地铁车站新预筑法施工中顶管间距的优化设计

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1、万方数据第32卷，第2期2011年3月中国铁道科学CHINARAILWAYSCIENCEV01．32No．2March，2011文章编号：l001—4632《20l1)02—0061—06地铁车站新预筑法施工中顶管间距的优化设计杨仙1，张可能1，李钟2，邓美龙2(1．中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083；2．中建市政建设有限公司，北京100061)摘要：基于土拱效应理论，建立新预筑法顶锊施工中顶管土拱效应模型。根据模型中土拱轴线的受力，推导出土拱轴线支庸约束反力与模型几何参数之I-甘J的关系式。将此关系式与拱顶和拱脚的强度控制条件方程联立，得到求解顶

2、镎JlJJ婵i的方程组。给Hj验算土拱馋体稳定性的判别式，验证顶管间距计算值的合理性。以采用新预筑法施f：的沈阳地铁新乐遗址站1号风道为例。采用上述方法计算得到的顶管间距为3．28mI通过调整切管位置和钢管半径可以优化设计顶管问距，从而减少管材消耗，节省施工时间，降低地表沉降。关键词：地铁车站；隧道施T；新预筑法；顶管间距；土拱效应；优化设计中图分类号：U231．4文献标识码：A沈阳地铁新乐遗址站位于黄河北大街与龙山路交叉口以北，沿黄河北大街呈南北向布置，为地下2层岛式车站，车站主体结构型式为单拱钢筋混凝土结构。新乐遗址站为暗挖车站，采用新预筑法[I]施工。新预筑法

3、的施工步骤如下：第1步，顶进密排的多根大口径钢管，边顶进边掏空钢管内土体；第2步，钢管切割，管间土体开挖；第3步，开挖部分焊接支护钢板和钢管混凝土支撑柱；第4步，铺设模板，在形成的贯通空间中进行钢筋混凝土结构浇注；第5步，开挖结构内部的土体，形成大断面地下空间。新乐遗址站新预筑法的具体施工过程见文献E2]。在该工法中，钢管的顶管间距是1个重要的参数。因为若顶管间距过大，会在管间土体开挖之后至还未焊接支护钢板和钢管混凝土支撑柱的时间段内，造成土体的失稳坍塌；若顶管间距过小，不仅不经济，而且会导致过大的地表沉降。因此，本文基于土拱效应理论，以沈阳地铁新乐遗址站1号风道工

4、程为例，对顶管间距进行优化设计，以提高施工的安全性和经济效益。1土拱效应模型建立在Terzaghi通过活动门试验‘33证实了土力学收稿Ij期：20lO一06—20‘修订f1期l20LO-11·12基会项目t中建f“政建设有限公卅横向课题((MEc-2009一Z-19)作者简介t杨仙(1982-一)，女。湖北天『J人．博_}：研究生。领域土拱效应的存在之后，与土拱效应有关的实测数据、理论研究及数值模拟计算越来越多[4’5]，并且在工程设计指导中取得了良好的效果[6’7]。土拱效应理论在抗滑桩的桩间距设计中得到了广泛的应用。施工抗滑桩后，在土体压力作用下，土体自我调整、

5、优化从而形成土拱，因此，其拱轴线是合理的拱轴线，即拱轴线的每一截面上只存在压力，没有弯矩和拉力[8]。根据文献[9]和文献[-10-]，抗滑桩土拱的拱脚为相邻两土拱形成的等腰三角形受压区。若抗滑桩为方桩，则三角形的底边一般假设为方桩受土体压力一侧桩的宽度；若抗滑桩为圆桩，则三角形的底边可假设为圆内接正方形的边长。在新预筑法中，如果顶管间距设计合理，从管间土体开挖，至还未焊接支护钢板和钢管混凝土支撑柱的时段内，因为土拱效应的发挥承受了上部土体的压力，土体有一定的自稳能力，不会发生坍塌破坏。因此，可以参照抗滑桩桩间距设计方法计算顶管间距。建立顶管土拱效应模型，需做如下假

6、设。(1)顶管上部的土拱，同样是在土体压力作用下，土体自我调整、优化而形成的，因此拱轴线为合理拱轴线。拱脚约束为铰约束。(2)土拱的拱脚为相邻两土拱形成的等腰三角形受压区(以下简称为拱脚三角形受压区)，三角万方数据62中国铁道科学第32卷形的底边为顶管圆截面内接正方形的边长。(3)忽略土拱本身以及拱下未开挖土体的厚度，土拱承受的外荷载为开挖后上部土体的重力，并且均匀分布，开挖后的应力取为q一弛士，其中y为上部土体的平均重度，kN·m～，h土为开挖点深度，m。由此建立顶管土拱效应的模型，如图1所示。图1中：n为土体开挖边缘点到拱轴线脚点的水平距离，m；行为拱轴线脚点到

7、等腰三角形受压区顶点的水平距离，m。从图l中分离出土拱轴线进行分析，得到土拱轴线及受力示意图，如图2所示。图2中：R和F，分别为拱脚受到的水平力和竖直力，N；h为拱高，m；1为拱轴线长度，m。将图1中的拱脚三角形受压区放大，得到的拱脚三角形受压区模型如图3所示。盯T]需图1顶管土拱效应模型角y。兀丁唧‘．．／仆．。一一一F图2土拱轴线及受力示意图图3拱脚三角形受压区模璎2顶管间距计算根据顶管土拱效应模型，可以得到土拱模型的合理拱轴线公式，推导出土拱轴线支座约束反力与顶管间距土拱模型几何参数之间的关系。将该关系式与拱顶和拱脚的强度控制条件联立组成方程组，求解方程组