蓋挖法“永臨結合”鋼管柱的選型與設計研究

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件，其受力及變形直接影響著結構體系的穩定性以及暗挖施工的安全性。以天津地鐵10號線一期工程昌凌路站為工程背景，采用理論計算的方法，對“永臨結合”鋼管柱與擴盤樁的承載力和變形特征進行研究。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營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算提供參考。

關鍵詞：蓋挖法;永臨結合;鋼管柱;選型;承載力;沉降

0" "引言

目前針對暗（蓋）挖法的研究，國內外研究學者取得了較多的研究，但針對鋼管柱自身的承載性狀以及變形特征研究較少，特別是“永臨結合”鋼管柱與擴盤樁相結合的結構體系，未見相關報道[1-5]。鋼管柱作為暗挖法施工中的重要支撐構件，對其結構選型和設計計算具有較為嚴格的要求。

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

1" "工程背景及工程地質條件

1.1" "工程背景

天津地鐵10號線一期工程昌凌路站位于昌凌路與麗江道交口西側，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，北側為夢溪園小區，車站東南側為悅雅國際辦公樓，車站西南側為涵溪園小區，南側為在建凌口村綜合用地。

車站為地下3層島式車站，站臺寬度13m。車站主體結構尺寸為長150.31m，結構標準段寬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" "場區工程地質條件

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

車站主體結構底板主要位于⑨1層粉質黏土、⑨2砂質粉土、⑩1層粉質黏土中，該層土總體較穩定，土質砂黏性有所變化。車站開挖影響范圍內土層物理力學性質如表1所示。

2" "蓋挖法鋼管柱選型

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

永臨結合鋼管柱屬于型鋼混凝土構件范疇，可分為型鋼內置及型鋼外置兩種形式[7]，如圖1所示。綜合考慮構件剛度、施工便宜性及工程造價等因素，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，最后建造結構梁、板混凝土[8-9]。為保證鋼管柱的垂直度，可采用HPE法或導向管法插入型鋼[10]。考慮到不同材質的結構間更好的傳遞應力，以及結構構件安全牢靠的連接，在每層混凝土梁、板結構構件與鋼管柱相交節點處設置環形蓋板，肋板和栓釘[11]，如圖2所示。

3" "蓋挖法鋼管柱設計計算

3.1" "鋼管柱承載力驗算

截面外徑Φ為800mm，壁厚t為25mm，經計算比選，7～15軸間鋼管混凝土柱荷載最大，故選取此柱進行驗算，計算荷載如表2所示。按相關公式計算，可知鋼管混凝土柱承載力設計值Nu為26438kNgt;鋼管柱軸力設計值17268kN，滿足要求。

3.2" "鋼管柱沉降計算

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

樁頂附加荷載Q為10576kN，樁長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ξe為2/3。樁身壓縮值計算如下：

（1）

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

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

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

上述理論計算表明，“永臨結合”鋼管柱滿足地鐵基坑開挖階段和運營階段的受力和變形要求。

4" "結語

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件，其受力特征及變形規律直接影響著結構體系的穩定性以及暗挖施工的安全性。綜合考慮構件剛度、施工便利性及工程造價等因素，工程采用外直徑800mm，厚度30mm的圓形鋼管外置混凝土柱形式，采用理論計算表明，“永臨結合”鋼管柱滿足地鐵基坑開挖階段和運營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算提供參考。

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