高速鐵路隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋偏壓洞口設(shè)計(jì)研究

李懷鑒，馬志富

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

我國山區(qū)高速鐵路建設(shè)中出現(xiàn)了較多的隧道。由于山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，特別是隧道洞口段圍巖一般較為破碎，地質(zhì)條件差，開挖邊仰坡又破壞了山體原有的平衡，使得洞口工程成為隧道設(shè)計(jì)和施工的要點(diǎn)之一。其中，又以淺埋偏壓洞口，尤其是巖土條件或巖層走向十分不利于隧道的洞口，設(shè)計(jì)難度極大，這些洞口往往成為設(shè)計(jì)和施工過程中控制性的工點(diǎn)。

以滬昆鐵路客運(yùn)專線長沙至玉屏段設(shè)計(jì)施工難度極大的上店隧道出口為研究對(duì)象。上店隧道出口地形、地質(zhì)條件極其復(fù)雜，自然坡角約31°，形成偏壓，地表第四系殘坡積和強(qiáng)風(fēng)化厚度大，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，層間結(jié)合力差。其中表層粗角礫土較厚，最大厚度可達(dá)25 m。巖層產(chǎn)狀75°∠62°，中線走向246°。

以上地形、地質(zhì)因素，加之高速鐵路雙線隧道斷面大等因素，使得上店隧道出口設(shè)計(jì)難度極大，難點(diǎn)主要在于:(1)進(jìn)洞困難，洞口暗洞段施工風(fēng)險(xiǎn)大;(2)洞口場(chǎng)地狹窄，洞門施作受限;(3)洞門基底部分懸空且地基承載力不足;(4)洞口明挖段施工風(fēng)險(xiǎn)大，易發(fā)生滑坡;(5)明挖段低山側(cè)沖溝較深，不利于洞門整體穩(wěn)定等。

2 洞口暗挖段設(shè)計(jì)

2.1 選擇合理的進(jìn)洞位置

上店隧道出口坡面較陡，表層為粗角礫土，穩(wěn)定性差。設(shè)計(jì)中遵循“早進(jìn)晚出”的原則，減少對(duì)山體的擾動(dòng)和破壞，同時(shí)也減小洞口邊仰坡的高度，避免形成高陡邊仰坡，以防給隧道的施工和運(yùn)營留下隱患;然而，考慮過早進(jìn)洞或過晚出洞造成隧道洞頂覆蓋層過薄，暗洞施工中極易失穩(wěn)。為此，綜合考慮在DK308+255里程處進(jìn)洞，具體詳見圖1～圖3。

同時(shí)，因DK308+255～DK308+252段拱部為粗角礫土且厚度較薄，暗挖后極不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中在該段設(shè)置護(hù)拱措施，在護(hù)拱保護(hù)下進(jìn)行暗洞施做。由于低山側(cè)護(hù)拱基礎(chǔ)無法落在穩(wěn)定基巖上，加之為平衡隧道高山側(cè)較大土石壓力考慮，隧道低山側(cè)采用耳墻結(jié)構(gòu)，護(hù)拱兩側(cè)拱腳分別落于耳墻和強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖上，確保護(hù)拱在施工期間的穩(wěn)定，護(hù)拱設(shè)置具體詳見圖2和圖3。

圖1 洞口平面

圖2 洞口縱斷面(單位:m)

圖3 明暗分界里程DK308+255橫斷面

2.2 平衡洞口暗洞段偏壓措施(圖4)

洞口暗洞結(jié)構(gòu)在受力上存在較嚴(yán)重的淺埋偏壓情況，對(duì)隧道整體穩(wěn)定和襯砌結(jié)構(gòu)受力有較大的隱患。

圖4 洞口暗洞段增加錨固樁橫斷面(里程:DK308+242)(單位:m)

為此，在暗洞出口低山側(cè)，設(shè)置錨固樁平衡高山側(cè)的土石壓力，改善隧道結(jié)構(gòu)受力，錨固樁參數(shù):DK308+233～DK308+248段隧道中線外低山側(cè)11.50 m處設(shè)置4根2.0 m×2.5 m的錨固樁，樁間距5.0 m，具體詳見圖1和圖4。

2.3 暗洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

洞口段暗洞因埋深較淺且存在偏壓等情況，采用加強(qiáng)型襯砌，初期支護(hù)全環(huán)采用30 cm厚C30噴混凝土，拱墻φ8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20 cm×20 cm，拱部錨桿采用4 m長φ25 mm×7 mm普通中空錨桿，邊墻錨桿采用長4 mφ22 mm砂漿錨桿，初期支護(hù)鋼架采用全環(huán)I22a鋼架，鋼架間距0.6 m;二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，拱墻厚50 cm，仰拱厚60 cm，具體詳見圖5。

圖5 襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面(單位:cm)

2.4 超前措施及施工工法

在暗洞段低山側(cè)錨固樁施工完成之后，為了進(jìn)洞的安全，在護(hù)拱結(jié)束里程DK308+252處向山體方向打設(shè)一環(huán)大管棚，在管棚的保護(hù)下進(jìn)行暗洞施工，管棚采用熱軋無縫鋼管，參數(shù):拱部150°布置，直徑為108 mm，壁厚5 mm，環(huán)向間距0.4 m，長度30 m。

暗洞采用超前小導(dǎo)管注漿措施配合大管棚施工，以作為開挖的超前防護(hù)措施，并采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法開挖，一起防止開挖過程中掌子面變形過大或發(fā)生坍塌。三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法中采用臨時(shí)仰拱措施進(jìn)一步控制變形發(fā)展，臨時(shí)鋼架采用I18型鋼，并噴10～15 cm厚不等的混凝土;施工時(shí)上臺(tái)階預(yù)留核心土，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法如圖6所示。

圖6 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法橫斷面(單位:cm)

3 洞口明挖段設(shè)計(jì)

3.1 洞門形式

洞口右側(cè)地勢(shì)較高，形成偏壓，同時(shí)表層粗角礫土層較厚，洞口邊坡開挖并回填之后，高山側(cè)邊坡會(huì)對(duì)隧道洞門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的土壓力。為平衡高山側(cè)地形上的偏壓土石壓力，保證隧道洞門結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，隧道洞門結(jié)構(gòu)采用單壓式明洞門，洞門地勢(shì)低側(cè)設(shè)置耳墻結(jié)構(gòu)，端墻外設(shè)置錨固樁結(jié)構(gòu)，確保洞門端墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

同時(shí)，受洞口場(chǎng)地狹窄及洞口表層粗角礫土層地基承載力不足等限制，如果將隧道出口里程放置在能夠達(dá)到地基承載力要求的基巖上，則現(xiàn)場(chǎng)無場(chǎng)地施作洞門;同時(shí)，也由于邊仰坡表層巖土穩(wěn)定性較差且坡面較陡，洞門長度過短將增加運(yùn)營期間的風(fēng)險(xiǎn)，為此適當(dāng)將隧道出口里程外移，增加明洞長度勢(shì)在必行，此時(shí)地基也需要處理以滿足洞門基底承載力的要求。設(shè)計(jì)中將洞門里程設(shè)置在DK308+270里程處，洞門設(shè)置詳見圖1、圖2和圖7。

圖7 洞口單壓式明洞門橫斷面(里程:DK308+270)(單位:m)

3.2 洞門基底處理

隧道出口里程外移，洞門結(jié)構(gòu)基底坐落在承載力不足的粗角礫土層上以及洞門結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)懸空等情況的加劇，設(shè)計(jì)難度進(jìn)一步加大。

因此，增加洞門結(jié)構(gòu)基底處理措施以提高地基承載力成為設(shè)計(jì)要點(diǎn)。經(jīng)過分析論證，上店隧道出口基底采用樁板結(jié)構(gòu)，將隧道基底受力傳到基巖里，可以有效解決基底地基承載能力不足的問題，樁板結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:DK308+255～DK308+270段明洞仰拱下設(shè)鋼筋混凝土底板，底板厚2.0 m，板下設(shè)φ1.5 m鉆孔樁，間距2.8 m×3.4 m(縱×橫)，樁板結(jié)構(gòu)見圖2、圖7和圖8。

圖8 基底樁板結(jié)構(gòu)平面布置(單位:cm)

3.3 平衡洞口明挖段偏壓措施

洞口明挖時(shí)，如高山側(cè)邊坡從洞門墻腳放坡開挖將增加邊坡高度;同時(shí)表層粗角礫土較厚且穩(wěn)定性較差，需要較平緩的放坡坡率才可能保證邊坡的穩(wěn)定，將進(jìn)一步增加邊坡高度，很容易形成高陡邊仰坡，增加了施工期間的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在明挖段開挖前，設(shè)計(jì)采用了在高山側(cè)設(shè)置錨固樁的方案，減少高山側(cè)邊坡的開挖，以保證施工期間的穩(wěn)定，同時(shí)也增加了運(yùn)營后隧道洞口的安全性。錨固樁參數(shù)如下:分別在DK250+263、DK250+258、DK250+253距離線路左線中線5.37 m處各設(shè)置1根錨固樁，截面尺寸2.0 m×3.0 m，長度為23 m，樁間采取邊坡注漿加固及網(wǎng)噴混凝土防護(hù)措施。

3.4 低山側(cè)防護(hù)措施

現(xiàn)場(chǎng)低山側(cè)坡面較陡且深，洞門基底樁板結(jié)構(gòu)外露較多，兼之洞口段整體偏壓，對(duì)洞門整體穩(wěn)定不利，存在隱患。

為此，采用C20片石混凝土在低山側(cè)坡面上反壓處理至洞門耳墻墻趾高程，以保證洞門結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。同時(shí)，為保證該反壓的C20片石混凝土的穩(wěn)定性，在該片石混凝土中增加3根錨固樁，錨固樁長25 m，樁截面2 m×2.5 m，間距6 m。

3.5 邊仰坡防護(hù)

洞口明挖段回填后外露坡面為永久邊仰坡，坡面較陡且表層巖土穩(wěn)定性較差，需對(duì)其護(hù)坡形式進(jìn)行加強(qiáng)。邊坡開挖設(shè)計(jì)如下:坡率為1∶1，每8 m分一級(jí)，于分級(jí)處設(shè)2 m寬平臺(tái)。永久邊仰坡采用現(xiàn)澆矩形預(yù)應(yīng)力錨桿框架，框架內(nèi)掛網(wǎng)噴混植生防護(hù)，錨桿為全長粘結(jié)型預(yù)應(yīng)力錨桿，錨筋采用直徑為25 mm的PSB1080高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，于框架節(jié)點(diǎn)布設(shè)，長度為14 m，錨固段長7 m，單孔設(shè)計(jì)錨固力300 kN，設(shè)計(jì)錨孔壁與注漿體之間粘結(jié)強(qiáng)度不小于0.35 MPa，錨孔直徑110 mm，向下俯傾30°。邊仰坡防護(hù)詳見圖2、圖3和圖9。

圖9 DK308+255里程橫斷面

3.6 正面回填措施

DK308+252～DK308+257段耳墻外側(cè)C20片石混凝土反壓回填后，在該片石混凝土上方采用土石回填恢復(fù)至原地表，以保證該區(qū)域縱向山體的穩(wěn)定，具體見圖3。

3.7 其他措施

洞口段開挖前應(yīng)施作截水天溝，以防止洞口施工過程中雨水流入并下滲至洞口段，造成洞口坡面穩(wěn)定性下降，防止邊仰坡開裂變形。

同時(shí)，于隧道出口永久邊仰坡防護(hù)外設(shè)置RXI-200型SNS被動(dòng)高強(qiáng)金屬防護(hù)網(wǎng)，以防止邊仰坡外落石危及正線安全。

4 主要施工工序設(shè)計(jì)

(1)施作地表截排水系統(tǒng)。

(2)開挖洞口段平衡偏壓的錨固樁樁頂邊坡，形成樁頂平臺(tái)，施作錨固樁。

(3)分臺(tái)階、分段開挖洞口邊仰坡，分臺(tái)階、分段施作護(hù)坡，形成洞口段樁板基礎(chǔ)施作平臺(tái)。

(4)開挖低山側(cè)回填片石混凝土中的錨固樁樁頂邊坡，形成樁頂平臺(tái)，施作錨固樁。

(5)反壓回填低山側(cè)C20片石混凝土。

(6)明挖段樁板基礎(chǔ)施作。

(7)護(hù)拱段分臺(tái)階、分段開挖并分臺(tái)階、分段施作護(hù)坡，基礎(chǔ)換填、外側(cè)耳墻及護(hù)拱施工，大管棚施工。

(8)施作出口段明洞襯砌、耳墻及明洞門，明洞段、護(hù)拱段回填漿砌片石。

(9)DK308+252～DK308+257段耳墻外側(cè)C20片石混凝土上方土石堆砌恢復(fù)至原地表。

(10)暗洞開挖。

5 主要施工注意事項(xiàng)

(1)施工中做好截排水措施，同時(shí)應(yīng)避免洞頂?shù)乇沓霈F(xiàn)滯水地貌及地物。

(2)洞口施工應(yīng)盡量避開雨季，開挖前應(yīng)檢查邊仰坡上部山坡穩(wěn)定情況，清除懸石、處理危石。

(3)邊仰坡加固及防護(hù)應(yīng)在開挖前或隨開挖進(jìn)行，洞口段邊仰坡施工期間必須進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)。

(4)施工期間應(yīng)對(duì)錨固樁變形、位移和開裂等情況進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)。

(5)洞口段邊仰坡開挖后及時(shí)檢查巖層坡面穩(wěn)定狀況，當(dāng)出現(xiàn)松軟夾層、順層溜坍、工程滑塌征兆時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取坡面加固措施或臨時(shí)邊坡防護(hù)加強(qiáng)措施。

6 結(jié)語

復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道洞口淺埋偏壓段的處理，一直是設(shè)計(jì)和施工中的重點(diǎn)。通過對(duì)滬昆鐵路客運(yùn)專線長沙至玉屏段上店隧道出口的研究和分析，總結(jié)出設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

(1)重視截排水措施的作用，避免雨水下滲造成開挖后邊仰坡穩(wěn)定性的下降。

(2)應(yīng)合理明確進(jìn)出洞位置，遵循“早進(jìn)晚出”的原則，減少對(duì)隧道洞口原始地形地貌的破壞，避免形成高陡邊仰坡。

(3)根據(jù)不同隧道洞口地形、地質(zhì)特點(diǎn)，判明偏壓的嚴(yán)重程度，根據(jù)偏壓程度的不同，洞口明挖段可以采取錨固樁、擋土墻、反壓回填等平衡偏壓的措施，或采取錨噴支護(hù)、地表注漿、預(yù)應(yīng)力錨桿或錨索框架等對(duì)高側(cè)邊坡進(jìn)行加強(qiáng)以穩(wěn)定邊坡，也可采取半明半暗結(jié)構(gòu)等減少對(duì)邊坡的擾動(dòng)后進(jìn)行邊坡加固處理等措施。

(4)施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)地表的監(jiān)控量測(cè)，反饋設(shè)計(jì)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，信息化施工。

(5)對(duì)于洞口暗洞段淺埋偏壓，應(yīng)根據(jù)具體地形、地質(zhì)情況，依據(jù)“短開挖，強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)密貼，實(shí)回填，嚴(yán)治水，勤量測(cè)”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，同時(shí)，也應(yīng)采取減少對(duì)圍巖擾動(dòng)的工法進(jìn)行開挖和支護(hù)，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法等，從而減小偏壓對(duì)暗洞的影響。

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