懸掛法在大斷面淺埋暗挖隧道施工沉降控制中的應用

劉運生 蔡國慶 張策 張強 李繼光 李坤泓

（1.中交哈爾濱地鐵投資建設有限公司，哈爾濱150086；2.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室，北京100044；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044）

淺埋暗挖法于20世紀80年代創立并在北京市地鐵工程中首次應用成功［1］，其在城市地鐵隧道施工中具有極大優勢，被廣泛采用。淺埋暗挖法最大的特點是埋深淺，因此在施工過程中易引發地層損失，進而導致地表沉降，對周邊環境產生一定影響［2］。眾多學者對淺埋暗挖法施工過程中地層位移、孔隙水壓力等指標演化規律開展了研究［3-7］。目前，對于大斷面隧道施工已經逐漸形成了2種較為成熟的施工方法，即交叉中隔壁法和雙側壁導坑法［8-10］。

針對哈爾濱地鐵3號線淺埋暗挖隧道工程，在交叉中隔壁法基礎上提出了一種改進的隧道施工方法——懸掛法。懸掛法的基本思想是通過設置豎向系桿將隧道初期支護結構與地表鋼框架體系相連接，即用系桿將隧道支護結構“吊起”并“懸掛”起到支撐作用，將地層應力傳遞至地表鋼框架體系，達到有效控制地表沉降的目的。

本文采用現場監測與有限元數值模擬相結合的方法，研究懸掛法施工過程中地表沉降、拱頂沉降及系桿軸力的變化規律。通過與交叉中隔壁法、雙側壁導坑法的地表沉降結果進行對比，驗證懸掛法在地表沉降控制方面的優勢。

1 工程概況

哈爾濱地鐵3號線淺埋暗挖隧道位于哈爾濱地鐵3號線進鄉街站—汽輪機廠站，為跨度13.8 m的馬蹄形單洞雙線大斷面隧道。臨近主要建筑物為哈爾濱汽輪機廠廠房，隧道上部為汽輪機廠圍擋施工場地。

隧道設計斷面寬13.8 m、高11.0 m，選取23.9 m長的試驗段采用懸掛法進行施工，分4步開挖。采用復合式襯砌結構，初期支護采用C25早強混凝土和格柵鋼筋，并通過精軋螺紋鋼筋與地表鋼框架體系連接。二次襯砌結構采用模筑混凝土。隧道開挖土層的物理力學參數及地質剖面分別如表1和圖1所示。圖1中1號、2號、3號、4號為導洞編號。

表1 隧道開挖土層的物理力學參數

圖1 隧道地質剖面（單位：cm）

2 懸掛法施工過程數值模擬

2.1 模型建立

運用有限元數值分析軟件ABAQUS建立模型（圖2），模型沿隧道縱向取55.95 m，橫向取94 m，高取44 m（隧道埋深11.06 m）。計算模型網格劃分為60 584個單元，65 880個節點。模型側面和底面為位移邊界，側面限制水平位移，底面限制豎向位移，頂面為自由面。

圖2 懸掛法施工部分模型

2.2 施工過程

懸掛法現場施工分6個階段：①施作系桿與地表鋼框架體系；②依次開挖洞室，施作初期支護，連接初期支護結構與精軋螺紋鋼；③分段拆除中隔壁，分批對精軋螺紋鋼施加預應力，然后拆除下部的部分臨時中隔壁；④施作底板以及部分邊墻二次襯砌，待其強度達到設計要求后，將臨時中隔壁回撐至結構底板；⑤破除臨時仰拱及中隔壁，施作邊墻二次襯砌，封閉成環；⑥待二次襯砌達到設計強度后，拆除所有臨時支撐構件，拆除地表鋼框架體系。

為方便計算，建模過程中將施工階段簡化分4個階段：①1號和2號導洞開挖，施作初期支護，共分21個施工步；②3號和4號導洞開挖，施作初期支護，共分13個施工步；③拆除中隔壁，施作二次襯砌，共分5個施工步；④拆除系桿和地表鋼框架體系，1個施工步。

模擬時假定：①土體完全飽和，整個模型所有單元采用實體單元，地表鋼框架體系、系桿以及襯砌采用線彈性模型，土體采用DP理想彈塑性模型；②地層土體均在彈塑性范圍內變化，不發生破壞或到達臨界狀態，地應力場由重力自動生成；③地表鋼框架體系采用三維實體單元，對主梁約束豎向位移；④施工過程中不考慮上覆荷載的變化及地下水對隧道的動態影響。

2.3 模擬結果分析

1）地表沉降變化規律

不同施工階段結束時地表最大沉降量與隆起量見表2，沉降云圖見圖3。

表2 地表最大沉降量與隆起量

圖3 不同施工階段結束時沉降云圖（單位：m）

由表2和圖3可知：隨著施工階段的進行，地表最大沉降量呈現不斷增加的趨勢；3號和4號導洞開挖施作初期支護階段（階段2），由于土體的開挖地層應力釋放，地表最大沉降達到6.25 mm；隨著中隔壁的拆除（階段3），由于土體失去了支撐，地表最大沉降量繼續增加，在階段3結束時最大沉降量達到12.9 mm；當系桿和地表鋼框架體系全部拆除（階段4）后，由于系桿對土層的拉力消失，地層應力進一步釋放，地表沉降量達到最大，其值為14.5 mm。地表最大隆起量則呈現先增大后減小的趨勢，在導洞全部開挖完成后達到最大值1.80 mm。

2）系桿軸力變化規律

第3排系桿（Z3-1至Z3-6）軸力隨施工步的變化曲線見圖4。可知，系桿軸力呈增大-減小-增大的趨勢變化。在開挖1號和2號導洞（施工步1到21）過程中，由于第3排系桿處在3號和4號導洞上方，尚未與初期支護綁定，故系桿軸力為0；開挖3號和4號導洞（施工步22到34）過程中，當開挖至系桿處土體時，系桿軸力逐漸增大，最大達到86.02 kN；繼續開挖后續土體時，系桿軸力開始減小；拆除中隔壁（施工步35到39）后，由于失去了中隔壁的支撐，土體應力釋放，轉由系桿承擔，因此系桿軸力再次增大，最大軸力達到100.88 kN。

圖4 第3排系桿軸力隨施工步變化曲線

3 懸掛法、交叉中隔壁法和雙側壁導坑法沉降對比

以上述工程為例，分別建立雙側壁導坑法和交叉中隔壁法施工的數值模型，并按各自施工步序模擬。將獲取的地表和拱頂沉降結果與懸掛法模擬結果進行對比，見圖5。

圖5 不同施工方法地表和拱頂沉降對比

由圖5可知：無論是地表沉降還是拱頂沉降，采用懸掛法均小于采用交叉中隔壁法和雙側壁導坑法。不同施工方法引起的地表最大沉降均發生在隧道軸線上方，懸掛法、交叉中隔壁法和雙側壁導坑法引起的地表最大沉降分別為14.51，15.98，22.06 mm。懸掛法、交叉中隔壁法和雙側壁導坑法引起的拱頂最大沉降分別為24.95，32.32，36.30 mm。按照DB11 409—2007《地鐵工程監控量測技術規范》規定，隧道拱頂沉降應控制在30 mm以內，只有懸掛法滿足規范要求。

4 模擬結果與監測數據對比

在施工現場布置了地表沉降和系桿軸力監測點，如圖6所示。

圖6 監測點布置及編號

4.1 地表沉降

監測點地表沉降數值模擬值與現場監測值對比見圖7。可見：施工完成時，監測點D2-5地表沉降的數值模擬值和現場監測值分別為13.96，12.58 mm，監測點D2-6地表沉降的數值模擬值和現場監測值分別為14.51，14.89 mm。兩者施工方法沉降曲線變化趨勢相同，尤其是在中隔壁拆除階段（施工步35至39）兩者較為吻合。

圖7 監測點地表沉降數值模擬值與現場監測值對比

4.2 系桿軸力

監測點系桿軸力數值模擬值與現場監測值對比見圖8。可見，2個監測點系桿軸力均呈增大-減小-增大的趨勢變化。施工完成時監測點Z3-2系桿軸力數值模擬值和現場監測值分別為98.49，110.99 kN；監測點Z3-3系桿軸力數值模擬值和現場監測值分別為61.25，43.63 kN。施工過程中系桿軸力數值模擬值和現場監測值變化趨勢相同。數值模擬時軸力為0的施工步系桿并不受力，這是由于系桿尚未與初期支護綁定，而在實際工程中系桿插入土體后就開始受力，導致在前期有較小的軸力值出現。在系桿軸力的第一個上升段，監測數據的變化比模擬結果更加平緩。這主要是因為模擬時土體開挖引起的應力是在這一步施工完成后完全釋放，而實際施工過程中應力釋放是一個過程。

圖8 監測點系桿軸力數值模擬值與現場監測值對比

5 結論

1）在交叉中隔壁法基礎上，提出了一種改進的隧道施工方法——懸掛法，通過設置豎向系桿將隧道初期支護結構與地表鋼框架體系相連接，即用系桿將隧道支護結構“吊起”并“懸掛”直到支撐作用，將地層應力傳遞至地表鋼框架體系，達到有效控制地表沉降的目的。

2）通過數值模擬分析隧道開挖過程中地表沉降、拱頂沉降及系桿軸力，得出懸掛法在控制沉降方面優于傳統的交叉中隔壁法和雙側壁導坑法。

3）經在哈爾濱地鐵3號線進鄉街站試驗，采用懸掛法施工地表最大沉降的現場監測值和數值模擬值接近，均在15 mm以內。