暗挖隧道受力体系二次转换施工方法技术领域
本发明涉及暗挖隧道施工技术领域，特别地，涉及一种下穿既有建筑物的地下工
程的受力体系二次转换暗挖施工方法。
背景技术
在城市修建地铁或者下穿隧道等地下工程时，不可避免地要在地面建(构)筑物附
近穿过，这不仅需要保证地下工程本体施工的安全，还须妥善地解决地下工程对既有建筑
物的影响问题。尤其是当地下工程从地面建(构)筑物正下方穿过时，这个问题显得更加突
出，采用合适的暗挖施工方法尤为重要。
现有的施工方式主要有：采用避让地下工程并采用托架支撑相结合的方式，以降
低对既有建筑物的影响，施工周期长，并且地铁等隧道施工无法进行避让的方式；如果实在
无法避开地下工程时，需要拆除既有建筑物，以降低施工过程中造成的危害，但是这样会造
成施工周期的延长，同时增加了拆除、垃圾堆放占地、垃圾运送等费用，造成施工成本的增
加。
发明内容
本发明提供了一种暗挖隧道受力体系二次转换施工方法，以解决下穿既有建筑物
的地下工程的暗挖施工方法，采用避让方式施工，施工周期长，不适合部分隧道施工；采用
拆除既有建筑物的方式，施工周期长，施工成本高的技术问题。
本发明提供一种暗挖隧道受力体系二次转换施工方法，包括以下步骤：a、利用超
前注浆技术加固待开挖土体；b、通过施工过程有限元模拟确定开挖进尺与支撑的方案；c、
实施边开挖边支撑，然后施工地下工程主体结构。
进一步地，步骤a的具体实施步骤为：进入暗挖段开挖面后，采用钢花管进行土体
超前注浆；注浆孔水平间距为0.8-1.5m，且呈梅花形布置；注浆长度根据土质情况确定，将
待开挖土体全部固结，以保证后续开挖的稳定。
进一步地，暗挖段每30m-45m采用一次注浆固结；将待开挖土体全部固结，以保证
后续开挖的稳定。
进一步地，步骤b的具体实施步骤为：从受力上分析暗挖段的土体开挖-型钢支撑-
主体结构的施工过程；地下工程主体结构以上的荷载一开始由待开挖土体承受，随着每开
挖一步，采用H型钢柱支撑一次，逐渐转为由型钢支撑承受，随着主体结构砼的施工，再逐渐
转为由地下工程主体结构承受的受力体系二次转换过程；采用有限元软件ANSYS进行暗挖
施工全过程模拟，预测地表沉降及型钢支撑的受力变化规律，优化土体开挖进尺及型钢尺
寸，根据经济技术指标确定最优的开挖进尺与支撑方案。
进一步地，隧道宽度为18m-25m，高为5.5m-7.5m，主体结构包括已建隧道顶板、底
板、中墙和侧墙；采用H型钢作为支撑，横断面上共五排，横向间距为4m-6m，其中中间的H型
钢位于中隔墙构成第一道支撑，两边的H型钢分别位于侧墙内构成第三道支撑，H型钢后期
与隧道主体浇筑为一整体，H型钢支撑纵向间距为0.5m-2m；H型钢支撑底部位于C40快凝快
硬砼浇筑的底座中，顶部与已建隧道顶板顶紧。
进一步地，土体横断面上分三次开挖，第一次开挖中间部分，即底部宽度为4m-6m，
顶部宽度为7m-9m的梯形部分；第二次开挖底部及顶部宽度均为3m-5m；第三次开挖两侧剩
余部分土体；三次开挖过程中，每次纵向开挖进尺为1m-3m，每完成一个进尺及时施作H型钢
支撑。
进一步地，每道H型钢柱间，顶部采用工字钢横梁进行连接；每根H型钢柱，顶部采
用横向H型钢连接，横向H型钢翼缘间采用两块钢板进行加强，并与已建隧道顶板顶紧。
进一步地，三次开挖过程中，每纵向开挖进尺一次，及时从侧面对未开挖土体进行
加固；其中，第一次开挖过程中，采用挂网护坡；第二次开挖过程和第三次开挖过程中，横向
采用钢花管进行注浆，对两侧土体进行加固。
进一步地，步骤c的具体实施步骤为：暗挖法所有支撑完成后，开始进行地下工程
主体结构施工；主体混凝土采用泵送；先施工底板，再进行中隔墙和侧墙施工。
进一步地，第一道H型钢支撑和第三道H型钢支撑留在中隔墙与隧道侧墙内，待隧
道侧墙与中隔墙砼强度达到要求后，拆除第二道H型钢支撑；底板与侧墙交接处，混凝土需
浇筑至底板以上40cm-60cm，底板与型钢柱交接处，在钢柱上焊接两道止水环；侧墙位置采
用自密实混凝土进行浇筑，并在已建隧道顶板交接处凿3cm-7cm深凹槽，埋设止水带，并在
该处40cm-60cm间隔埋设注浆管，进行注浆。
本发明具有以下有益效果：
本发明暗挖隧道受力体系二次转换施工方法，具有受力明确、传力途径简单、施工
安全的特点。通过施工过程有限元模拟，可以为施工进尺与支撑方案提供优化依据，从而达
到节省工期、降低成本的目的。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。
下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实
施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的暗挖隧道受力体系二次转换施工方法的施工步骤框
图；
图2是本发明优选实施例的超前注浆的横向剖面结构示意图；
图3是本发明优选实施例的暗挖段主体结构的横断面第一步开挖、施加第一道支
撑结构示意图；
图4是本发明优选实施例的暗挖段主体结构的横断面第二步开挖、增加第二道支
撑结构示意图；
图5是本发明优选实施例的暗挖段主体结构的横断面第三步开挖、增加第三道支
撑结构示意图；
图6是本发明优选实施例的暗挖段主体结构完成后的横断面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和
覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的暗挖隧道受力体系二次转换施工方法的施工步骤框
图；图2是本发明优选实施例的超前注浆的横向剖面结构示意图；图3是本发明优选实施例
的暗挖段主体结构的横断面第一步开挖、施加第一道支撑结构示意图；图4是本发明优选实
施例的暗挖段主体结构的横断面第二步开挖、增加第二道支撑结构示意图；图5是本发明优
选实施例的暗挖段主体结构的横断面第三步开挖、增加第三道支撑结构示意图；图6是本发
明优选实施例的暗挖段主体结构完成后的横断面图。
如图1所示，本实施例的暗挖隧道受力体系二次转换施工方法，包括以下步骤：a、
利用超前注浆技术加固待开挖土体；b、通过施工过程有限元模拟确定开挖进尺与支撑的方
案；c、实施边开挖边支撑，然后施工地下工程主体结构。本发明暗挖隧道受力体系二次转换
施工方法，具有受力明确、传力途径简单、施工安全的特点。通过施工过程有限元模拟，可以
为施工进尺与支撑方案提供优化依据，从而达到节省工期、降低成本的目的。
如图2所示，本实施例中，步骤a的具体实施步骤为：进入暗挖段开挖面后，采用钢
花管进行土体超前注浆。注浆孔水平间距为0.8-1.5m，且呈梅花形布置。注浆长度根据土质
情况确定，将待开挖土体全部固结，以保证后续开挖的稳定。可选地，如图2所示，暗埋段隧
道纵向注浆，沿隧道开挖方向采用钢花管对开挖土体整体超前注浆，37米一次注浆完成，呈
1m*1m梅花形布置。
如图2所示，本实施例中，暗挖段每30m-45m采用一次注浆固结。将待开挖土体全部
固结，以保证后续开挖的稳定。
本实施例中，步骤a后增加步骤a1、降低待开挖土体地下水位。步骤a1的具体实施
步骤为：在地下工程上方既有建筑物的周边均匀布置降水井，降水井间距根据降水流量情
况确定。降水井采用直径550mm-650mm的钻机成孔，井底标高低于地下工程基底5m。开挖前
进行场地降水，进行场地降水，以保证地下水位位于开挖面以下至少1m。在已建隧道顶板两
侧布置降水井。降水井采用直径600mm钻机成孔，井底标高低于地下工程基底5m。土方开挖
后，封闭降水井点，灌注微膨胀混凝土，并加焊钢板封闭。隧道开挖前提前进行降水，确保地
下水在开挖面以下。同时做好实时监控，发现异常情况立即撤离隧道内工作人员，组织疏导
地下商铺人员，再进行加固处理。
本实施例中，步骤b的具体实施步骤为：从受力上分析暗挖段的土体开挖-型钢支
撑-主体结构的施工过程。地下工程主体结构以上的荷载一开始由待开挖土体承受，随着边
开挖土体，边进行H型钢柱支撑，逐渐转为由型钢支撑承受，随着主体结构砼的施工，再逐渐
转为由地下工程主体结构承受的受力体系二次转换过程。采用有限元软件ANSYS进行暗挖
施工全过程模拟，预测地表沉降及型钢支撑的受力变化规律，优化土体开挖进尺及型钢尺
寸，根据经济技术指标确定最优的开挖进尺与支撑方案。其中，有限元软件ANSYS为常用的
有限元分析软件。
本实施例中，隧道宽度为18m-25m，高为5.5m-7.5m，主体结构包括已建隧道顶板、
底板、中墙和侧墙。采用H型钢作为支撑，横断面上共五排，横向间距依次为4.95m、5.3m、
5.3m和4.95m，其中中间的H型钢位于中隔墙构成第一道支撑，两边的H型钢分别位于侧墙内
构成第三道支撑，H型钢后期与隧道主体浇筑为一整体，H型钢支撑纵向间距为1m。H型钢支
撑底部位于C40快凝快硬砼浇筑的底座中，顶部采用同型号横向H型钢与已建隧道顶板顶
紧。土体横断面上分三次开挖，第一次开挖中间部分，即底部宽度为5m，顶部宽度为8.1m的
梯形部分，每向前开挖2m，及时施加H型钢柱。第二次开挖底部及顶部宽度均为4.1m，每向前
开挖2m，及时施加H型钢柱。第三次开挖两侧剩余部分土体，每向前开挖2m，及时施加H型钢
柱。三次开挖过程中，每次纵向开挖进尺为2m，每完成一个进尺及时施作H型钢支撑。
暗挖段横断面分三步开挖，三步支撑。
本实施例中，每道H型钢柱间，顶部采用工字钢横梁进行连接；每根H型钢柱，顶部
采用横向H型钢连接，横向H型钢翼缘间采用两块钢板进行加强，并与已建隧道顶板顶紧。
本实施例中，三次开挖过程中，每纵向开挖进尺一次，及时从侧面对未开挖土体进
行加固；其中，第一次开挖过程中，采用挂网护坡；第二次开挖过程和第三次开挖过程中，横
向采用钢花管进行注浆，对两侧土体进行加固。
图3为暗挖段横断面第一步开挖示意图。每次开挖进程为2m→支模、绑扎钢筋→预
埋铁板(800mm*800mm*20mm)→混凝土基础浇注(采用快硬性混凝土C40)→基础达设计强
度，及时架设型钢支撑→继续开挖，依次递进。型钢支撑采用H型钢(400*400*21*13)，纵向
间距1m；顶部采用H型钢(400*400*21*13)作为纵向梁连接，顶部H型钢翼缘间采用两块
355mm*200mm*20mm钢板进行加强，间距500mm。横向距已建隧道顶板下50cm采用20b工字钢
焊接连接。基础采用C40混凝土，双层双向配筋20@200，钢筋需贯通整个开挖断面，混凝土基
础顶为隧道垫层底。为确保后续施工不受混凝土凝期影响，采用钢板路基箱铺设。第一次开
挖完成后，对边坡挂8@150钢筋网护坡。施工过程中根据监测数据、地质情况实时调整每次
的开挖进尺和放坡坡比。若地质较差，必须调整坡比时，第一步开挖断面顶部尺寸不得大于
8.1m。型钢支撑与基础、已建隧道顶板均需牢固连接。隧道开始开挖至主体结构浇筑完毕，
未达到设计强度期间地下商铺需要歇业。图中未尽之处参见相关设计图和总说明，并严格
按照国家和地方现行有关规范、规程执行。
图4为暗挖段横断面第二步开挖示意图。待第一次开挖完成后，跟进进行第二次土
方开挖。采用人工进行开挖，每次开挖进程为2m→混凝土基础浇注→待基础达设计强度，及
时架设型钢支撑→继续开挖，依次递进。型钢支撑采用H型钢(400*400*21*13)，纵向间距
1m；顶部采用H型钢(400*400*21*13)作为纵向梁连接，顶部H型钢翼缘间采用2块355mm*
200mm*20mm钢板进行加强，间距500mm。中部纵向连接采用两道22b槽钢焊接，横向距已建隧
道顶板下50cm采用20b工字钢焊接连接。基础采用C40快硬性混凝土，双层双向配筋20@200，
钢筋需贯通整个开挖断面，型钢基础顶为隧道垫层底。第二次开挖完成后，采用钢花管对侧
壁进行注浆，加固店铺基础土体。对开挖后边坡挂8@150钢筋网。为确保后续施工不受混凝
土凝期影响，采用钢板路基箱铺设。施工过程中根据监测数据、地质情况实时调整每次的开
挖进尺和放坡坡比。若地质较差，必须调整坡比时，第二步开挖断面顶部尺寸不得大于
5.2m。型钢支撑与基础、已建隧道顶板均需牢固连接。未尽之处参见相关设计图和总说明，
并严格按照国家和地方现行有关规范、规程执行。
暗埋段第二次开挖纵向进尺完成6m后，跟着在两侧引孔注浆。注浆采用直径42钢
花管竖直向下与水平向成30度角插入隧道侧墙以外进行注浆。注浆孔平面呈1m*1m梅花型
布置。
图5为暗挖段横断面第三步开挖示意图。待第二次开挖完成后，跟进进行第三次土
方开挖。每次开挖进程为2m→混凝土基础浇注，第一次挂网喷砼护面→待基础达设计强度，
及时架设槽钢支撑。槽钢支撑与钢花管焊接连接，并设置25横向钢筋与槽钢、钢花管焊接连
接→施工型钢斜撑→第二次挂网喷砼隧道外墙面→架设型钢支撑→继续开挖，依次递进→
待第三步开挖、支撑完成后进行主体结构垫层、底板防水层、底板施工→底板达到设计强度
后施工侧墙防水层、侧墙、中隔墙，并与已建隧道顶板连接。型钢支撑采用H型钢(400mm*
400mm*21mm*13mm)，纵向间距1m；顶部采用H型钢(400*400*21*13)作为纵向梁连接，顶部H
型钢翼缘间采用两块355mm*200mm*20mm钢板进行加强，间距500mm；中部纵向连接采用两道
22b槽钢焊接，横向距已建隧道顶板下500cm采用20b工字钢焊接连接；基础采用C40快硬性
混凝土，双层双向配筋20@200，钢筋需贯通整个开挖断面，型钢基础顶为隧道垫层底；挂网
喷砼采用C20混凝土，钢筋网采用![]()
槽钢支撑采用22号槽钢，型钢斜撑采用18号，
纵向间距均为0.5m。型钢斜撑一端与槽钢支撑焊接连接，一端与基础预埋钢板焊接。为确保
后续施工不受混凝土凝期影响，采用钢板路基箱铺设。施工过程中根据监测数据、地质情况
实时调整每次的开挖进尺和放坡坡比。型钢支撑与基础、已建隧道顶板、商铺底板均需牢固
连接。侧墙、中隔墙、底板范围内型钢支撑均浇筑在混凝土结构中，为确保防水效果，该范围
内型钢设置两道止水环。侧墙、内隔墙与已建隧道顶板衔接处预留20cm作为混凝土浇注窗
口，后续采用自防水微膨胀混凝土进行浇注。混凝土结构浇筑范围外的型钢支撑应在混凝
土结构达到100％设计强度后拆除。未尽之处参见相关设计图和总说明，并严格按照国家和
地方现行有关规范、规程执行。
本实施例中，步骤c的具体实施步骤为：暗挖法所有支撑完成后，开始进行地下工
程主体结构施工。主体混凝土采用泵送。先施工底板，再进行中隔墙和侧墙施工。
由于隧道主体底板钢筋需贯通布置，型钢柱底板钢筋位置需预留孔洞，孔洞位置
两侧采用1200mm*120mm*20mm钢板进行加固，钢柱与底板交接处焊接两道止水环。预留孔洞
大小(共三排)：
中隔墙(ZK0+692--ZK0+700)：第一排孔径为40mm，第二排孔径为40mm，第三排孔径
为35mm。
中隔墙(ZK0+700--ZK0+729)：第一排孔径为35mm，第二排孔径为40mm，第三排孔径
为35mm。
侧墙(ZK0+692--ZK0+700)：第一排孔径为40mm，第二排孔径为35mm，第三排孔径为
35mm。
侧墙(ZK0+700--ZK0+729)：第一排孔径为35mm，第二排孔径为35mm，第三排孔径为
35mm。
如图6所示，本实施例中，第一道H型钢支撑和第三道H型钢支撑留在中隔墙与隧道
侧墙内，待隧道侧墙与中隔墙砼强度达到要求后，拆除第二道H型钢支撑。底板与侧墙交接
处，混凝土需浇筑至底板以上50cm，底板与型钢柱交接处，在钢柱上焊接两道止水环。侧墙
位置采用自密实混凝土进行浇筑，并在已建隧道顶板交接处凿5cm深凹槽，埋设止水带，并
在该处50cm间隔埋设注浆管，进行注浆。
实施时，提供一种隧道施工的受力体系二次转换暗挖施工方法，实施过程如下：
第一步，利用超前注浆技术加固待开挖土体：
进入暗挖段开挖面后，采用钢花管进行土体超前注浆，注浆孔水平间距1m，呈梅花
形布置。由于暗挖段长度为37m，土质比较松散，采用一次注浆完成，将待开挖土体全部固
结，以保证后续开挖的稳定；
第一步以后可以增加步骤降低待开挖土体地下水位：在已建隧道顶板两侧布置降
水井。降水井采用直径600mm钻机成孔，井底标高低于地下工程基底5m。开挖前进行场地降
水，保证地下水位位于开挖面以下至少1m，土方开挖后，封闭降水井点，灌注微膨胀混凝土，
并加焊钢板封闭；
第二步，确定开挖进尺与支撑方案：
采用有限元软件ANSYS进行暗挖施工全过程模拟，预测地表沉降及型钢支撑的受
力变化规律，优化土体开挖进尺及型钢尺寸，根据经济技术指标确定最优的开挖进尺与支
撑方案。
隧道宽度为21.2m，高6.9m，主体结构包括已建隧道顶板、底板、中墙和侧墙，经过
计算与比较，确定采用H型钢(400*400*21*13)作为支撑，横断面上共5排，横向间距为
4.95m、5.3m、5.3m、4.95m，其中中间与两边的型钢分别位于中隔墙与侧墙内，后期与隧道主
体浇筑为一整体，型钢支撑纵向间距为1m。型钢底部位于C40快凝快硬砼浇筑的底座中，顶
部与已建隧道顶板顶紧；土体横断面上分三次开挖，第一次开挖中间部分，即底部宽度为
5m，顶部宽度为8.1米的梯形部分；第二次开挖底部及顶部宽度均为4.1m；第三次开挖剩余
部分土体。纵向开挖进尺为4m，每完成一个进尺及时施作型钢支撑。
第三步，实施开挖并施工地下工程主体结构：
暗挖段所有型钢支撑完成后，开始进行地下工程主体结构施工。隧道主体混凝土
采用汽车泵泵送。先施工隧道底板，再进行隧道中隔墙、侧墙施工。其中，第一、三道支撑留
在中隔墙与隧道侧墙内，待隧道侧墙与中隔墙砼强度达到要求后，拆除第二道支撑。底板与
侧墙交接处，混凝土需浇筑至底板以上50cm，底板与型钢柱交接处，在钢柱上焊接2道止水
环。侧墙位置采用自密实混凝土进行浇筑，并在已建隧道顶板交接处凿5cm深凹槽，埋设止
水带，并在该处50cm间隔埋设注浆管，进行注浆。
有益效果：受力体系二次转换暗挖施工方法具有受力明确、传力途径简单、施工安
全的特点。通过施工过程有限元模拟，可以为施工进尺与支撑方案提供优化依据，从而达到
节省工期、降低成本的目的。
应用效果：隧道暗挖施工采用了施工监测技术，监测的对象包括隧道本身及地下
广场各点的位移。从监测结果来看，各处位移符合规范要求，验证了本发明的有效性和安全
性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。