導洞

1研究的必要性

鄭西客運專線黃土隧道開挖斷面達160 m，開挖寬度和高度分別達到15 m 和13 m。針對如此大斷面黃土隧道，設計採用雙側壁、CRD、CD 和弧形導洞等工法，其中洞口新黃土或淺埋、偏壓段採用CRD、雙側壁或CD 工法，一般深埋老黃土地段採用弧形導洞法。對於大斷面黃土隧道來說，採用側壁導洞法施工是安全穩妥的，但這種工法工序多，施工進度慢，且廢棄工程多，投資大，難以在長大隧道中大範圍適用。在鄭西客運專線施工初期，隧道洞口淺埋新黃土地段採用CRD、雙側壁導洞法施工地段由於工序繁多，施工多有不到位之處，現場普遍出現地表開裂、洞內外變形較大等現象，施工安全形勢很嚴峻，施工進度緩慢。鄭西客運專線黃土隧道總長約52 km，涉及多種類型黃土，按時代成因有Q、Q老黃土和Q、Q新黃土，按塑性指數有砂質和粘質黃土，且隧道埋深變化大，圍岩含水量變化也比較大（從最大27.4%到最小僅3.2%）。針對如此複雜的大斷面黃土隧道群，有必要研究安全、快速的施工方法，以滿足工程建設的需要。為此，結合我院承擔的鄭西客運專線大斷面黃土隧道施工方法科研項目，對弧形導洞法在大斷面黃土隧道不同工況下的適用性及施工關鍵技術進行了研究。

2 陝西境內弧形導洞法試驗段概況

鄭西客運專線陝西境內隧道共有四座，分別為秦東、潼洛川、高橋和鳳凰嶺隧道，均為黃土隧道。其中，弧形導洞法試驗段分別位於秦東隧道3斜井工區、潼洛川隧道進口工區和高橋隧道進口工區。試驗段弧形導洞法均採用履帶式挖掘機+無軌運輸方式施工，均分三層台階開挖。其中上台階開挖留核心土，核心土長3～6 m，上台階長5～12 m；中台階無核心土，台階長度3～27 m；下台階先開挖兩側，兩邊初期支護完成後再開挖仰拱，長度≥10 m；中、下層台階左右兩側均交錯開挖。

3 大斷面黃土隧道弧形導洞法施工

根據鄭西客運專線陝西境內大斷面黃土隧道弧形導洞法試驗段研究結果，結合現場施工實際情況，對大斷面黃土隧道弧形導洞法施工關鍵技術研究分析如下述。

（1）核心土

弧形導洞法又稱環形開挖留核心土法，開挖面預留核心土，對於黃土隧道掌子面的穩定具有重要意義，對於核心土的設置建議如下：從試驗情況看，上台階核心土長度及頂面寬度d 可取3～5 m，其中淺埋及新黃土取大值；距拱頂高度h 可取1.4～1.7 m，淺埋及新黃土取小值。從開挖效率上看，直接落底能提供較大的開挖空間，開挖效率更高；從掌子面穩定性上看，高橋隧道淺埋砂質新黃土的成功經驗表明，上台階預留3～5 m 長核心土能滿足掌子面穩定性的控制要求。因此，推薦中台階不留核心土直接落底。下台階留核心土主要用於搭接仰拱棧橋，其頂面距拱頂的凈空高度宜控制在10 m 以內。

（2）短台階

根據黃土豎向節理髮育的結構特點以及開挖面暴露后失水易失穩的特性，為縮短仰拱封閉距離、加快支護環的封閉，黃土隧道採用弧形導洞法施工應採取短台階開挖，短台階長度建議如下：從實際施工看，留核心土的上台階最短一般為5 m，再短核心土不易留住。因此，從保證核心土的作用考慮，上台階長度最短不宜小於5 m，對新黃土建議取5 m。從高橋隧道經驗看，對新黃土中台階長度可取3～5 m。對於穩定性較好的老黃土，為方便施工，上台階及中台階長度可適當放寬。從秦東3和潼洛川隧道經驗看，淺埋時上述台階長度可取5～7 m，深埋可取7～9 m。對於下台階，其長度以滿足施工空間需要即可，但不應大於15 m，據此三台階弧形導洞的仰拱封閉距離可控制在新黃土20～25 m 以內、老黃土30～35 m 以內。

（3）台階錯台

對於三層台階的弧形導洞，在中、下層台階開挖時，每層均左右錯開進行，以避免上層初期支護兩腳同時懸空，同時建議：中、下層台階的錯開開挖應採取交叉錯台方式，避免在同一側對中、下台階進行同時開挖，這樣有利於結構的穩定性（尤其是在中台階較短的情況下）。從儘快使初期支護提供整體承載能力考慮，上述台階兩側錯台長度不宜長，即左（右）側初期支護在本循環完成後右（左）側支護應緊接下一循環完成落底，從試驗情況看對位移控制是有利的。

（4）大拱腳

試驗顯示，上台階先行施做的大拱腳在中台階開挖時將發揮支撐拱部結構的重要作用，可明顯地減小中台階開挖引起的拱部下沉，具有超前支護的特點。對弧形導洞法大拱腳的施做建議如下：大拱腳為銳角時掏挖易坍塌且結構受力條件不好（產生明顯的剪應力），推薦採用結構受力條件較好且掏挖較容易的直角形式。顯然，這是一種承壓結構，同時可將荷載傳遞到圍岩更深處，有利於開挖面附近圍岩的穩定。大拱腳寬度取淺埋新黃土D=100～120 cm、老黃土D=80 cm，均不必配筋。

（5）仰拱封閉距離

試驗表明，仰拱封閉距離決定了弧形導洞凈空位移趨於穩定的距離，因此及時封閉仰拱對於控制大斷面弧形導洞凈空位移具有關鍵性意義。施工組織安排應圍繞這一關鍵，儘可能地縮短仰拱封閉距離。對於弧形導洞仰拱封閉的最大距離，根據試驗建議：新黃土仰拱封閉距離應不大於20～25 m，其中砂質黃土取小值；老黃土不大於30～35 m，其中淺埋地段取小值。

（6）短進尺

針對上述採用三台階七步開挖的弧形導洞法，在短台階、大拱腳和快封閉的同時，應重視短進尺這一關鍵環節。短進尺，一是通過減少一次開挖量和出碴量縮短開挖與支護的銜接時間，從而達到早支護的目的；二是通過減小一次暴露土體的長度提高空間效應。根據現場試驗，對三台階一次開挖進尺建議如下：

新黃土上台階一次進尺不應大於0.6 m，砂質黃土取0.5 m。老黃土上台階一次進尺從位移控制角度不宜大於0.8～1.0 m，其中淺埋地段取小值。中、下層台階一次進尺不宜大於上台階一次進尺的2 倍，其中新黃土一次進尺長度應與上台階相同。

（7）掌子面早封閉

砂質黃土開挖后，由於失水容易坍塌，尤其是掌子面易失穩，因此開挖后迅速支護（尤其是封閉掌子面）對施工安全具有重要意義。從測試及施工情況看，開挖後頭一兩個小時是關鍵，對此建議如下：噴混凝土工序移至出碴前進行，噴后再出碴（一般在開挖后至少5、6 個小時后才能噴上混凝土，這對砂質黃土，尤其是淺埋砂質黃土初期位移的控制不利）。掌子面噴混凝土封閉，尤其是對淺埋砂質新黃土應強調開挖后立即進行初噴，然後再架設鋼架。

4 結語

針對鄭西客運專線160 m大斷面黃土隧道，陝西境內三座隧道弧形導洞試驗段均採用三台階七步開挖法，其特點是將超大斷面分成三層台階七個工作面前後錯開順序開挖，既通過適當增加分塊有效地維護了開挖面的穩定，又較好地解決了分步開挖工序多、交叉多的難題，使施工各環節流水化作業。調查顯示，秦東 3# 深埋隧道 Q1 砂質黃土地段採用三台階七步開挖的弧形導洞法月進尺達到 70 m 以上，潼洛川隧道淺埋（H=30 m）Q1 粘質黃土採用上述開挖方式月進尺可達 50 m 以上。高橋隧道淺埋（H=32～33 m）Q3 砂質黃土採用上述弧形導洞法月進尺可達 40 m 以上。在可以允許較大地表下沉的場合，採用弧形導洞法的技術經濟效益相對於雙側壁、CRD 等工法而言是顯而易見的。試驗結果表明，鄭西客運專線大斷面黃土隧道弧形導洞法不僅適用於不同埋深條件下砂質及粘質老黃土隧道，而且可用於淺埋非飽和砂質新黃土隧道。大斷面黃土隧道採用弧形導洞法施工時其開挖方式推薦採用三台階七步開挖法，施工應按照短開挖、快支護、早封閉等技術原則精心組織實施，以確保大斷面黃土隧道的施工安全。

概述

隨著地鐵工程在我國的大量修建，PBA 工法（Pile-Beam-Arch Method）已在地鐵施工中被廣泛地使用。PBA 工法是在暗挖好的導洞內施作邊樁、梁與柱，然後共同構成樁、梁、拱的橫向框架支撐體系，在該體系的保護下進行土體開挖，再施作內部結構[1-3]。PBA 工法首先要開挖導洞，導洞的作用是為豎向支撐體系的施工提供施工作業面，其結構形式、尺寸與邊樁、中柱施工密切相關。 PBA 工法導洞形狀一般為拱頂直牆形式。從設計情況來看，導洞的尺寸大小不一，如北京地鐵 10 號線蘇州街站側導洞尺寸為3.5 m×4.25 m，中導洞尺寸為 3.5 m×4.50 m，光華路站的導洞尺寸為 5.0 m×5.8 m；6 號線東四站側導洞尺寸為 4.1 m×5.7 m，中導洞尺寸為 4.1 m×5.9 m，東大橋站側導洞尺寸為 4.1 m×4.85 m，中導洞尺寸為 4.1 m×5.1 m。如果導洞過小會造成施工不便，甚至難以施工，設計時除應充分考慮邊樁、中柱的開挖、運輸、吊裝等施工方法及施工機械對導洞凈空的要求外，同時還應考慮頂（底）縱梁的鋼筋綁紮及混凝土澆築；導洞過大，不僅會引起初支的變形過大，從而侵入二襯範圍，造成二襯厚度減少，給二襯的永久受力構成安全隱患，嚴重的還會造成初支破壞，釀成施工事故，同時還會增加初支的拆除量。因此，如何確定導洞尺寸顯得極為重要。筆者以北京地鐵 6 號線花園橋站為例，應用 FLAC3D軟體對導洞尺寸大小產生的地表沉降進行了分析研究，並進一步提出了導洞尺寸選擇的原則，以期該研究結果能夠指導 PBA 工法導洞的優化設計與施工。

1 工程概況

花園橋站沿玲瓏路、車公庄大街的下方東西布置，下穿西三環花園橋，是雙層兩跨雙連拱斷面全暗挖島式車站，PBA 法施工。車站中心右線里程 K3+217.609，總長度為 233.1 m，覆土厚度為 7.20 m，車站寬為 19.70 m，結構高度為 19.64 m，地板埋深約為 25.17 m，覆跨比為0.32。上導洞主要穿越的地層條件是圓礫 -卵石層，下導洞穿越的主要地層條件是圓礫 -卵石層。花園橋站為 6 導洞形式，首先按照監控量測數據擬合地層的沉降，以確定地層參數；然後將導洞尺寸從 3.5～5.5 m 進行調整，以研究不同尺寸下地表沉降，並進一步提出優化建議和導洞尺寸選擇的原則。

2 監測數據分析

為了更好地符合工程實際，便於進行施工對比與分析，將 PBA 工法分為 4 個典型施工階段進行模擬：

1）導洞開挖完成階段；2）梁、柱體系施工階段；3）扣拱完成階段；4）土方開挖及主體施工階段。同時，導洞與拱部土體採用 1 m 循環開挖。導洞模擬的開挖順序與實際開挖順序相同，即：先開挖上導洞，再開挖下導洞；先開挖邊導洞，再開挖中導洞。地層參數從勘察報告中選取。計算結果中累計沉降均值為21.42 mm，其中導洞開挖支護所引起的地表沉降約為11.44 mm，所佔最終沉降的比例為53.40 %；施作邊樁、中柱以及頂縱梁所引起的地表沉降約為2.48 mm，所佔最終沉降的比例為11.58 %；拱部土體開挖、拱部結構施工所引起的地表沉降約為7.27 mm，所佔最終沉降的比例為33.94 %；土方開挖及主體施工引起的地表沉降約為0.23 mm，所佔最終沉降的比例為1.07 %。

從監測數據可以看出，花園橋站PBA 工法中，現場實測的累計沉降均值為18.15 mm，其中導洞開挖支護所引起的地表沉降約為9.78 mm，所佔最終沉降的比例為53.92 %；施作邊樁、中柱以及頂縱梁所引起的地表沉降約為1.20 mm，所佔最終沉降的比例為6.64 %；拱部土體開挖、拱部結構施工所引起的地表沉降約為 6.65 mm，所佔最終沉降的比例為36.66 %；土方開挖及主體施工引起的地表沉降約為0.50 mm，所佔最終沉降的比例為2.78 %。地表沉降的計算值與監測值略有差異，數值計算結果偏大（二者相差15 %左右），地表沉降走勢基本一致。

3 導洞尺寸對地表沉降影響的三維數值模擬

整個洞樁法施工過程中，隨著開挖步序的進行，分析了不同施工階段對地層變形和地表的影響。模擬計算中採用了以下幾條基本假定：

1）土體採用摩爾-庫倫模型；

2）假定地表和土層均勻，並且對不同土層的厚度做了適當簡化；

3）襯砌和梁、板、柱採用彈性模型，僅考慮彈性變形，荷載主要考慮土體和結構自重、地面超載。為了方便進行數值模擬，筆者做了部分簡化：

1）參考超前小導管注漿特點，在模擬計算中考慮了其等效影響，即對洞室外圍經過漿液加固的部分土體的材料性質進行修改，等效為拱部上方厚度為1 m 的加固層，模擬計算中通過在指定施工階段添加改變材料屬性的邊界來實現。

2）用格柵力學進行模擬。初支是由鋼格柵和覆蓋其上的噴射混凝土組成的，實際情況的計算比較複雜，模擬計算中採用了等效剛度法，即將鋼格柵和噴混的總剛度等效為混凝土的強度，計算公式為：

E = E+ S

式中：E 為等效的混凝土彈性模量，MPa；E為混凝土材料的彈性模量，MPa；S為鋼架截面面積，m；E為鋼材的彈性模量，MPa；S為混凝土截面上的面積。

3）確定模型邊界範圍與邊界條件。上表面取為地表，下表面取至結構底板下40 m。考慮到施工過程中的空間效應，參考以往的模擬經驗，影響範圍在長度上取為30 m，寬度上取邊樁外側面之外60 m，大約為144.5 m。模型邊界條件為：上表面自由，下表面完全約束，四周限制各邊界的水平位移。

4）模型中主要考慮地層壓力和車站上方地表活載。初始應力場僅由自重產生，不考慮土體構造應力的影響，同時在模型的上表面施加了20 kPa 的豎直向下的地面超載。

5）邊樁、中柱、底縱梁、頂縱梁、冠梁、二襯都採用實體單元模擬，初支採用shell 結構單元模擬，鋼拉杆採用beam 結構單元模擬，圍岩的力學模型採用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型模擬。

3.1 不同導洞尺寸條件下的地層變形分析

在不同導洞尺寸條件下，對花園橋站進行數值模擬對比（在導洞達到5.5 m 以上時，塑性區連通不宜考慮，故未列出計算結果）。

1）隨著導洞尺寸的加大，地表沉降的累計值也逐漸加大，由最初的16.88 mm 增加到37.87 mm；同時，隨著導洞尺寸的變大，導洞施工階段所佔的總沉降比例也會越來越大，由最初的38.57 %增加到77.40 %。該現象說明隨著導洞尺寸的增大，土體卸荷增大，對土體的擾動就會越大，也進一步說明了直接開挖土體的敏感性，導洞尺寸的加大，對地表沉降控制不利。

2）通過Origin 擬合地表沉降數據的結果得出，方案1的沉降槽反彎點距離為11.42 m；方案2 為11.75 m；方案3 為12.27 m；方案4 為12.43 m。可知，導洞尺寸越大，對地表的影響範圍越大，對地表沉降控制越不利。

3）導洞尺寸增加時，扣拱階段的地表沉降變小；導洞尺寸由4.5 m 增加到5 m 時，地表總沉降值增加了近10 mm，增加幅度達到35 %。可見，導洞尺寸大於5 m 時會引起更大的地表沉降。

4）導洞尺寸的加大，對地層的擾動就會越大，隨之地表沉降也會越來越大，對地表沉降控制就越不利；導洞尺寸較小時，雖然對地表沉降的影響較小，但施工不便，所以也不盡合理。因此導洞尺寸設計應遵循以下原則：考慮導洞的結構安全性；滿足邊樁、中柱及頂（底）縱梁施工操作的空間要求；對周邊環境的保護；導洞開挖的工期及經濟性。在滿足上述要求的基礎上應盡量縮小導洞尺寸，對於北京地區建議最大導洞的跨度不宜超過5 m，以4m為。筆者以卵石地層為例進行了研究，但在砂層、黏性土層、粉土層中也都表現出相同的規律，因此在導洞尺寸的選擇上應遵循相同的原則。

3.2 不同導洞尺寸條件下的初支受力分析

不同導洞尺寸條件下，在斷面15 m 處對導洞開挖階段完成後導洞初支與拱部初支受力情況進行了數值模擬，

1）隨著導洞尺寸的增大，洞頂處初支的最大彎曲應力由最初3.5 m 時的6.83×10N·m 轉變為5 m 時的8.30×10N·m，增加幅度約為21.5 %。由此可見，隨著導洞尺寸的變大，導洞初支所承受的彎曲應力越大。這是由於隨著導洞開挖尺寸的增大，地層卸荷也隨著變大，導致導洞初期支護承受的彎曲應力M也相應變大，所以受力越不利。

2）隨著導洞尺寸的增大，拱部初支所受的最大彎曲應力也由最初3.5 m 時的1.92×10N·m 增加到5 m 時的2.0×10N·m，增加幅度約為4 %。由此可見，PBA工法中頂拱初支承受了較大的彎矩。這是由於在開挖拱部土體后，轉化為拱部初支承擔上部覆土重量與地面超載；隨著導洞尺寸的加大，拱部初支所承受的彎曲應力也相應變大。

4結論

以北京地鐵6 號線花園橋站為例，分析研究了PBA 工法導洞尺寸大小對地表沉降及初支的力學行為的影響，得出以下結論：

1）導洞尺寸越大，所引起的地面沉降也越大，且影響範圍也越大，所以導洞應盡量減小尺寸；

2）導洞尺寸越大，導洞初支與拱部初支所承受的彎曲應力越大，施工越不安全；

3）導洞尺寸的選擇應遵循結構安全性、施作空間、環境保護等原則，對於北京地區建議最大導洞的跨度不宜超過5 m，以4 m。