超浅埋地铁暗挖车站新管幕结构力学特性及变形机制研究

A new type of pipe-roofing method which is adding transverse connection measures on the traditional pipe-roofing system, has become one of the most important construction method in complicated environment because of its significant capacity of ground movement control, space-saving and safety. At present, however, due to the lack of theory support the main design parameters of new pipe-roofing system such as spacing between the tubes, tube thickness, transverse connecting bolts and transverse connecting modes were determined based on the engineering analogy method. This project aims to investigate the failure characteristics and working mechanism of new pipe-roofing structure by using the flexural capacity test and the shearing capacity test. The numerical model was conducted to analyze the whole failure process of new pipe-roofing structure and the parameter sensitivity on the load-carrying capacity. Finally, a new analytical solution was proposed to calculate the load-carrying capacity and transverse flexural stiffness of the new pipe-roofing structure.

新管幕工法是在传统管幕结构基础上增加了管间横向连接措施的新型支护结构，由于新管幕工法显著的地表沉降控制能力、空间的节约性和安全性而将成为城市复杂环境下修建地铁车站的重要工法之一。目前新管幕支护体系的关键参数包括钢管间距、钢管壁厚、横向连接螺栓长度以及其横向连接方式均参考其他类似工程确定，缺乏理论支撑。本课题以新管幕结构室内试验为主线，基于室内模型试验，对不同连接方式的新型管幕支护结构进行抗弯承载力及抗剪承载力模型试验；研究不同连接方式下新管幕结构的破坏特征和工作机理。并基于上述试验结果建立考虑钢管混凝土相互作用的数值计算模型确定合理参数，并利用该模型研究新管幕结构破坏的全过程以及参数敏感性。最后，结合室内模型试验数据和数值模拟结果，建立新型管幕支护结构的极限承载力计算方法及其横向刚度计算公式。

目前以洞桩法为代表的暗挖地铁车站的施工方法复杂且危险性高，寻找地铁车站安全可靠的暗挖工法和技术有重要意义。基于此，本项目提出了修建超浅埋地铁暗挖车站的新型管幕结构，该结构通过增设钢管间横向连接和钢管内灌注混凝土，从而形成钢管混凝土新型组合支护结构，研究其力学性能和破坏理论有重要意义。.结合室内试验、理论分析以及数值计算等技术手段，对新型管幕结构横向体系的破坏机制、变形能力、承载力计算模型以及参数优化设计等展开研究。取得成果如下：（1）揭示了STS新型管幕构件的受力机制、破坏模式以及钢管直径、钢管间距等关键参数对其抗弯性能的影响规律；提出了STS新型管幕构件抗弯承载力和刚度计算公式；研究了管间及管内填充率对管幕结构抗弯性能的影响；（2）得到了钢管壁厚和翼缘板厚度多重参数组合下对STS新型管幕构件承载力的影响规律，确定了两者的最优比值；提出了STS新型管幕结构参数设计方案及优化方法。（3）基于研究进展，对STS新型管幕连接形式进行了优化，首次提出了型钢连接新型管幕结构和咬合新型管幕结构，进一步揭示了新型管幕结构的工作机理和破坏形式，得到了连接参数对管幕结构抗弯性能的影响规律。研究成果为新型管幕结构在后续的设计和施工提供了理论支撑。.项目执行期间，研究成果获得了2018中国铁路总公司科技进步二等奖，获授权发明专利5项，实用新型专利1项；发表期刊论文26篇（SCI收录8篇，EI收录10篇）。