀性。

　　 从施工技术层面来说, PCR工法在众多的管幕工法中, 是唯一一个通过利用预应力从而达到减小构件尺寸、提高整体刚度、方便施工等效果的施工方法。同时与新管幕法类似, 直接将管幕构件作为永久结构保留, 省去了箱涵的制作和推进, 缩短施工周期, 其在施工性能、经济效应等方面, 都具有其他工法所不能比拟的优点。同样的, 作为预应力的一个分支, 其施工难度以及需要的工程管理能力也是相对较高的。

　　 在理论分析层面的研究尚少, 各类有关管幕工法的文献, 尤其是有关PCR工法的文献, 均以介绍施工方法居多。并且有关PCR的成功工程实例均在日本, 世界上其他各国均无案例, 在理论分析层面上具有相当高的研究价值。

　　 总而言之, PCR工法作为管幕工法中的新兴技术, 在未来城市施工, 尤其是特大城市的市政施工中, 有着良好的前景与发展。