劉運(yùn)生 蔡國慶 張策 張強(qiáng) 李繼光 李坤泓

（1.中交哈爾濱地鐵投資建設(shè)有限公司，哈爾濱150086；2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

淺埋暗挖法于20世紀(jì)80年代創(chuàng)立并在北京市地鐵工程中首次應(yīng)用成功［1］，其在城市地鐵隧道施工中具有極大優(yōu)勢，被廣泛采用。淺埋暗挖法最大的特點(diǎn)是埋深淺，因此在施工過程中易引發(fā)地層損失，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降，對周邊環(huán)境產(chǎn)生一定影響［2］。眾多學(xué)者對淺埋暗挖法施工過程中地層位移、孔隙水壓力等指標(biāo)演化規(guī)律開展了研究［3-7］。目前，對于大斷面隧道施工已經(jīng)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(cè)壁導(dǎo)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(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的隧道施工方法——懸掛法。懸掛法的基本思想是通過設(shè)置豎向系桿將隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與地表鋼框架體系相連接，即用系桿將隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)“吊起”并“懸掛”起到支撐作用，將地層應(yīng)力傳遞至地表鋼框架體系，達(dá)到有效控制地表沉降的目的。

本文采用現(xiàn)場監(jiān)測與有限元數(shù)值模擬相結(jié)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(guī)律。通過與交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的地表沉降結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證懸掛法在地表沉降控制方面的優(yōu)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(jìn)鄉(xiāng)街站—汽輪機(jī)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(jī)廠廠房，隧道上部為汽輪機(jī)廠圍擋施工場地。

隧道設(shè)計(jì)斷面寬13.8 m、高11.0 m，選取23.9 m長的試驗(yàn)段采用懸掛法進(jìn)行施工，分4步開挖。采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用C25早強(qiáng)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(jié)構(gòu)采用模筑混凝土。隧道開挖土層的物理力學(xué)參數(shù)及地質(zhì)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(dǎo)洞編號。

表1 隧道開挖土層的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 隧道地質(zhì)剖面（單位：cm）

2 懸掛法施工過程數(shù)值模擬

2.1 模型建立

運(yùn)用有限元數(shù)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(jì)算模型網(wǎng)格劃分為60 584個(gè)單元，65 880個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)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(xiàn)場施工分6個(gè)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(hù)，連接初期支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力，然后拆除下部的部分臨時(shí)中隔壁；④施作底板以及部分邊墻二次襯砌，待其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將臨時(shí)中隔壁回?fù)沃两Y(jié)構(gòu)底板；⑤破除臨時(shí)仰拱及中隔壁，施作邊墻二次襯砌，封閉成環(huán)；⑥待二次襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除所有臨時(shí)支撐構(gòu)件，拆除地表鋼框架體系。

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

模擬時(shí)假定：①土體完全飽和，整個(gè)模型所有單元采用實(shí)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(nèi)變化，不發(fā)生破壞或到達(dá)臨界狀態(tài)，地應(yīng)力場由重力自動(dòng)生成；③地表鋼框架體系采用三維實(shí)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(dòng)態(tài)影響。

2.3 模擬結(jié)果分析

1）地表沉降變化規(guī)律

不同施工階段結(jié)束時(shí)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(jié)束時(shí)沉降云圖（單位：m）

由表2和圖3可知：隨著施工階段的進(jìn)行，地表最大沉降量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢；3號和4號導(dǎo)洞開挖施作初期支護(hù)階段（階段2），由于土體的開挖地層應(yīng)力釋放，地表最大沉降達(dá)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(xù)增加，在階段3結(jié)束時(shí)最大沉降量達(dá)到12.9 mm；當(dāng)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(yīng)力進(jìn)一步釋放，地表沉降量達(dá)到最大，其值為14.5 mm。地表最大隆起量則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在導(dǎo)洞全部開挖完成后達(dá)到最大值1.80 mm。

2）系桿軸力變化規(guī)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?？芍禇U軸力呈增大-減小-增大的趨勢變化。在開挖1號和2號導(dǎo)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(dǎo)洞上方，尚未與初期支護(hù)綁定，故系桿軸力為0；開挖3號和4號導(dǎo)洞（施工步22到34）過程中，當(dāng)開挖至系桿處土體時(shí)，系桿軸力逐漸增大，最大達(dá)到86.02 kN；繼續(xù)開挖后續(xù)土體時(shí)，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(yīng)力釋放，轉(zhuǎn)由系桿承擔(dān)，因此系桿軸力再次增大，最大軸力達(dá)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(cè)壁導(dǎo)坑法沉降對比

以上述工程為例，分別建立雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和交叉中隔壁法施工的數(shù)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(jié)果與懸掛法模擬結(jié)果進(jìn)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(cè)壁導(dǎo)坑法。不同施工方法引起的地表最大沉降均發(fā)生在隧道軸線上方，懸掛法、交叉中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)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(cè)壁導(dǎo)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(jiān)控量測技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，隧道拱頂沉降應(yīng)控制在30 mm以內(nèi)，只有懸掛法滿足規(guī)范要求。

4 模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

在施工現(xiàn)場布置了地表沉降和系桿軸力監(jiān)測點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測點(diǎn)布置及編號

4.1 地表沉降

監(jiān)測點(diǎn)地表沉降數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比見圖7?？梢姡菏┕ね瓿蓵r(shí)，監(jiān)測點(diǎn)D2-5地表沉降的數(shù)值模擬值和現(xiàn)場監(jiān)測值分別為13.96，12.58 mm，監(jiān)測點(diǎn)D2-6地表沉降的數(shù)值模擬值和現(xiàn)場監(jiān)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(jiān)測點(diǎn)地表沉降數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比

4.2 系桿軸力

監(jiān)測點(diǎn)系桿軸力數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比見圖8。可見，2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)系桿軸力均呈增大-減小-增大的趨勢變化。施工完成時(shí)監(jiān)測點(diǎn)Z3-2系桿軸力數(shù)值模擬值和現(xiàn)場監(jiān)測值分別為98.49，110.99 kN；監(jiān)測點(diǎn)Z3-3系桿軸力數(shù)值模擬值和現(xiàn)場監(jiān)測值分別為61.25，43.63 kN。施工過程中系桿軸力數(shù)值模擬值和現(xiàn)場監(jiān)測值變化趨勢相同。數(shù)值模擬時(shí)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(hù)綁定，而在實(shí)際工程中系桿插入土體后就開始受力，導(dǎo)致在前期有較小的軸力值出現(xiàn)。在系桿軸力的第一個(gè)上升段，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化比模擬結(jié)果更加平緩。這主要是因?yàn)槟M時(shí)土體開挖引起的應(yīng)力是在這一步施工完成后完全釋放，而實(shí)際施工過程中應(yīng)力釋放是一個(gè)過程。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)系桿軸力數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比

5 結(jié)論

1）在交叉中隔壁法基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的隧道施工方法——懸掛法，通過設(shè)置豎向系桿將隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與地表鋼框架體系相連接，即用系桿將隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)“吊起”并“懸掛”直到支撐作用，將地層應(yīng)力傳遞至地表鋼框架體系，達(dá)到有效控制地表沉降的目的。

2）通過數(shù)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(yōu)于傳統(tǒng)的交叉中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

3）經(jīng)在哈爾濱地鐵3號線進(jìn)鄉(xiāng)街站試驗(yàn)，采用懸掛法施工地表最大沉降的現(xiàn)場監(jiān)測值和數(shù)值模擬值接近，均在15 mm以內(nèi)。