隧道穿越溝谷淺埋地段的施工方法探討

方梁正+王永東+胡強+張化川+張如+孫安實

摘 要：通過總結(jié)和比較明挖法、蓋挖法及淺埋暗挖法在淺埋地形下的適用性，結(jié)合溝谷地形特征和地質(zhì)情況，提出隧道在穿越溝谷淺埋段時應分區(qū)設計施工方案，并對過渡段在施工及支護方面的差異進行分析和對策探討。結(jié)果表明：以超淺埋界限深度和淺埋界限深度作為U、V形溝谷施工方法選取的界限是切實可行的；采用設置變形縫或預留變形量的措施能有效消除結(jié)構(gòu)間剛度差異；樁長漸變是結(jié)構(gòu)基礎埋深差異過渡的可行方案。

關鍵詞：隧道工程；溝谷淺埋段；過渡段；界限深度

中圖分類號：U455.49 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0086-05

Abstract： By summarizing and comparing the applicability of the excavation method， the digging method and the shallow burial method in shallow buried terrain， combined with the terrain features and geological conditions of the valley， it was proposed that zoning design and construction should be applied when the tunnel crosses the shallow buried section of valleys. And the differences in construction and support of the transition section and the countermeasures were analyzed. The results show that it is feasible to set the boundaries for U and V-shaped valleys as the boundaries of ultra-shallow buried depth and shallow buried depth. The use of measures to set the deformation joints or reserve an amount of deformation can effectively eliminate the difference in stiffness between structures； gradient pile length is a feasible solution for structural transition.

Key words： tunnel engineering； shallow buried section of valley； transition section； boundary depth

0 引 言

隨著中國高等級公路建設持續(xù)推進，原有低等級公路加速改擴建，山嶺隧道得到充分發(fā)展的同時，其面臨的地形、地質(zhì)情況也更為復雜多變[1] ，修建難度越來越大。淺埋段地層較薄，隧道開挖最危險的是圍巖破碎[2]。工程技術(shù)人員對淺埋地形下的隧道施工進行了大量研究，總結(jié)出較為系統(tǒng)的施工經(jīng)驗。王偉鋒和畢俊麗[3]研究了常見的幾種淺埋暗挖工法在軟巖淺埋隧道中的施工，提出雙側(cè)壁導坑法在圍巖變形和塑性區(qū)控制方面較其他工法效果更好。黃忠財?shù)萚4]研究了拱頂蓋挖法在淺埋與超淺埋隧道中的適用性，給出了相應的技術(shù)要點和適用條件。陶坤等[5]研究了隧道洞口淺埋段長大管棚機械化施工的相關問題，分析并提出了解決方法。尹學平和唐紅寧[6]研究了大斷面隧道淺埋段采用蓋挖法施工的適用性，提出采用蓋挖法替代淺埋暗挖法的施工條件。聶建春等[7]研究了不同偏壓情況下的大斷面淺埋隧道施工中的位移控制效果和支護承載情況，給出了不同地表傾角條件下的最優(yōu)施工方法。董鑫等[8-9]對淺埋隧道洞口施工過程中的圍巖變形特征進行分析，總結(jié)了淺埋段隧道的施工經(jīng)驗。劉建中[10]研究了隧道在淺埋、偏壓及軟巖條件下的進洞施工特點，給出了相應的施工關鍵技術(shù)和處理措施。李永[11]研究了軟流塑狀地層條件下隧道的進洞施工技術(shù)，提出隧道進洞應采用適當?shù)妮o助工法進行地層加固。

值得注意的是，目前的工法研究大部分局限于工法自身的優(yōu)化和工法間的比較，對多種工法的組合運用研究程度不夠，對工法過渡段的關鍵技術(shù)認識不足。同時，工法的研究主要基于淺埋地形上覆土層厚度小、圍巖條件差、開挖后難以形成承載拱的特征，對變化顯著的溝谷地形尚沒有針對性的研究。故本文以隧道穿越溝谷淺埋段為背景，著手研究各種地形地質(zhì)條件下多種工法組合的施工方案，并對組合施工中存在的技術(shù)難題進行探討，尋求切實可行的解決方案，為實際工程提供技術(shù)指導。

1 淺埋隧道施工方法

常見的淺埋隧道施工方法包括明挖法、蓋挖法和淺埋暗挖法三類[12]。在實際施工過程中，應依據(jù)現(xiàn)場的地形、地質(zhì)、隧道埋深等情況，選擇最適宜的施工方法。

明挖法是指向下挖土至設計標高后，在基坑中進行隧道主體結(jié)構(gòu)的修建，之后回填基坑，恢復地面[13-14]。由于明挖法開挖基坑深度較大，在地形陡峻的情況下，基坑的防護工程量較大，不僅增加了施工費用，也增大了施工的難度。工程施工中，明挖法一般用于埋置深度淺、山體橫縱坡度小的情況。

蓋挖法是指先開挖隧道拱部范圍內(nèi)的一定土體，修建護拱后，進行上覆土體回填，并在護拱的保護下進行下部土體開挖[15]。相比于明挖法，蓋挖法基坑開挖深度顯著減小，有利于基坑的防護工作，且其受地形條件的限制較小，適用于大多數(shù)淺埋的情況。

淺埋暗挖法是采用小導管超前支護、格柵拱架支護等支護措施，配合分部開挖的方法，在距離地面較近的地下進行洞室暗挖施工。淺埋暗挖法對隧道埋深有一定的要求，同時需要一系列的輔助工法來保證施工的安全和質(zhì)量，工程造價較高。

2 溝谷淺埋段施工方法選擇

溝谷是暴流侵蝕所成的槽形洼地，小的僅長10 m，大的可達數(shù)十公里。在溝谷的發(fā)育過程中，受到流水、跌水和渦流的沖刷及重力的崩塌作用，溝谷處的圍巖破碎且富水，工程性質(zhì)較差。溝谷兩側(cè)坡體的坡度與坡體巖土體性能密切相關，巖質(zhì)邊坡坡度較陡，而土質(zhì)邊坡坡度較緩。坡度各異的邊坡與寬窄不一的溝谷組合，構(gòu)成了自然界迥異的溝谷類型。隧道穿越溝谷時，選擇施工方法主要考慮溝谷類型及隧道的埋置深度2個因素，圍巖的工程性質(zhì)對具體的隧道施工有較大影響。

當隧道穿越溝谷的長度較短時，從簡便施工的角度考慮，忽略溝谷局部間的差異，以整個溝谷的情況作為施工方法選擇的依據(jù)。此時，隧道施工方法的選擇主要考慮隧道穿越溝谷段的平均覆跨比，并結(jié)合相應的地形地質(zhì)情況、地下水狀況、工程造價等因素，具體參數(shù)指標見表1。

當隧道穿越溝谷的長度較長時，溝谷內(nèi)的地形地質(zhì)情況對隧道施工影響較大，此時再采用單一的施工方法穿越整個溝谷淺埋段將無法保證施工的質(zhì)量和安全。工程中常用的做法是：根據(jù)溝谷的類型，將地形差異明顯的區(qū)段分割出來（圖1），各區(qū)段單獨考慮覆跨比、圍巖狀況、地下水等因素，確定區(qū)段內(nèi)的施工方法，而整個溝谷段的隧道施工是幾種方法的組合。

如圖1（a）所示，整個溝谷地形變化平緩，谷底平坦開闊，兩側(cè)坡體坡度適中，屬于U型溝谷。圖中所示隧道埋置深度淺，上覆土層厚度在谷底部位較小，向兩側(cè)緩慢增加。以超淺埋界限深度、淺埋界限深度為界，將溝谷劃分為5個區(qū)段。在谷底超淺埋段，考慮施工安全性，可選用明挖法或蓋挖法進行隧道施工，不宜采用淺埋暗挖法；淺埋范圍內(nèi)的坡體視具體的圍巖情況，選擇蓋挖法或淺埋暗挖法；深埋區(qū)段正常施工。

如圖1（b）所示，溝谷地形變化較大，溝谷兩側(cè)坡體較陡，溝谷為狹窄的沖溝，屬于V型溝谷。淺埋隧道在溝谷凹槽處覆蓋層厚度較小，向兩側(cè)快速增厚。此時，忽略可能存在的超淺埋區(qū)段，僅以淺埋界限深度作為溝谷分區(qū)的限界。在谷底淺埋段，圍巖破碎且富水，宜優(yōu)先考慮蓋挖法施工；深埋區(qū)段正常施工。

上述的分區(qū)設計是針對2種典型的溝谷類型給出的一般性施工建議。實際工程中，工程設計人員應在探明溝谷地形地質(zhì)情況的基礎上，結(jié)合隧道的實際埋深、施工隊伍的技術(shù)水平、工程預算費用等因素，確定出一套完整的分區(qū)施工方案。

3 組合施工過渡段技術(shù)方案

針對溝谷淺埋段地形地質(zhì)特征，采用多種施工方法組合開挖是保證施工質(zhì)量和安全的有效措施。但是，組合施工中必然存在著施工接頭的過渡問題。在實際工程中，由于結(jié)構(gòu)間剛度差異或基礎承載能力不同，接頭成為結(jié)構(gòu)滲漏水、基礎差異沉降等問題頻繁出現(xiàn)的部位，嚴重影響隧道的后期運營。為了消除這些安全隱患，保證隧道的營運安全，工程技術(shù)人員應采取一定的措施，盡量避免上述問題的出現(xiàn)，或?qū)嵤┬兄行У念A防措施，對可能出現(xiàn)問題的部位提前設防。

3.1 明挖法與淺埋暗挖過渡段

明挖與淺埋暗挖過渡段一般采用套拱加管棚作為進洞和出洞的超前支護措施。在隧道明挖到明暗交界斷面前的一定位置時，采用留核心土法開挖基坑，以核心土的抗推力保證明暗交界斷面的穩(wěn)定；其后施作套拱和管棚，并反過來施作明洞襯砌；待襯砌達到一定強度后，分層對稱回填土體，再進行暗洞的開挖，如圖2所示。

3.2 邊樁蓋挖法過渡段

在采用蓋挖法進行隧道施工的區(qū)段，由于地基承載能力不同，極可能出現(xiàn)有邊樁蓋挖法和無邊樁蓋挖法配合施工的情況，此時就涉及到2種不同類型蓋挖法的過渡問題。

無邊樁蓋挖法適用于地基承載力較好的情況，其護拱承受的荷載通過設置在地基上的枕梁傳遞到地基上，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

有邊樁蓋挖法適用于地基承載力較差的情況，護拱上的荷載傳遞到托梁，再通過樁基傳遞到隧底基巖上，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在上覆荷載相當?shù)那闆r下，基礎埋深對結(jié)構(gòu)沉降影響較大。在蓋挖法過渡段，通過調(diào)整樁長使有邊樁基礎均勻過渡到無邊樁基礎，將銜接部位的基礎埋深高差控制在一定的范圍，是預防結(jié)構(gòu)差異沉降的有效措施。同時，由于托梁與枕梁的受力情況不同，在兩者的銜接部位應該設置1道變形縫，釋放結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應力，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3 蓋挖法與淺埋暗挖過渡段

施工過程中，使用套拱加管棚作為蓋挖法與淺埋暗挖法的過渡方式。關于過渡段的施工工序，可以參照明挖法與淺埋暗挖法。本過渡段的研究重點在于蓋挖法護拱與管棚套拱的過渡問題。此2種結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)尺寸、基礎形式及受力特性上存在著明顯的差異，突兀的轉(zhuǎn)變將引起襯砌內(nèi)力局部不均勻、基礎差異沉降等問題，會影響隧道后期運營。

護拱作為隧道開挖的保護結(jié)構(gòu)，僅承受上部填土的壓力，結(jié)構(gòu)厚度相對較薄。套拱作為固定和支撐管棚端部的受力結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定性和承載力方面要求較高，結(jié)構(gòu)相對較為厚實。工程中，為了確保初期支護和二次襯砌在過渡段的連續(xù)性，應控制護拱與套拱的內(nèi)表面平整過渡。

無邊樁蓋挖法的護拱基礎為條形枕梁，設置于隧道起拱線部位；有邊樁蓋挖法的護拱基礎主要取決于地基的承載力情況，以滿足上部結(jié)構(gòu)要求的樁基埋深為準；而套拱的基礎深度則需要綜合考慮管棚長度、管棚支護范圍內(nèi)的圍巖條件、地基承載力等因素，往往深入隧道基底。3種結(jié)構(gòu)的基礎埋深存在著一定差異，而基礎埋深、基礎形式及結(jié)構(gòu)受力方面的差異，必然導致結(jié)構(gòu)差異沉降現(xiàn)象，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)滲漏水、襯砌開裂等一系列問題。實際工程中，采用護拱和套拱間設置變形縫、襯砌與護拱（或套拱）間預留變形量的方式，將差異沉降的不利影響控制在隧道襯砌外部，從而有效預防護拱與套拱差異沉降對隧道的后期運營產(chǎn)生實質(zhì)性的不利影響，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3.4 明挖法與蓋挖法過渡段

明挖法和蓋挖法的施工槽在開挖寬度和深度上都存在一定差異，實際施工中應注意銜接斷面土體的穩(wěn)定。同時，蓋挖法護拱將上覆荷載傳遞給基礎，大大增加了基礎處土（石）體的應力。隧道兩側(cè)的土（石）體受施工擾動大，應力集中現(xiàn)象顯著，應該重點防護。

對于有邊樁蓋挖法，護拱傳遞的上覆荷載通過樁基傳遞到基底土層中，故對兩側(cè)土（石）體影響較小。無邊樁蓋挖法的上覆荷載通過枕梁傳給下部土（石）體，在隧道暗挖過程中，該部分土（石）體因一側(cè)臨空，極易失穩(wěn)破壞。實際工程中，采用在護拱枕梁處設置外傾的鎖腳錨桿措施（圖7），將上覆荷載傳遞到隧道兩側(cè)更廣的土（石）體中，避免應力集中引起的土（石）體坍塌問題。

蓋挖法的隧道結(jié)構(gòu)包括護拱、初期支護及二次襯砌，而明挖法只有明洞襯砌，兩者的結(jié)構(gòu)剛度差異較大。對于結(jié)構(gòu)剛度上的差異，工程中常用的方法是在銜接位置設置變形縫。此銜接位置變形縫設置在明洞襯砌與二次襯砌之間，位置屬于隧道襯砌范疇，故變形縫不僅要能夠釋放兩墻體的不均勻內(nèi)力，還應該有較好的防滲水能力。此處可以參考地鐵基坑施工中相應的接頭處理設計[16]。

4 結(jié) 語

溝谷地形變化大，地質(zhì)條件差，隧道施工難度大。通過總結(jié)和比較淺埋隧道的常見施工方法，分析溝谷地形地質(zhì)特征，得出以下幾點結(jié)論。

（1）隧道穿越溝谷淺埋地形時，根據(jù)隧道穿越長度的不同，采用不同的施工設計理念。穿越長度較短時，忽略溝谷地形地質(zhì)變化情況，以溝谷整體情況進行分析，選擇一種最適宜的施工方法；當隧道穿越長度較長時，應根據(jù)具體的溝谷特征分區(qū)段選擇施工方法。

（2）U型溝谷以超淺埋深度和淺埋深度作為分區(qū)的限界，V型溝谷以淺埋深度作為分區(qū)的限界。對溝谷超淺埋區(qū)段，不宜采用淺埋暗挖法施工，溝谷淺埋區(qū)段宜優(yōu)先選用蓋挖法進行施工。

（3）淺埋暗挖法與其他工法的過渡段宜采用套拱加管棚超前支護作為過渡手段，同時采用留核心土開挖保證明暗交接斷面土體的穩(wěn)定。

（4）通過樁長漸變的方式，使護拱基礎從有邊樁蓋挖法的基礎埋深平穩(wěn)過渡到無邊樁蓋挖法的基礎埋深，并在結(jié)構(gòu)銜接部位設置變形縫，有效預防地基剛度差異所引起的結(jié)構(gòu)破壞問題。

（5）采用設置變形縫及預留變形量的組合措施，有效預防蓋挖法護拱與管棚套拱因結(jié)構(gòu)剛度、受力特性等方面的差異所引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力差異。同時，為了確保初期支護和二次襯砌在過渡段的連續(xù)性，應控制護拱與套拱的內(nèi)表面平整過渡。

（6）對于無邊樁蓋挖法而言，應在枕梁底部設置外傾鎖腳錨桿，避免施工槽兩側(cè)的土體因應力過大而發(fā)生破壞。同時，設置在隧道襯砌范圍內(nèi)的變形縫除滿足釋放結(jié)構(gòu)內(nèi)力的基本要求外，還應該有較好的防滲水能力。

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[責任編輯：黨卓鈺]