地下工程管幕预筑法是沿地下结构的轮廓顶进相对刚性较大的大直径钢管, 为预先建造地下结构提供施工空间, 然后利用钢管的保护分段进行钢管间的切割、打通、防水钢板的焊接和支撑架设, 形成钢管幕廊道, 在钢管幕廊道内进行大跨度地下主体结构的预作, 然后利用预作的地下永久结构提供的保护进行地下空间大开挖^[1,2,3,4]。该工法具有安全、高效、适用范围广等优点, 具有广阔的应用前景, 但是现阶段管幕预筑法存在钢管直径较大施工不便、钢管内钢筋绑扎条件差、钢管切割焊接工序繁多、材料浪费等局限性, 严重影响了它的推广应用^[5,6,7,8]。

考虑到管幕预筑法地铁车站施工的局限性, 基于车站周边地层沉降控制, 对该工法的设计与施工进行一系列的优化研究:针对施工方便和钢管受力的因素, 对钢管的间距进行优化, 既可以减少钢管的数量, 又可以保证钢管顶进过程中不会对临近钢管产生不利影响;对大直径钢管的管径进行优化设计, 尽可能地减小直径;对钢管内的钢筋混凝土结构进行优化设计, 尽可能地减少钢筋用量;研究不同结构类型及非管幕结构的一体化结构形式, 以减少地下管内切割、焊接作业量。

以沈阳地铁2号线新乐遗址地铁车站为研究对象建立模型, 如图1所示。取上部覆土10m计算, 计算模型几何尺寸为长120m、宽60m、高50m。地铁车站为钢管混凝土管幕结构, 由21根大直径钢管顶进地层并连接形成, 钢管直径2m、壁厚20mm, 车站跨度26.2m、高度18.9m、断面面积402.5m²。土层采用Mohr-Coulomb模型, 根据岩土勘察报告及数值计算模型要求, 将场地土层性质及力学参数根据相似性合并为6层, 如表1所示;土体与车站结构采用实体单元, 满足位移协调一致原则, 根据设计说明, 选用结构参数如表2所示。

具体施工步序如下: (1) 开挖竖井, 建造顶管反力墙及工作平台; (2) 大直径钢管分层顶进, 边顶进边开挖管内土方, 钢管间注浆止水; (3) 管内切割, 焊接管间钢板、钢管支撑, 形成拱形管廊; (4) 管内绑扎钢筋、浇筑混凝土, 形成管幕永久结构; (5) 在永久结构的保护下, 车站内部大面积分层开挖土方; (6) 紧随土方开挖, 依次按底板、中柱、中板顺序施工, 最终形成完整结构。

钢管的管径在一定程度上决定了钢管顶进的难易程度, 钢管管径越大, 顶进施工难度越大, 钢管受力也越复杂, 施工成本高。与此同时, 由于管幕预筑法地铁车站施工需要在钢管内进行切割、焊接、绑扎钢筋等施工作业, 当钢管管径较少时, 这些环节的施工会受到束缚, 不便于施工人员作业。同时, 顶管半径的减小可以节省钢材和顶进施工的时间, 顶管间距的增加可以减小土体的重复扰动, 从而减少周边地层沉降。

沈阳新乐遗址站主体结构采用拱形管幕结构体系, 为了方便顶管施工, 减少钢管顶进过程中对土体的重复扰动, 在主体结构顶管设计时, 适当增加顶管间距, 探讨顶管间距大小对主体结构周边地表沉降的影响。拟选取1~4 4种钢管净距工况分析, 其净距分别为550, 800, 1 500, 2 000mm。不同钢管净距的主体结构计算模型如图2所示。

车站上方土层的沉降值随着与车站中心水平线距离的增加而减小, 各工况均表现此变化规律, 沉降变化曲线呈“凹”槽形, 如图3所示。随着钢管间距的增加, 车站中心正上方土层的沉降值逐渐增大, 变化率为5.73%, 车站拱肩上方的土层也表现出相同的变化规律, 最大变化率为8.94%;然而, 车站拱腰和拱脚上方土层沉降值随着钢管间距的增加, 呈先增大后减小的变化趋势, 最大沉降率分别为6.18%和12.74%;车站一侧上方土层的沉降值随着钢管间距的增加呈减小的变化趋势, 最大沉降率为10.82%。但由于车站拱腰、拱脚以及一侧上方土层的沉降变化率虽然较大, 但沉降值不大, 可不着重考虑。

由以上分析可见, 随着钢管净距的增加, 车站周边上方土层的沉降值变化不大, 可忽略不计。在施工过程中, 当钢管直径确定的情况下, 可适当增大钢管间距离, 从而减少钢管用量, 节约材料, 也大幅度减小了施工人员切割焊接的作业难度及时间。

对大直径钢管的管径进行优化设计时, 既要考虑钢管受力情况, 又要考虑顶管内施工作业的空间, 在尽可能地减小管径的同时, 选择合理的大直径钢管管径。通过2.1分析可知, 选择合理的拱间距可节约钢材和顶进施工时间, 以及减少土体重复扰动。

基于以上两方面的考虑, 本部分基于数值计算软件, 拟选取1~5 5种钢管管径工况进行分析, 其管径分别为1 800, 1 900, 2 000, 2 200, 2 300mm。不同管径主体车站结构沉降曲线如图4所示。

随着钢管直径的增加, 车站结构周边上方土层的沉降值有所减小, 但变化幅度相对较小, 均在5%左右。由此可见钢管管径的增加对控制地铁车站周边土层的沉降有利, 但影响效果不明显, 可见在管幕结构体系中, 管幕中部焊接而成的管廊对周边土层沉降起主导作用。同时考虑到当钢管直径过大, 施工难度增加, 成本升高, 而直径较小不利于施工人员管幕内切割、焊接作业, 因此在管幕结构体系设计时应综合考虑确定钢管直径。

管幕预筑法地铁车站主体结构是先于土方开挖全部预筑好, 根据施工工艺, 顶进地层的大直径钢管被切割、焊接后, 形成连接各钢管的连续拱形结构, 通过绑扎钢筋、浇筑混凝土, 最后形成大跨度拱形钢板混凝土结构。在设计计算时, 仅考虑了大跨度拱形钢板混凝土的受力情况, 而忽略了拱形钢板混凝土内侧钢管 (拱壳内侧钢管) 和外侧钢管 (拱壳外侧钢管) 的受力情况。外侧钢管仅考虑作为防水层处理, 对结构设计来说也是有安全储备的, 内侧钢管与混凝土组合而成的钢板混凝土结构, 由于防腐有保证, 其潜能巨大。

考虑到内外侧钢管对整个管幕预筑法车站受力的影响, 基于周围地层沉降值, 分别分析内外侧钢管对主体结构的贡献度。无内侧钢管结构体系 (工况1) 、拱壳结构体系 (去除内外钢管, 工况2) 分别如图5所示。

当车站除去内侧钢管时, 车站上方土层沉降规律并未发生较大变化, 沉降值与未除去内侧钢管时基本一致, 变化幅度略小, 在1%左右, 如图6所示。由以上分析可知, 若除去内侧钢管, 对车站结构受力以及周边环境几乎无影响。但由于车站结构体量较大, 若除去内侧钢管会增大施工难度, 同时, 内侧钢管并未影响车站结构的使用功能, 可保留内侧钢管。若建造矩形隧道或管幕结构横截面积较小时, 除去内侧钢管施工难度会相对较小, 同时除去内侧钢管, 增大隧道的净空面积, 增加隧道的使用空间。

分析拱壳结构体系时, 采用了3种工况, 分别是已有的管幕结构体系 (工况1) 、除去内外侧钢管的拱壳结构体系 (拱壳厚度为800mm与工况1管廊厚度相同, 工况2) 、拱壳结构体系 (拱壳厚度为1 000mm, 工况3) 。

当车站采用拱壳结构时, 车站上方土层沉降规律与管幕结构相同, 最大沉降值仍发生在车站结构中心线正上方, 如图7所示。工况1与工况2对比可知, 当管幕结构去掉内外侧钢管时, 车站上方土层沉降值均有所增加, 最大变化幅度出现在拱腰位置, 为49.6%, 其次是拱脚位置, 为33.87%, 拱底的沉降值相比未除去内外侧钢管, 增大了12.9%。由此可见, 未考虑内外侧钢管结构, 车站周边地层沉降值会有所增加, 内力也会相应增加, 设计车站时往往增大结构强度, 造成材料浪费。工况2与工况3对比分析, 可知随着拱壳厚度的增加, 车站结构周边的土层沉降值有所减小, 若车站设计成拱壳结构体系, 适当增加拱壳的厚度, 可提高车站结构的承载力, 降低周边地层的沉降值。

地铁车站主体结构规模大, 总工期长, 如果切除内侧钢管幕, 需要进行大量的模板铺设工作;由于工艺特点, 同一个工程中模板必须在土方开挖过程中才能拆除, 模板的用量非常大;前期架设模板和后期钢管幕与模板的拆除, 都需要大量的人力, 成本较高。因此, 对于大跨度管幕预筑隧道, 内层钢管幕不拆除, 可以作为混凝土结构施工的模板, 节约成本, 加快施工进度。

顶进地层的大直径钢管被切割、焊接, 形成拱壳结构, 由于连续的切割、焊接, 增加了施工难度, 考虑到施工便利性, 减少施工人员在钢管内切割、焊接钢管作业量, 可考虑采用带肋拱壳结构, 其主要受力构件为拱助, 受力相对复杂, 但可以减小作业人员钢管内切割、焊接的工作时间。同时, 拱壳结构体系外侧钢板防水层焊缝较多, 防水层存在漏水隐患, 采用带肋拱壳结构体系, 可以减小切割、焊接钢管区域, 需要防水层的区域减小, 进而也增加了整体结构的防水能力。

通过对比分析, 寻求较为合理的带肋拱壳结构体系。设10组工况, 分别为:无拱肋结构 (工况1) 、1+1组合 (1m宽拱肋间隔1m, 工况2) 、1+2组合 (1m宽拱肋间隔2m, 工况3) 、1+3组合 (1m宽拱肋间隔3m, 工况4) 、1+4组合 (1m宽拱肋间隔4m, 工况5) 、2+2组合 (2m宽拱肋间隔2m, 工况6) 、2+3组合 (2m宽拱肋间隔3m, 工况7) 、2+4组合 (2m宽拱肋间隔4m, 工况8) 、3+3组合 (3m宽拱肋间隔3m, 工况9) 、3+4组合 (3m宽拱肋间隔4m, 工况10) , 如图8所示。

当车站采用管幕肋结构体系时, 车站上方周边土层沉降规律与管幕结构相同, 但车站周边土层的沉降值均有所增大, 且变化幅度随着结构体系管幕肋间距的增加而增大, 最大变化幅度发生在车站拱顶中心线上方土层, 如图9所示。

当车站采用管幕肋结构体系时, 当拱肋间距大于拱肋宽度时, 周围土层的沉降值变化幅度不大。相同拱肋间距, 随着管幕肋宽度的增加, 车站周边土层的沉降值减小, 且以车站结构中心线向两侧呈先增大后减小的变化趋势, 最大变化幅度发生在拱腰上方土层。

在设计过程中, 通过增加顶管内钢筋混凝土的配筋率, 增大顶管整体刚度, 从而提高管幕主体结构对周围土体以及地面荷载的承载力。然而, 在设计中往往采用保守设计, 大大提高了顶管内钢筋的用量, 消耗了大量钢筋, 同时在钢管内进行钢筋绑扎作业条件差, 混凝土振捣也较为困难, 施工难度高。

考虑到钢管内钢筋用量的影响, 在保证管幕结构体系整体刚度的同时, 减少钢筋用量, 可节约成本, 降低施工难度, 提高经济效益。对钢管内的钢筋混凝土结构进行优化设计, 尽可能地减少钢筋用量。以车站周边地层沉降值为控制标准, 研究钢筋用量的影响。

在大直径钢管内不绑扎钢筋, 采用素混凝土时 (工况1) , 车站上方土层沉降量有所减小, 但变化幅度相对较小, 均在5%以内, 其中最大沉降值的变化幅度发生在管幕结构中心线正上方, 为2.7%, 如图10所示。可见钢管内绑扎钢筋 (工况2) 对车站结构控制沉降的影响较小, 可忽略不计。因此, 管幕地铁车站结构设计时, 可切割焊接成型的钢管, 直接浇筑混凝土, 无需再绑扎钢筋。

在地下管幕车站结构体系施工时, 若直接在钢管中浇筑混凝土, 可大幅度减少钢筋用量, 节约施工成本, 同时也大大减少施工作业人员的劳动量, 改善施工作业环境。

1) 钢管净距的增加, 车站周边上方土层的沉降值变化不大, 可忽略不计。当钢管直径确定的情况下, 可适当增大钢管间的距离, 从而减少钢管用量, 节约材料, 也大幅度减小施工人员切割、焊接的作业难度及作业时间。

2) 随着钢管直径的增加, 车站结构周边上方土层的沉降值有所减小, 但变化幅度相对较小。在管幕结构体系中, 管幕中部焊接而成的管廊对周边土层沉降起主导作用。同时考虑到当钢管直径过大, 施工难度增加, 成本升高, 而直径较小不利于施工人员管幕内切割、焊接作业, 因此在管幕结构体系设计时应综合考虑确定钢管直径。

3) 除去内侧钢管, 对车站结构受力以及周边环境几乎无影响。车站结构体量较大, 若除去内侧钢管会增大施工难度, 同时, 内侧钢管并未影响车站结构的使用功能, 可保留内侧钢管;若管幕结构横截面积较小时, 除去内侧钢管施工难度会相对较小, 同时除去内侧钢管, 增大隧道的净空面积, 增加隧道的使用空间。

4) 随着拱壳厚度的增加, 车站结构周边的土层沉降值有所减小, 若车站设计成拱壳结构体系, 适当增加拱壳厚度, 可提高车站结构的承载力, 降低周边地层的沉降值。

5) 当车站采用管幕肋结构体系时, 车站周边土层的沉降值均有所下降, 变化幅度随着结构体系管幕肋间距的增加而增大;相同拱肋间距时, 随着管幕肋宽度的增加, 车站周边土层的沉降值减小, 当拱肋间距大于拱肋宽度时, 周围土层的沉降值变化幅度不大。

6) 在大直径钢管内不绑扎钢筋, 直接采用素混凝土, 车站上方土层沉降量有所减小, 但变化幅度相对较小, 可见管幕地铁车站结构设计时, 可切割、焊接成型的钢管, 直接浇筑混凝土, 无需再绑扎钢筋。