在连拱隧道施工时，往往采用三导洞法施工，即首先开挖中导洞，然后施做中隔墙，再分别开挖左右导洞。开挖中导洞主要是为了首先施做中隔墙。地铁的修建必然涉及到岩土体的开挖， 施工过程中产生的过大地表沉降和变形会对地面建筑物以及地下管线的安全造成巨大威胁。 地铁暗挖车站几乎都是大断面的开挖，施工难度大，稍有失误将会造成不可估量的损失。

1研究的必要性

郑西客运专线黄土隧道开挖断面达160 m，开挖宽度和高度分别达到15 m 和13 m。针对如此大断面黄土隧道，设计采用双侧壁、CRD、CD 和弧形导洞等工法，其中洞口新黄土或浅埋、偏压段采用CRD、双侧壁或CD 工法，一般深埋老黄土地段采用弧形导洞法。对于大断面黄土隧道来说，采用侧壁导洞法施工是安全稳妥的，但这种工法工序多，施工进度慢，且废弃工程多，投资大，难以在长大隧道中大范围适用。在郑西客运专线施工初期，隧道洞口浅埋新黄土地段采用CRD、双侧壁导洞法施工地段由于工序繁多，施工多有不到位之处，现场普遍出现地表开裂、洞内外变形较大等现象，施工安全形势很严峻，施工进度缓慢。郑西客运专线黄土隧道总长约52 km，涉及多种类型黄土，按时代成因有Q1、Q2老黄土和Q3、Q4新黄土，按塑性指数有砂质和粘质黄土，且隧道埋深变化大，围岩含水量变化也比较大（从最大27.4%到最小仅3.2%）。针对如此复杂的大断面黄土隧道群，有必要研究安全、快速的施工方法，以满足工程建设的需要。为此，结合我院承担的郑西客运专线大断面黄土隧道施工方法科研项目，对弧形导洞法在大断面黄土隧道不同工况下的适用性及施工关键技术进行了研究。

2 陕西境内弧形导洞法试验段概况

郑西客运专线陕西境内隧道共有四座，分别为秦东、潼洛川、高桥和凤凰岭隧道，均为黄土隧道。其中，弧形导洞法试验段分别位于秦东隧道3斜井工区、潼洛川隧道进口工区和高桥隧道进口工区。试验段弧形导洞法均采用履带式挖掘机+无轨运输方式施工，均分三层台阶开挖。其中上台阶开挖留核心土，核心土长3～6 m，上台阶长5～12 m；中台阶无核心土，台阶长度3～27 m；下台阶先开挖两侧，两边初期支护完成后再开挖仰拱，长度≥10 m；中、下层台阶左右两侧均交错开挖。

3 大断面黄土隧道弧形导洞法施工

根据郑西客运专线陕西境内大断面黄土隧道弧形导洞法试验段研究结果，结合现场施工实际情况，对大断面黄土隧道弧形导洞法施工关键技术研究分析如下述。

（1）核心土

弧形导洞法又称环形开挖留核心土法，开挖面预留核心土，对于黄土隧道掌子面的稳定具有重要意义，对于核心土的设置建议如下：从试验情况看，上台阶核心土长度及顶面宽度d 可取3～5 m，其中浅埋及新黄土取大值；距拱顶高度h 可取1.4～1.7 m，浅埋及新黄土取小值。从开挖效率上看，直接落底能提供较大的开挖空间，开挖效率更高；从掌子面稳定性上看，高桥隧道浅埋砂质新黄土的成功经验表明，上台阶预留3～5 m 长核心土能满足掌子面稳定性的控制要求。因此，推荐中台阶不留核心土直接落底。下台阶留核心土主要用于搭接仰拱栈桥，其顶面距拱顶的净空高度宜控制在10 m 以内。

（2）短台阶

根据黄土竖向节理发育的结构特点以及开挖面暴露后失水易失稳的特性，为缩短仰拱封闭距离、加快支护环的封闭，黄土隧道采用弧形导洞法施工应采取短台阶开挖，短台阶长度建议如下：从实际施工看，留核心土的上台阶最短一般为5 m，再短核心土不易留住。因此，从保证核心土的作用考虑，上台阶长度最短不宜小于5 m，对新黄土建议取5 m。从高桥隧道经验看，对新黄土中台阶长度可取3～5 m。对于稳定性较好的老黄土，为方便施工，上台阶及中台阶长度可适当放宽。从秦东3和潼洛川隧道经验看，浅埋时上述台阶长度可取5～7 m，深埋可取7～9 m。对于下台阶，其长度以满足施工空间需要即可，但不应大于15 m，据此三台阶弧形导洞的仰拱封闭距离可控制在新黄土20～25 m 以内、老黄土30～35 m 以内。

（3）台阶错台

对于三层台阶的弧形导洞，在中、下层台阶开挖时，每层均左右错开进行，以避免上层初期支护两脚同时悬空，同时建议：中、下层台阶的错开开挖应采取交叉错台方式，避免在同一侧对中、下台阶进行同时开挖，这样有利于结构的稳定性 （尤其是在中台阶较短的情况下）。从尽快使初期支护提供整体承载能力考虑，上述台阶两侧错台长度不宜长，即左（右）侧初期支护在本循环完成后右（左）侧支护应紧接下一循环完成落底，从试验情况看对位移控制是有利的。

（4）大拱脚

试验显示，上台阶先行施做的大拱脚在中台阶开挖时将发挥支撑拱部结构的重要作用，可明显地减小中台阶开挖引起的拱部下沉，具有超前支护的特点。对弧形导洞法大拱脚的施做建议如下：大拱脚为锐角时掏挖易坍塌且结构受力条件不好（产生明显的剪应力），推荐采用结构受力条件较好且掏挖较容易的直角形式。显然，这是一种承压结构，同时可将荷载传递到围岩更深处，有利于开挖面附近围岩的稳定。大拱脚宽度取浅埋新黄土D=100～120 cm、老黄土D=80 cm，均不必配筋。

（5）仰拱封闭距离

试验表明，仰拱封闭距离决定了弧形导洞净空位移趋于稳定的距离，因此及时封闭仰拱对于控制大断面弧形导洞净空位移具有关键性意义。施工组织安排应围绕这一关键，尽可能地缩短仰拱封闭距离。对于弧形导洞仰拱封闭的最大距离，根据试验建议：新黄土仰拱封闭距离应不大于20～25 m，其中砂质黄土取小值；老黄土不大于30～35 m，其中浅埋地段取小值。

（6）短进尺

针对上述采用三台阶七步开挖的弧形导洞法，在短台阶、大拱脚和快封闭的同时，应重视短进尺这一关键环节。短进尺，一是通过减少一次开挖量和出碴量缩短开挖与支护的衔接时间，从而达到早支护的目的；二是通过减小一次暴露土体的长度提高空间效应。根据现场试验，对三台阶一次开挖进尺建议如下：

新黄土上台阶一次进尺不应大于0.6 m，砂质黄土取0.5 m。老黄土上台阶一次进尺从位移控制角度不宜大于0.8～1.0 m，其中浅埋地段取小值。中、下层台阶一次进尺不宜大于上台阶一次进尺的2 倍，其中新黄土一次进尺长度应与上台阶相同。

（7）掌子面早封闭

砂质黄土开挖后，由于失水容易坍塌，尤其是掌子面易失稳，因此开挖后迅速支护（尤其是封闭掌子面） 对施工安全具有重要意义。 从测试及施工情况看，开挖后头一两个小时是关键，对此建议如下：喷混凝土工序移至出碴前进行，喷后再出碴（一般在开挖后至少5、6 个小时后才能喷上混凝土，这对砂质黄土，尤其是浅埋砂质黄土初期位移的控制不利）。掌子面喷混凝土封闭，尤其是对浅埋砂质新黄土应强调开挖后立即进行初喷，然后再架设钢架。

4 结语

针对郑西客运专线160 m大断面黄土隧道，陕西境内三座隧道弧形导洞试验段均采用三台阶七步开挖法， 其特点是将超大断面分成三层台阶七个工作面前后错开顺序开挖， 既通过适当增加分块有效地维护了开挖面的稳定， 又较好地解决了分步开挖工序多、交叉多的难题，使施工各环节流水化作业。调查显示， 秦东 3# 深埋隧道 Q1 砂质黄土地段采用三台阶七步开挖的弧形导洞法月进尺达到 70 m 以上，潼洛川隧道浅埋（H=30 m）Q1 粘质黄土采用上述开挖方式月进尺可达 50 m 以上。 高桥隧道浅埋（H=32～33 m）Q3 砂质黄土采用上述弧形导洞法月进尺可达 40 m 以上。 在可以允许较大地表下沉的场合，采用弧形导洞法的技术经济效益相对于双侧壁、CRD 等工法而言是显而易见的。试验结果表明， 郑西客运专线大断面黄土隧道弧形导洞法不仅适用于不同埋深条件下砂质及粘质老黄土隧道， 而且可用于浅埋非饱和砂质新黄土隧道。 大断面黄土隧道采用弧形导洞法施工时其开挖方式推荐采用三台阶七步开挖法， 施工应按照短开挖、快支护、早封闭等技术原则精心组织实施，以确保大断面黄土隧道的施工安全。

概述

随着地铁工程在我国的大量修建，PBA 工法（Pile-Beam-Arch Method）已在地铁施工中被广泛地使用 。PBA 工法是在暗挖好的导洞内施作边桩、梁与柱，然后共同构成桩、梁、拱的横向框架支撑体系，在该体系的保护下进行土体开挖，再施作内部结构[1-3]。PBA 工法首先要开挖导洞，导洞的作用是为竖向支撑体系的施工提供施工作业面，其结构形式、尺寸与边桩、中柱施工密切相关。 PBA 工法导洞形状一般为拱顶直墙形式。 从设计情况来看，导洞的尺寸大小不一，如北京地铁 10 号线苏州街站侧导洞尺寸为3.5 m×4.25 m，中导洞尺寸为 3.5 m×4.50 m，光华路站的导洞尺寸为 5.0 m×5.8 m；6 号线东四站侧导洞尺寸为 4.1 m×5.7 m，中导洞尺寸为 4.1 m×5.9 m，东大桥站侧导洞尺寸为 4.1 m×4.85 m，中导洞尺寸为 4.1 m×5.1 m。如果导洞过小会造成施工不便，甚至难以施工，设计时除应充分考虑边桩、中柱的开挖、运输、吊装等施工方法及施工机械对导洞净空的要求外，同时还应考虑顶（底）纵梁的钢筋绑扎及混凝土浇筑；导洞过大，不仅会引起初支的变形过大，从而侵入二衬范围，造成二衬厚度减少，给二衬的永久受力构成安全隐患，严重的还会造成初支破坏，酿成施工事故，同时还会增加初支的拆除量。 因此，如何确定导洞尺寸显得极为重要。笔者以北京地铁 6 号线花园桥站为例 ，应用 FLAC3D软件对导洞尺寸大小产生的地表沉降进行了分析研究，并进一步提出了导洞尺寸选择的原则，以期该研究结果能够指导 PBA 工法导洞的优化设计与施工。

1 工程概况

花园桥站沿玲珑路、车公庄大街的下方东西布置，下穿西三环花园桥，是双层两跨双连拱断面全暗挖岛式车站，PBA 法施工。 车站中心右线里程 K3+217.609，总长度为 233.1 m，覆土厚度为 7.20 m，车站宽为 19.70 m，结构高度为 19.64 m，地板埋深约为 25.17 m，覆跨比为0.32。 上导洞主要穿越的地层条件是圆砾 -卵石层，下导洞穿越的主要地层条件是圆砾 -卵石层。花园桥站为 6 导洞形式，首先按照监控量测数据拟合地层的沉降，以确定地层参数；然后将导洞尺寸从 3.5～5.5 m 进行调整，以研究不同尺寸下地表沉降，并进一步提出优化建议和导洞尺寸选择的原则。

2 监测数据分析

为了更好地符合工程实际，便于进行施工对比与分析，将 PBA 工法分为 4 个典型施工阶段进行模拟：

1）导洞开挖完成阶段；2）梁、柱体系施工阶段；3）扣拱完成阶段；4）土方开挖及主体施工阶段。 同时，导洞与拱部土体采用 1 m 循环开挖。 导洞模拟的开挖顺序与实际开挖顺序相同，即：先开挖上导洞，再开挖下导洞；先开挖边导洞，再开挖中导洞。地层参数从勘察报告中选取。计算结果中累计沉降均值为21.42 mm，其中导洞开挖支护所引起的地表沉降约为11.44 mm，所占最终沉降的比例为53.40 %；施作边桩、中柱以及顶纵梁所引起的地表沉降约为2.48 mm，所占最终沉降的比例为11.58 %；拱部土体开挖、拱部结构施工所引起的地表沉降约为7.27 mm，所占最终沉降的比例为33.94 %；土方开挖及主体施工引起的地表沉降约为0.23 mm，所占最终沉降的比例为1.07 %。

从监测数据可以看出，花园桥站PBA 工法中，现场实测的累计沉降均值为18.15 mm，其中导洞开挖支护所引起的地表沉降约为9.78 mm，所占最终沉降的比例为53.92 %；施作边桩、中柱以及顶纵梁所引起的地表沉降约为1.20 mm，所占最终沉降的比例为6.64 %；拱部土体开挖、拱部结构施工所引起的地表沉降约为 6.65 mm，所占最终沉降的比例为36.66 %；土方开挖及主体施工引起的地表沉降约为0.50 mm，所占最终沉降的比例为2.78 %。地表沉降的计算值与监测值略有差异，数值计算结果偏大（二者相差15 %左右），地表沉降走势基本一致。

3 导洞尺寸对地表沉降影响的三维数值模拟

整个洞桩法施工过程中，随着开挖步序的进行，分析了不同施工阶段对地层变形和地表的影响。模拟计算中采用了以下几条基本假定：

1）土体采用摩尔-库伦模型；

2）假定地表和土层均匀，并且对不同土层的厚度做了适当简化；

3）衬砌和梁、板、柱采用弹性模型，仅考虑弹性变形，荷载主要考虑土体和结构自重、地面超载。为了方便进行数值模拟，笔者做了部分简化：

1）参考超前小导管注浆特点，在模拟计算中考虑了其等效影响，即对洞室外围经过浆液加固的部分土体的材料性质进行修改，等效为拱部上方厚度为1 m 的加固层，模拟计算中通过在指定施工阶段添加改变材料属性的边界来实现。

2）用格栅力学进行模拟。初支是由钢格栅和覆盖其上的喷射混凝土组成的，实际情况的计算比较复杂，模拟计算中采用了等效刚度法，即将钢格栅和喷混的总刚度等效为混凝土的强度，计算公式为：

E = E0+ S0

式中：E 为等效的混凝土弹性模量，MPa；E0为混凝土材料的弹性模量，MPa；Sg为钢架截面面积，m；Eg为钢材的弹性模量，MPa；S0为混凝土截面上的面积。

3）确定模型边界范围与边界条件。上表面取为地表，下表面取至结构底板下40 m。考虑到施工过程中的空间效应，参考以往的模拟经验，影响范围在长度上取为30 m，宽度上取边桩外侧面之外60 m，大约为144.5 m。模型边界条件为：上表面自由，下表面完全约束，四周限制各边界的水平位移。

4）模型中主要考虑地层压力和车站上方地表活载。初始应力场仅由自重产生，不考虑土体构造应力的影响，同时在模型的上表面施加了20 kPa 的竖直向下的地面超载。

5）边桩、中柱、底纵梁、顶纵梁、冠梁、二衬都采用实体单元模拟，初支采用shell 结构单元模拟，钢拉杆采用beam 结构单元模拟，围岩的力学模型采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型模拟。

3.1 不同导洞尺寸条件下的地层变形分析

在不同导洞尺寸条件下，对花园桥站进行数值模拟对比（在导洞达到5.5 m 以上时，塑性区连通不宜考虑，故未列出计算结果）。

1）随着导洞尺寸的加大，地表沉降的累计值也逐渐加大，由最初的16.88 mm 增加到37.87 mm；同时，随着导洞尺寸的变大，导洞施工阶段所占的总沉降比例也会越来越大，由最初的38.57 %增加到77.40 %。该现象说明随着导洞尺寸的增大，土体卸荷增大，对土体的扰动就会越大，也进一步说明了直接开挖土体的敏感性，导洞尺寸的加大，对地表沉降控制不利。

2）通过Origin 拟合地表沉降数据的结果得出，方案1的沉降槽反弯点距离为11.42 m；方案2 为11.75 m；方案3 为12.27 m；方案4 为12.43 m。可知，导洞尺寸越大，对地表的影响范围越大，对地表沉降控制越不利。

3）导洞尺寸增加时，扣拱阶段的地表沉降变小；导洞尺寸由4.5 m 增加到5 m 时，地表总沉降值增加了近10 mm，增加幅度达到35 %。可见，导洞尺寸大于5 m 时会引起更大的地表沉降。

4）导洞尺寸的加大，对地层的扰动就会越大，随之地表沉降也会越来越大，对地表沉降控制就越不利；导洞尺寸较小时，虽然对地表沉降的影响较小，但施工不便，所以也不尽合理。因此导洞尺寸设计应遵循以下原则：考虑导洞的结构安全性；满足边桩、中柱及顶（底）纵梁施工操作的空间要求；对周边环境的保护；导洞开挖的工期及经济性。在满足上述要求的基础上应尽量缩小导洞尺寸，对于北京地区建议最大导洞的跨度不宜超过5 m，以4m为。笔者以卵石地层为例进行了研究，但在砂层、黏性土层、粉土层中也都表现出相同的规律，因此在导洞尺寸的选择上应遵循相同的原则。

3.2 不同导洞尺寸条件下的初支受力分析

不同导洞尺寸条件下，在断面15 m 处对导洞开挖阶段完成后导洞初支与拱部初支受力情况进行了数值模拟，

1）随着导洞尺寸的增大，洞顶处初支的最大弯曲应力由最初3.5 m 时的6.83×10N·m 转变为5 m 时的8.30×10N·m，增加幅度约为21.5 %。由此可见，随着导洞尺寸的变大，导洞初支所承受的弯曲应力越大。这是由于随着导洞开挖尺寸的增大，地层卸荷也随着变大，导致导洞初期支护承受的弯曲应力My也相应变大，所以受力越不利。

2）随着导洞尺寸的增大，拱部初支所受的最大弯曲应力也由最初3.5 m 时的1.92×10N·m 增加到5 m 时的2.0×10N·m，增加幅度约为4 %。由此可见，PBA工法中顶拱初支承受了较大的弯矩。这是由于在开挖拱部土体后，转化为拱部初支承担上部覆土重量与地面超载；随着导洞尺寸的加大，拱部初支所承受的弯曲应力也相应变大。

4结论

以北京地铁6 号线花园桥站为例，分析研究了PBA 工法导洞尺寸大小对地表沉降及初支的力学行为的影响，得出以下结论：

1）导洞尺寸越大，所引起的地面沉降也越大，且影响范围也越大，所以导洞应尽量减小尺寸；

2）导洞尺寸越大，导洞初支与拱部初支所承受的弯曲应力越大，施工越不安全；

3）导洞尺寸的选择应遵循结构安全性、施作空间、环境保护等原则，对于北京地区建议最大导洞的跨度不宜超过5 m，以4 m 。