地鐵車站小直徑管幕－橫梁支護參數優化分析

摘 要：【目的】管幕工法可以顯著減少開挖引起的地層擾動，目前被廣泛應用于地下空間建設中。但當前管幕工法存在管間連接復雜、施工周期長等問題，因此提出了一種新型管幕支護體系。【方法】通過有限差分軟件ＦＬＡＣ３Ｄ建立了小直徑管幕－橫梁暗挖法施工車站的精細化模型，研究了管幕間距、管幕剛度、橫梁數量、橫梁剛度等支護參數對地表沉降和管幕變形的影響，并對關鍵參數進行了優化分析。通過現場監測數據對數值模型進行了驗證，并與采用其他工法的類似車站進行了對比。【結果】橫梁數量對地表沉降和管幕變形的影響十分顯著，隨著橫梁數量的增加，地表沉降和管幕變形最大值總體上呈現二次函數減小的趨勢。管幕間距的增加不會對地表沉降及管幕變形最大值產生明顯影響。管幕剛度對地表沉降和管幕變形最大值具有較大的影響，管幕剛度為２Ｋ時管幕的承載能力得到充分利用，抗彎剛度不再是控制變形的關鍵因素。橫梁剛度在０５Ｄ～３Ｄ范圍時，地表沉降和管幕變形最大值均與橫梁剛度呈二次函數關系。當橫梁剛度由２Ｄ增加至３Ｄ時，地表沉降和管幕變形最大值的變化幅度并不明顯，減小幅度在３％以內，這說明橫梁剛度為２Ｄ時，橫梁的抗彎性能已經得到充分利用，繼續增大抗彎剛度不會對變形值產生明顯影響，反而會造成工程材料的浪費。【結論】在既定的控制標準條件下，施工時可根據實際需求和現場條件來選擇小直徑管幕與橫梁的參數組合，本文給出了地表沉降控制標準為３０ｍｍ時的小直徑管幕和橫梁參數的合理匹配關系。與相似的地鐵車站對比，小直徑管幕－橫梁暗挖法在滿足地表沉降控制標準的條件下極大地縮短了施工周期，值得進一步推廣和應用。本文提出了一種修建地鐵車站的新型管幕支護體系，并對該支護體系的關鍵參數進行了優化分析，可以為當前地下空間建設提供借鑒和參考。

關 鍵 詞：小直徑管幕；橫梁；數值分析；地表沉降；管幕變形；現場監測；優化分析；施工周期

中圖分類號：ＴＵ４１ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２５）０１－０１１４－１０

管幕工法作為一種新型的暗挖工法，能夠很好地適用于城市地鐵修建［１－５］，其利用頂管機將鋼管頂進形成支護結構，在支護結構下方開挖土體作為主體結構［６－７］。該技術自２０世紀引入我國后便迅速發展，演化出了多種管幕工法，例如管幕預筑法［８］和ＳＴＳ工法［９］等，但上述方法都存在頂管精度要求高、鋼管占用空間大、工期長等缺點，為了更好地解決這些問題，提出了一種小直徑管幕－橫梁暗挖法。該工法結合了小直徑頂管技術、管幕施工技術、導洞開挖及橫梁施工等技術，具有施工擾動小、頂管精準、空間利用率大等優點［１０］。

部分學者對管幕支護參數進行了研究。ＬＵ等［１１］通過室內試驗和數值模擬研究了鋼管參數變化對咬合管幕結構抗彎性能的影響。ＤＯＮＧ等［１２］分析了加勁肋對ＳＳＣＰ管幕結構極限承載力的影響。賈鵬蛟等［１３－１５］通過室內試驗和數值模擬研究了鋼管間距、鋼管直徑、管間混凝土強度等參數變化對ＳＴＳ管幕結構抗彎承載力和抗彎剛度的影響。有些學者則對管幕結構的力學特性進行了研究。肖俊航［１６］通過數值模擬分析了ＳＴＳ管幕結構在加載過程中的非線性作用機理及敏感性參數對管幕結構抗彎性能的影響規律。劉云安［１７］考慮到ＳＴＳ管幕施工過程中鋼管偏移產生的影響，研究了相鄰鋼管錯位連接時管幕結構的抗彎性能。關永平等［１８］通過數值軟件在不同荷載階段下對ＳＴＳ管幕結構的變形和應力進行研究，總結了鋼管壁厚、翼緣板厚度和螺栓直徑等關鍵參數對管幕結構延性的影響規律。

目前研究多集中于管間有復雜連接形式的管幕結構，對于小直徑管幕－橫梁暗挖法的研究較少。基于此，本文采用有限差分軟件ＦＬＡＣ３Ｄ對沈陽地鐵四號線市府大路站的施工過程進行了精細化建模，研究了管幕間距、管幕剛度、橫梁剛度和橫梁數量等參數對地表沉降和管幕變形最大值的影響，并利用現場監測數據對數值模型進行了驗證，再與采用其他工法修建的類似車站在地表沉降和施工周期兩方面進行對比分析。