[科普中國]-導(dǎo)洞

導(dǎo)洞施工關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計采用雙側(cè)壁、CRD、CD 和弧形導(dǎo)洞等工法，其中洞口新黃土或淺埋、偏壓段采用CRD、雙側(cè)壁或CD 工法，一般深埋老黃土地段采用弧形導(dǎo)洞法。對于大斷面黃土隧道來說，采用側(cè)壁導(dǎo)洞法施工是安全穩(wěn)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范圍適用。在鄭西客運專線施工初期，隧道洞口淺埋新黃土地段采用CRD、雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工地段由于工序繁多，施工多有不到位之處，現(xiàn)場普遍出現(xiàn)地表開裂、洞內(nèi)外變形較大等現(xiàn)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Q1、Q2老黃土和Q3、Q4新黃土，按塑性指數(shù)有砂質(zhì)和粘質(zhì)黃土，且隧道埋深變化大，圍巖含水量變化也比較大（從最大27.4%到最小僅3.2%）。針對如此復(fù)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(shè)的需要。為此，結(jié)合我院承擔(dān)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(dǎo)洞法在大斷面黃土隧道不同工況下的適用性及施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

2 陜西境內(nèi)弧形導(dǎo)洞法試驗段概況鄭西客運專線陜西境內(nèi)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(dǎo)洞法試驗段分別位于秦東隧道3斜井工區(qū)、潼洛川隧道進口工區(qū)和高橋隧道進口工區(qū)。試驗段弧形導(dǎo)洞法均采用履帶式挖掘機+無軌運輸方式施工，均分三層臺階開挖。其中上臺階開挖留核心土，核心土長3～6 m，上臺階長5～12 m；中臺階無核心土，臺階長度3～27 m；下臺階先開挖兩側(cè)，兩邊初期支護完成后再開挖仰拱，長度≥10 m；中、下層臺階左右兩側(cè)均交錯開挖。

3 大斷面黃土隧道弧形導(dǎo)洞法施工根據(jù)鄭西客運專線陜西境內(nèi)大斷面黃土隧道弧形導(dǎo)洞法試驗段研究結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況，對大斷面黃土隧道弧形導(dǎo)洞法施工關(guān)鍵技術(shù)研究分析如下述。

（1）核心土

弧形導(dǎo)洞法又稱環(huán)形開挖留核心土法，開挖面預(yù)留核心土，對于黃土隧道掌子面的穩(wěn)定具有重要意義，對于核心土的設(shè)置建議如下：從試驗情況看，上臺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(wěn)定性上看，高橋隧道淺埋砂質(zhì)新黃土的成功經(jīng)驗表明，上臺階預(yù)留3～5 m 長核心土能滿足掌子面穩(wěn)定性的控制要求。因此，推薦中臺階不留核心土直接落底。下臺階留核心土主要用于搭接仰拱棧橋，其頂面距拱頂?shù)膬艨崭叨纫丝刂圃?0 m 以內(nèi)。

（2）短臺階

根據(jù)黃土豎向節(jié)理發(fā)育的結(jié)構(gòu)特點以及開挖面暴露后失水易失穩(wěn)的特性，為縮短仰拱封閉距離、加快支護環(huán)的封閉，黃土隧道采用弧形導(dǎo)洞法施工應(yīng)采取短臺階開挖，短臺階長度建議如下：從實際施工看，留核心土的上臺階最短一般為5 m，再短核心土不易留住。因此，從保證核心土的作用考慮，上臺階長度最短不宜小于5 m，對新黃土建議取5 m。從高橋隧道經(jīng)驗看，對新黃土中臺階長度可取3～5 m。對于穩(wěn)定性較好的老黃土，為方便施工，上臺階及中臺階長度可適當(dāng)放寬。從秦東3和潼洛川隧道經(jīng)驗看，淺埋時上述臺階長度可取5～7 m，深埋可取7～9 m。對于下臺階，其長度以滿足施工空間需要即可，但不應(yīng)大于15 m，據(jù)此三臺階弧形導(dǎo)洞的仰拱封閉距離可控制在新黃土20～25 m 以內(nèi)、老黃土30～35 m 以內(nèi)。

（3）臺階錯臺

對于三層臺階的弧形導(dǎo)洞，在中、下層臺階開挖時，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、下層臺階的錯開開挖應(yīng)采取交叉錯臺方式，避免在同一側(cè)對中、下臺階進行同時開挖，這樣有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 （尤其是在中臺階較短的情況下）。從盡快使初期支護提供整體承載能力考慮，上述臺階兩側(cè)錯臺長度不宜長，即左（右）側(cè)初期支護在本循環(huán)完成后右（左）側(cè)支護應(yīng)緊接下一循環(huán)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，上臺階先行施做的大拱腳在中臺階開挖時將發(fā)揮支撐拱部結(jié)構(gòu)的重要作用，可明顯地減小中臺階開挖引起的拱部下沉，具有超前支護的特點。對弧形導(dǎo)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(jié)構(gòu)受力條件不好（產(chǎn)生明顯的剪應(yīng)力），推薦采用結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，同時可將荷載傳遞到圍巖更深處，有利于開挖面附近圍巖的穩(wěn)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(dǎo)洞凈空位移趨于穩(wěn)定的距離，因此及時封閉仰拱對于控制大斷面弧形導(dǎo)洞凈空位移具有關(guān)鍵性意義。施工組織安排應(yīng)圍繞這一關(guān)鍵，盡可能地縮短仰拱封閉距離。對于弧形導(dǎo)洞仰拱封閉的最大距離，根據(jù)試驗建議：新黃土仰拱封閉距離應(yīng)不大于20～25 m，其中砂質(zhì)黃土取小值；老黃土不大于30～35 m，其中淺埋地段取小值。

（6）短進尺

針對上述采用三臺階七步開挖的弧形導(dǎo)洞法，在短臺階、大拱腳和快封閉的同時，應(yīng)重視短進尺這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(yīng)。根據(jù)現(xiàn)場試驗，對三臺階一次開挖進尺建議如下：

新黃土上臺階一次進尺不應(yīng)大于0.6 m，砂質(zhì)黃土取0.5 m。老黃土上臺階一次進尺從位移控制角度不宜大于0.8～1.0 m，其中淺埋地段取小值。中、下層臺階一次進尺不宜大于上臺階一次進尺的2 倍，其中新黃土一次進尺長度應(yīng)與上臺階相同。

（7）掌子面早封閉

砂質(zhì)黃土開挖后，由于失水容易坍塌，尤其是掌子面易失穩(wěn)，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，開挖后頭一兩個小時是關(guān)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(zhì)黃土，尤其是淺埋砂質(zhì)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(zhì)新黃土應(yīng)強調(diào)開挖后立即進行初噴，然后再架設(shè)鋼架。

4 結(jié)語針對鄭西客運專線160 m大斷面黃土隧道，陜西境內(nèi)三座隧道弧形導(dǎo)洞試驗段均采用三臺階七步開挖法， 其特點是將超大斷面分成三層臺階七個工作面前后錯開順序開挖， 既通過適當(dāng)增加分塊有效地維護了開挖面的穩(wěn)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(huán)節(jié)流水化作業(yè)。調(diào)查顯示， 秦東 3# 深埋隧道 Q1 砂質(zhì)黃土地段采用三臺階七步開挖的弧形導(dǎo)洞法月進尺達到 70 m 以上，潼洛川隧道淺埋（H=30 m）Q1 粘質(zhì)黃土采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(zhì)黃土采用上述弧形導(dǎo)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，采用弧形導(dǎo)洞法的技術(shù)經(jīng)濟效益相對于雙側(cè)壁、CRD 等工法而言是顯而易見的。試驗結(jié)果表明， 鄭西客運專線大斷面黃土隧道弧形導(dǎo)洞法不僅適用于不同埋深條件下砂質(zhì)及粘質(zhì)老黃土隧道， 而且可用于淺埋非飽和砂質(zhì)新黃土隧道。 大斷面黃土隧道采用弧形導(dǎo)洞法施工時其開挖方式推薦采用三臺階七步開挖法， 施工應(yīng)按照短開挖、快支護、早封閉等技術(shù)原則精心組織實施，以確保大斷面黃土隧道的施工安全。1

導(dǎo)洞尺寸優(yōu)化分析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(dǎo)洞內(nèi)施作邊樁、梁與柱，然后共同構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)[1-3]。PBA 工法首先要開挖導(dǎo)洞，導(dǎo)洞的作用是為豎向支撐體系的施工提供施工作業(yè)面，其結(jié)構(gòu)形式、尺寸與邊樁、中柱施工密切相關(guān)。 PBA 工法導(dǎo)洞形狀一般為拱頂直墻形式。 從設(shè)計情況來看，導(dǎo)洞的尺寸大小不一，如北京地鐵 10 號線蘇州街站側(cè)導(dǎo)洞尺寸為3.5 m×4.25 m，中導(dǎo)洞尺寸為 3.5 m×4.50 m，光華路站的導(dǎo)洞尺寸為 5.0 m×5.8 m；6 號線東四站側(cè)導(dǎo)洞尺寸為 4.1 m×5.7 m，中導(dǎo)洞尺寸為 4.1 m×5.9 m，東大橋站側(cè)導(dǎo)洞尺寸為 4.1 m×4.85 m，中導(dǎo)洞尺寸為 4.1 m×5.1 m。如果導(dǎo)洞過小會造成施工不便，甚至難以施工，設(shè)計時除應(yīng)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(dǎo)洞凈空的要求外，同時還應(yīng)考慮頂（底）縱梁的鋼筋綁扎及混凝土澆筑；導(dǎo)洞過大，不僅會引起初支的變形過大，從而侵入二襯范圍，造成二襯厚度減少，給二襯的永久受力構(gòu)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(dǎo)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(yīng)用 FLAC3D軟件對導(dǎo)洞尺寸大小產(chǎn)生的地表沉降進行了分析研究，并進一步提出了導(dǎo)洞尺寸選擇的原則，以期該研究結(jié)果能夠指導(dǎo) PBA 工法導(dǎo)洞的優(yōu)化設(shè)計與施工。

1 工程概況花園橋站沿玲瓏路、車公莊大街的下方東西布置，下穿西三環(huán)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(jié)構(gòu)高度為 19.64 m，地板埋深約為 25.17 m，覆跨比為0.32。 上導(dǎo)洞主要穿越的地層條件是圓礫 -卵石層，下導(dǎo)洞穿越的主要地層條件是圓礫 -卵石層?；▓@橋站為 6 導(dǎo)洞形式，首先按照監(jiān)控量測數(shù)據(jù)擬合地層的沉降，以確定地層參數(shù)；然后將導(dǎo)洞尺寸從 3.5～5.5 m 進行調(diào)整，以研究不同尺寸下地表沉降，并進一步提出優(yōu)化建議和導(dǎo)洞尺寸選擇的原則。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析為了更好地符合工程實際，便于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(dǎo)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(dǎo)洞與拱部土體采用 1 m 循環(huán)開挖。 導(dǎo)洞模擬的開挖順序與實際開挖順序相同，即：先開挖上導(dǎo)洞，再開挖下導(dǎo)洞；先開挖邊導(dǎo)洞，再開挖中導(dǎo)洞。地層參數(shù)從勘察報告中選取。計算結(jié)果中累計沉降均值為21.42 mm，其中導(dǎo)洞開挖支護所引起的地表沉降約為11.44 mm，所占最終沉降的比例為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，所占最終沉降的比例為11.58 %；拱部土體開挖、拱部結(jié)構(gòu)施工所引起的地表沉降約為7.27 mm，所占最終沉降的比例為33.94 %；土方開挖及主體施工引起的地表沉降約為0.23 mm，所占最終沉降的比例為1.07 %。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，花園橋站PBA 工法中，現(xiàn)場實測的累計沉降均值為18.15 mm，其中導(dǎo)洞開挖支護所引起的地表沉降約為9.78 mm，所占最終沉降的比例為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，所占最終沉降的比例為6.64 %；拱部土體開挖、拱部結(jié)構(gòu)施工所引起的地表沉降約為 6.65 mm，所占最終沉降的比例為36.66 %；土方開挖及主體施工引起的地表沉降約為0.50 mm，所占最終沉降的比例為2.78 %。地表沉降的計算值與監(jiān)測值略有差異，數(shù)值計算結(jié)果偏大（二者相差15 %左右），地表沉降走勢基本一致。

3 導(dǎo)洞尺寸對地表沉降影響的三維數(shù)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。模擬計算中采用了以下幾條基本假定：

1）土體采用摩爾-庫倫模型；

2）假定地表和土層均勻，并且對不同土層的厚度做了適當(dāng)簡化；

3）襯砌和梁、板、柱采用彈性模型，僅考慮彈性變形，荷載主要考慮土體和結(jié)構(gòu)自重、地面超載。為了方便進行數(shù)值模擬，筆者做了部分簡化：

1）參考超前小導(dǎo)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(jīng)過漿液加固的部分土體的材料性質(zhì)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(xiàn)。

2）用格柵力學(xué)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復(fù)雜，模擬計算中采用了等效剛度法，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 = E0+ S0

式中：E 為等效的混凝土彈性模量，MPa；E0為混凝土材料的彈性模量，MPa；Sg為鋼架截面面積，m；Eg為鋼材的彈性模量，MPa；S0為混凝土截面上的面積。

3）確定模型邊界范圍與邊界條件。上表面取為地表，下表面取至結(jié)構(gòu)底板下40 m?？紤]到施工過程中的空間效應(yīng)，參考以往的模擬經(jīng)驗，影響范圍在長度上取為30 m，寬度上取邊樁外側(cè)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(yīng)力場僅由自重產(chǎn)生，不考慮土體構(gòu)造應(yīng)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、二襯都采用實體單元模擬，初支采用shell 結(jié)構(gòu)單元模擬，鋼拉桿采用beam 結(jié)構(gòu)單元模擬，圍巖的力學(xué)模型采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型模擬。

3.1 不同導(dǎo)洞尺寸條件下的地層變形分析

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

1）隨著導(dǎo)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(dǎo)洞尺寸的變大，導(dǎo)洞施工階段所占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(xiàn)象說明隨著導(dǎo)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(dǎo)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(shù)據(jù)的結(jié)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(dǎo)洞尺寸越大，對地表的影響范圍越大，對地表沉降控制越不利。

3）導(dǎo)洞尺寸增加時，扣拱階段的地表沉降變?。粚?dǎo)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(dǎo)洞尺寸大于5 m 時會引起更大的地表沉降。

4）導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)洞尺寸設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：考慮導(dǎo)洞的結(jié)構(gòu)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(huán)境的保護；導(dǎo)洞開挖的工期及經(jīng)濟性。在滿足上述要求的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量縮小導(dǎo)洞尺寸，對于北京地區(qū)建議最大導(dǎo)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(xiàn)出相同的規(guī)律，因此在導(dǎo)洞尺寸的選擇上應(yīng)遵循相同的原則。

3.2 不同導(dǎo)洞尺寸條件下的初支受力分析

不同導(dǎo)洞尺寸條件下，在斷面15 m 處對導(dǎo)洞開挖階段完成后導(dǎo)洞初支與拱部初支受力情況進行了數(shù)值模擬，

1）隨著導(dǎo)洞尺寸的增大，洞頂處初支的最大彎曲應(yīng)力由最初3.5 m 時的6.83×10N·m 轉(zhuǎn)變?yōu)? m 時的8.30×10N·m，增加幅度約為21.5 %。由此可見，隨著導(dǎo)洞尺寸的變大，導(dǎo)洞初支所承受的彎曲應(yīng)力越大。這是由于隨著導(dǎo)洞開挖尺寸的增大，地層卸荷也隨著變大，導(dǎo)致導(dǎo)洞初期支護承受的彎曲應(yīng)力My也相應(yīng)變大，所以受力越不利。

2）隨著導(dǎo)洞尺寸的增大，拱部初支所受的最大彎曲應(yīng)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。這是由于在開挖拱部土體后，轉(zhuǎn)化為拱部初支承擔(dān)上部覆土重量與地面超載；隨著導(dǎo)洞尺寸的加大，拱部初支所承受的彎曲應(yīng)力也相應(yīng)變大。

4結(jié)論以北京地鐵6 號線花園橋站為例，分析研究了PBA 工法導(dǎo)洞尺寸大小對地表沉降及初支的力學(xué)行為的影響，得出以下結(jié)論：

1）導(dǎo)洞尺寸越大，所引起的地面沉降也越大，且影響范圍也越大，所以導(dǎo)洞應(yīng)盡量減小尺寸；

2）導(dǎo)洞尺寸越大，導(dǎo)洞初支與拱部初支所承受的彎曲應(yīng)力越大，施工越不安全；

3）導(dǎo)洞尺寸的選擇應(yīng)遵循結(jié)構(gòu)安全性、施作空間、環(huán)境保護等原則，對于北京地區(qū)建議最大導(dǎo)洞的跨度不宜超過5 m，以4 m 。2