蓋挖法“永臨結(jié)合”鋼管柱的選型與設(shè)計(jì)研究

摘要：在地鐵基坑工程中，鋼管柱作為暗（蓋）挖法施工中的重要支撐構(gòu)件，其受力及變形直接影響著結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性以及暗挖施工的安全性。以天津地鐵10號(hào)線一期工程昌凌路站為工程背景，采用理論計(jì)算的方法，對(duì)“永臨結(jié)合”鋼管柱與擴(kuò)盤樁的承載力和變形特征進(jìn)行研究。研究成果表明，工程采用外直徑800mm，厚度30mm的圓形鋼管外置混凝土柱形式，滿足地鐵基坑開挖階段和運(yùn)營(yíng)階段的受力和變形要求。研究成果可為暗（蓋）挖法施工的基坑變形和受力控制計(jì)算提供參考。

關(guān)鍵詞：蓋挖法;永臨結(jié)合;鋼管柱;選型;承載力;沉降

0" "引言

目前針對(duì)暗（蓋）挖法的研究，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者取得了較多的研究，但針對(duì)鋼管柱自身的承載性狀以及變形特征研究較少，特別是“永臨結(jié)合”鋼管柱與擴(kuò)盤樁相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系，未見相關(guān)報(bào)道[1-5]。鋼管柱作為暗挖法施工中的重要支撐構(gòu)件，對(duì)其結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)計(jì)算具有較為嚴(yán)格的要求。

本文以天津地鐵10號(hào)線一期工程昌凌路站為工程背景，通過(guò)理論計(jì)算的方法對(duì)“永臨結(jié)合”鋼管柱承載力和變形進(jìn)行計(jì)算，研究成果可為暗（蓋）挖法施工的基坑變形和受力控制計(jì)算提供參考。

1" "工程背景及工程地質(zhì)條件

1.1" "工程背景

天津地鐵10號(hào)線一期工程昌凌路站位于昌凌路與麗江道交口西側(cè)，沿麗江道東西向布置。車站站址東北角為凌口悅雅花園高層住宅樓，北側(cè)為夢(mèng)溪園小區(qū)，車站東南側(cè)為悅雅國(guó)際辦公樓，車站西南側(cè)為涵溪園小區(qū)，南側(cè)為在建凌口村綜合用地。

車站為地下3層島式車站，站臺(tái)寬度13m。車站主體結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)150.31m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3m，端頭井加寬段寬26.5m，車站埋深約26.00～27.61m，頂板覆土厚度約3.4m。

1.2" "場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

地鐵車站主體結(jié)構(gòu)影響范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層（Qml）、第四系全新統(tǒng)新近沖積層（Q43Nal）、第四系全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42m）、第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（Q41h），巖性主要為黏性土、粉土，局部夾粉砂、淤泥及淤泥質(zhì)土。

車站主體結(jié)構(gòu)底板主要位于⑨1層粉質(zhì)黏土、⑨2砂質(zhì)粉土、⑩1層粉質(zhì)黏土中，該層土總體較穩(wěn)定，土質(zhì)砂黏性有所變化。車站開挖影響范圍內(nèi)土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

2" "蓋挖法鋼管柱選型

車站主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆做法施工，蓋挖法鋼管柱一般有“臨時(shí)”和“永臨結(jié)合”兩種形式，結(jié)合10號(hào)線昌凌路車站主體基坑的具體情況，工程采用永臨結(jié)合的鋼管柱設(shè)置形式，即鋼管柱不僅在基坑開挖階段承擔(dān)施工期間頂板傳遞的臨時(shí)豎向荷載，同時(shí)也承擔(dān)著使用階段工況下的豎向荷載[6]。

永臨結(jié)合鋼管柱屬于型鋼混凝土構(gòu)件范疇，可分為型鋼內(nèi)置及型鋼外置兩種形式[7]，如圖1所示。綜合考慮構(gòu)件剛度、施工便宜性及工程造價(jià)等因素，本工程采用外直徑800mm，厚度30mm的圓形鋼管外置混凝土柱形式。

待柱下樁基礎(chǔ)施工完畢后，利用鋼管柱自重，配合超緩混凝土，將鋼管柱柱子先行插入，最后建造結(jié)構(gòu)梁、板混凝土[8-9]。為保證鋼管柱的垂直度，可采用HPE法或?qū)蚬芊ú迦胄弯揫10]。考慮到不同材質(zhì)的結(jié)構(gòu)間更好的傳遞應(yīng)力，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全牢靠的連接，在每層混凝土梁、板結(jié)構(gòu)構(gòu)件與鋼管柱相交節(jié)點(diǎn)處設(shè)置環(huán)形蓋板，肋板和栓釘[11]，如圖2所示。

3" "蓋挖法鋼管柱設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1" "鋼管柱承載力驗(yàn)算

截面外徑Φ為800mm，壁厚t為25mm，經(jīng)計(jì)算比選，7～15軸間鋼管混凝土柱荷載最大，故選取此柱進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算荷載如表2所示。按相關(guān)公式計(jì)算，可知鋼管混凝土柱承載力設(shè)計(jì)值Nu為26438kNgt;鋼管柱軸力設(shè)計(jì)值17268kN，滿足要求。

3.2" "鋼管柱沉降計(jì)算

以西端頭基坑鋼管柱為例，鋼管柱的柱底沉降即為樁基礎(chǔ)的樁頂沉降[12]，鋼管柱采用直徑2000mm的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，局部擴(kuò)盤直徑4000mm。西端頭基坑深27.61m，樁長(zhǎng)32m，樁徑2m，2處擴(kuò)孔，擴(kuò)孔直徑為4.0m，樁頂準(zhǔn)永久組合值為10576kN，樁身及底部土層參數(shù)詳見表3。

樁頂附加荷載Q為10576kN，樁長(zhǎng)l為34m，樁身混凝土彈性模量Ec為30000N/mm2，樁截面積Aps為3.14m2，樁身壓縮系數(shù)ξe為2/3。樁身壓縮值計(jì)算如下：

（1）

樁端阻力比為0.42，均勻分布側(cè)阻力比為0.52;樁底的自重應(yīng)力為577.53kPa，附加應(yīng)力為207.4Pa。計(jì)算深度2.6m處自重應(yīng)力σc為601kPa，附加應(yīng)力為σz為114.56lt;0.2σc=120.2kPa，取計(jì)算深度為Zn=2.6m。

由分層總和法計(jì)算，得到樁端以下各壓縮土層（沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取1.0）沉降總和為14.5mm。由于中間樁采用樁側(cè)、樁端復(fù)合注漿加固，沉降乘以0.75的折減系數(shù)，最終沉降量計(jì)算如下：

s=se+0.75×14.5=13.175mmlt;15mm" " " " " " （2）

上述理論計(jì)算表明，“永臨結(jié)合”鋼管柱滿足地鐵基坑開挖階段和運(yùn)營(yíng)階段的受力和變形要求。

4" "結(jié)語(yǔ)

地鐵基坑工程中，鋼管柱作為暗（蓋）挖法施工中的重要支撐構(gòu)件，其受力特征及變形規(guī)律直接影響著結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性以及暗挖施工的安全性。綜合考慮構(gòu)件剛度、施工便利性及工程造價(jià)等因素，工程采用外直徑800mm，厚度30mm的圓形鋼管外置混凝土柱形式，采用理論計(jì)算表明，“永臨結(jié)合”鋼管柱滿足地鐵基坑開挖階段和運(yùn)營(yíng)階段的受力和變形要求。研究成果可為暗（蓋）挖法施工的基坑變形和受力控制計(jì)算提供參考。

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