悬挂法在大断面浅埋暗挖隧道施工沉降控制中的应用

2021-01-09刘运生蔡国庆张策张强李继光李坤泓

铁道建筑 2020年12期

刘运生蔡国庆张策张强李继光李坤泓

（1.中交哈尔滨地铁投资建设有限公司，哈尔滨150086；2.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京100044；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044）

浅埋暗挖法于20世纪80年代创立并在北京市地铁工程中首次应用成功［1］，其在城市地铁隧道施工中具有极大优势，被广泛采用。浅埋暗挖法最大的特点是埋深浅，因此在施工过程中易引发地层损失，进而导致地表沉降，对周边环境产生一定影响［2］。众多学者对浅埋暗挖法施工过程中地层位移、孔隙水压力等指标演化规律开展了研究［3-7］。目前，对于大断面隧道施工已经逐渐形成了2种较为成熟的施工方法，即交叉中隔壁法和双侧壁导坑法［8-10］。

针对哈尔滨地铁3号线浅埋暗挖隧道工程，在交叉中隔壁法基础上提出了一种改进的隧道施工方法——悬挂法。悬挂法的基本思想是通过设置竖向系杆将隧道初期支护结构与地表钢框架体系相连接，即用系杆将隧道支护结构“吊起”并“悬挂”起到支撑作用，将地层应力传递至地表钢框架体系，达到有效控制地表沉降的目的。

本文采用现场监测与有限元数值模拟相结合的方法，研究悬挂法施工过程中地表沉降、拱顶沉降及系杆轴力的变化规律。通过与交叉中隔壁法、双侧壁导坑法的地表沉降结果进行对比，验证悬挂法在地表沉降控制方面的优势。

1 工程概况

哈尔滨地铁3号线浅埋暗挖隧道位于哈尔滨地铁3号线进乡街站—汽轮机厂站，为跨度13.8 m的马蹄形单洞双线大断面隧道。临近主要建筑物为哈尔滨汽轮机厂厂房，隧道上部为汽轮机厂围挡施工场地。

隧道设计断面宽13.8 m、高11.0 m，选取23.9 m长的试验段采用悬挂法进行施工，分4步开挖。采用复合式衬砌结构，初期支护采用C25早强混凝土和格栅钢筋，并通过精轧螺纹钢筋与地表钢框架体系连接。二次衬砌结构采用模筑混凝土。隧道开挖土层的物理力学参数及地质剖面分别如表1和图1所示。图1中1号、2号、3号、4号为导洞编号。

表1 隧道开挖土层的物理力学参数

图1 隧道地质剖面（单位：cm）

2 悬挂法施工过程数值模拟

2.1 模型建立

运用有限元数值分析软件ABAQUS建立模型（图2），模型沿隧道纵向取55.95 m，横向取94 m，高取44 m（隧道埋深11.06 m）。计算模型网格划分为60 584个单元，65 880个节点。模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底面限制竖向位移，顶面为自由面。

图2 悬挂法施工部分模型

2.2 施工过程

悬挂法现场施工分6个阶段：①施作系杆与地表钢框架体系；②依次开挖洞室，施作初期支护，连接初期支护结构与精轧螺纹钢；③分段拆除中隔壁，分批对精轧螺纹钢施加预应力，然后拆除下部的部分临时中隔壁；④施作底板以及部分边墙二次衬砌，待其强度达到设计要求后，将临时中隔壁回撑至结构底板；⑤破除临时仰拱及中隔壁，施作边墙二次衬砌，封闭成环；⑥待二次衬砌达到设计强度后，拆除所有临时支撑构件，拆除地表钢框架体系。

为方便计算，建模过程中将施工阶段简化分4个阶段：①1号和2号导洞开挖，施作初期支护，共分21个施工步；②3号和4号导洞开挖，施作初期支护，共分13个施工步；③拆除中隔壁，施作二次衬砌，共分5个施工步；④拆除系杆和地表钢框架体系，1个施工步。

模拟时假定：①土体完全饱和，整个模型所有单元采用实体单元，地表钢框架体系、系杆以及衬砌采用线弹性模型，土体采用DP理想弹塑性模型；②地层土体均在弹塑性范围内变化，不发生破坏或到达临界状态，地应力场由重力自动生成；③地表钢框架体系采用三维实体单元，对主梁约束竖向位移；④施工过程中不考虑上覆荷载的变化及地下水对隧道的动态影响。

2.3 模拟结果分析

1）地表沉降变化规律

不同施工阶段结束时地表最大沉降量与隆起量见表2，沉降云图见图3。

表2 地表最大沉降量与隆起量

图3 不同施工阶段结束时沉降云图（单位：m）

由表2和图3可知：随着施工阶段的进行，地表最大沉降量呈现不断增加的趋势；3号和4号导洞开挖施作初期支护阶段（阶段2），由于土体的开挖地层应力释放，地表最大沉降达到6.25 mm；随着中隔壁的拆除（阶段3），由于土体失去了支撑，地表最大沉降量继续增加，在阶段3结束时最大沉降量达到12.9 mm；当系杆和地表钢框架体系全部拆除（阶段4）后，由于系杆对土层的拉力消失，地层应力进一步释放，地表沉降量达到最大，其值为14.5 mm。地表最大隆起量则呈现先增大后减小的趋势，在导洞全部开挖完成后达到最大值1.80 mm。

2）系杆轴力变化规律

第3排系杆（Z3-1至Z3-6）轴力随施工步的变化曲线见图4。可知，系杆轴力呈增大-减小-增大的趋势变化。在开挖1号和2号导洞（施工步1到21）过程中，由于第3排系杆处在3号和4号导洞上方，尚未与初期支护绑定，故系杆轴力为0；开挖3号和4号导洞（施工步22到34）过程中，当开挖至系杆处土体时，系杆轴力逐渐增大，最大达到86.02 kN；继续开挖后续土体时，系杆轴力开始减小；拆除中隔壁（施工步35到39）后，由于失去了中隔壁的支撑，土体应力释放，转由系杆承担，因此系杆轴力再次增大，最大轴力达到100.88 kN。

图4 第3排系杆轴力随施工步变化曲线

3 悬挂法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法沉降对比

以上述工程为例，分别建立双侧壁导坑法和交叉中隔壁法施工的数值模型，并按各自施工步序模拟。将获取的地表和拱顶沉降结果与悬挂法模拟结果进行对比，见图5。

图5 不同施工方法地表和拱顶沉降对比

由图5可知：无论是地表沉降还是拱顶沉降，采用悬挂法均小于采用交叉中隔壁法和双侧壁导坑法。不同施工方法引起的地表最大沉降均发生在隧道轴线上方，悬挂法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法引起的地表最大沉降分别为14.51，15.98，22.06 mm。悬挂法、交叉中隔壁法和双侧壁导坑法引起的拱顶最大沉降分别为24.95，32.32，36.30 mm。按照DB11 409—2007《地铁工程监控量测技术规范》规定，隧道拱顶沉降应控制在30 mm以内，只有悬挂法满足规范要求。

4 模拟结果与监测数据对比

在施工现场布置了地表沉降和系杆轴力监测点，如图6所示。

图6 监测点布置及编号

4.1 地表沉降

监测点地表沉降数值模拟值与现场监测值对比见图7。可见：施工完成时，监测点D2-5地表沉降的数值模拟值和现场监测值分别为13.96，12.58 mm，监测点D2-6地表沉降的数值模拟值和现场监测值分别为14.51，14.89 mm。两者施工方法沉降曲线变化趋势相同，尤其是在中隔壁拆除阶段（施工步35至39）两者较为吻合。

图7 监测点地表沉降数值模拟值与现场监测值对比

4.2 系杆轴力

监测点系杆轴力数值模拟值与现场监测值对比见图8。可见，2个监测点系杆轴力均呈增大-减小-增大的趋势变化。施工完成时监测点Z3-2系杆轴力数值模拟值和现场监测值分别为98.49，110.99 kN；监测点Z3-3系杆轴力数值模拟值和现场监测值分别为61.25，43.63 kN。施工过程中系杆轴力数值模拟值和现场监测值变化趋势相同。数值模拟时轴力为0的施工步系杆并不受力，这是由于系杆尚未与初期支护绑定，而在实际工程中系杆插入土体后就开始受力，导致在前期有较小的轴力值出现。在系杆轴力的第一个上升段，监测数据的变化比模拟结果更加平缓。这主要是因为模拟时土体开挖引起的应力是在这一步施工完成后完全释放，而实际施工过程中应力释放是一个过程。