西部艱險山區(qū)隧道進洞技術(shù)

姜 波， 卿韋宸， 朱 勇， 喻 渝

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

洞口段不僅是隧道最易受到自然災(zāi)害影響的段落，也是施工中最易發(fā)生坍方等事故的部位之一，對施工及運營有著至關(guān)重要的作用。隧道設(shè)計中，洞口的設(shè)計經(jīng)歷“晚進早出”，到“早進晚出”的理念轉(zhuǎn)變，一般地段隧道洞門形式趨向于采用與地貌、自然環(huán)境相結(jié)合的無仰坡洞門形式。

徐前衛(wèi)等[1]對淺埋偏壓隧道進洞施工開展了三維數(shù)值模擬，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了施工對圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。達曉偉[2]等建立三維仿真模型，研究了隧道開挖對邊、仰坡的影響,優(yōu)化了隧道進洞方案；余俊[3]等建立隧道開挖三維有限元計算模型, 研究了松散地層隧道進洞段管棚注漿加固效應(yīng)；張廣乾等[4]結(jié)合實際工程研究了雙層注漿小導(dǎo)管超前支護在隧道洞口施工中作用；陳小勇等[5]結(jié)合鐵寨子1號隧道工程實例，提出了在淺埋偏壓、復(fù)雜地質(zhì)條件下采用明拱暗墻法進洞施工技術(shù)。

近年來的設(shè)計經(jīng)驗表明，一般的無仰坡進洞已無法滿足特殊地質(zhì)條件下洞口施工及運營安全要求，進洞前往往需要先對洞口坡面進行加固、采用回填暗挖或接長明洞等進行防護和進洞方能保證工程安全。本文以西部艱險山區(qū)鐵路修建為背景，針對性地給出了穿越高仰邊坡和巖堆、滑坡等不穩(wěn)定體的典型進洞技術(shù)。

1 艱險山區(qū)隧道洞口地質(zhì)環(huán)境特征

艱險山區(qū)一般是指地形切割強烈，重力型不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)域，往往呈現(xiàn)如下特征：

(1)地形艱險，坡面高陡。艱險山區(qū)，強烈的地形切割，地表高差達幾百甚至上千米。洞口位置若選在穩(wěn)定的地層范圍，導(dǎo)致邊仰坡刷坡會一坡到頂，加之地形偏壓，造成洞口進洞困難、防護范圍大、洞口施工場地布置受限。

(2)重力型不良地質(zhì)發(fā)育。高陡仰坡段一般受到嚴重危巖落石影響，因此，在其下部緩坡地段設(shè)置的洞口往往處于重力型不良地質(zhì)影響范圍，甚至受巖堆、滑坡等影響。

(3)承載功能多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。艱險山區(qū)隧線比高，線路出露段短，多種工程往往需在較小的場地范圍內(nèi)集中設(shè)置，相鄰工程交叉嚴重，導(dǎo)致隧道洞口承擔(dān)更多的功能，造成隧道跨度增大、附屬構(gòu)筑物多等，在多種組合及不良地質(zhì)條件下，對洞口結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高要求。

2 陡坡進洞技術(shù)

陡坡地形洞口往往是指隧道洞口設(shè)于坡度大于35 °的坡面。隧道在開挖進洞時，難以避免切削山體坡腳，破壞了山體原有平衡。在陡坡地形段，由于開挖臨空面更高，極可能造成坡面失穩(wěn)。根據(jù)洞口與地形等高線的相交關(guān)系，可以細分為兩種類型，一種是正交地形進洞——隧道洞軸基本垂直等高線的，另一種是斜交地形進洞——即洞軸線與等高線呈一定角度相交。兩種條件邊坡受力有較大不同因此處理措施上也有較大區(qū)別。

2.1 正交地形進洞

艱險山區(qū)往往自然坡面陡峻，一旦洞口刷坡，往往刷坡高度較高，甚至將整個山頭切削。因此，為保護原始地表，盡可能避免仰坡刷坡，宜在零仰坡處設(shè)置隧道明暗分界，并且采用以下工程措施：

(1)明暗分界預(yù)加固，開挖明暗分界掌子面前，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分級，確定開挖坡面防護措施，當(dāng)圍巖軟弱時，應(yīng)對洞口拉槽范圍邊坡及暗洞范圍設(shè)置預(yù)加固樁。采用預(yù)加固樁加固后可以適當(dāng)提高刷坡坡率，減少開挖范圍，保護原始地表。

(2)管棚超前支護，為保證暗洞開挖穩(wěn)定，洞口段應(yīng)設(shè)置超前大管棚支護，大管棚的導(dǎo)向墻基礎(chǔ)可與明暗分界預(yù)加固樁固結(jié)。

成蘭鐵路躍龍門隧道出口即屬于較為典型的陡坡進洞工點，其所在自然坡面受侵蝕切割形成不對稱“V”型谷，隧道選擇基本正交等高線進洞，但由于坡面下切極陡，設(shè)計采用6根50 m長度的錨索樁對岸坡進行加固，樁截面達到了5.0 m×4.0 m，同時為保證隧道開挖直立面及橋臺開挖，還設(shè)置了多根預(yù)加固樁進行局部防護，從而保證了陡坡切削坡腳開挖時的安全，如圖1所示。

圖1 典型陡坡進洞方案

2.2 陡坡偏壓地形進洞技術(shù)

陡坡偏壓地形的進洞安全風(fēng)險較地形正交陡坡洞口相比大，這是由于地形偏壓，開挖后洞口段處于半暗半明的開挖狀態(tài)，一方面，側(cè)邊山體失去支撐穩(wěn)定性差；另一方面，隧道外露支護結(jié)構(gòu)，由于無地層的約束，受力條件差。因此，極端不對稱的受力條件使隧道支護結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜，而采用全隧暗洞進洞，靠山側(cè)刷坡方量可能非常大。因此偏壓地形更應(yīng)強調(diào)零仰坡進洞，而要實現(xiàn)零仰(邊)坡進洞就需要創(chuàng)造零仰坡進洞條件，達到既對山體進行支撐又對隧道支護有約束的效果。常見陡坡偏壓地形進洞技術(shù)主要有護拱進洞，反壓回填進洞，斜交進洞等。

2.2.1 護拱進洞

護拱顧名思義就是對于偏壓段山外側(cè)隧道外露支護結(jié)構(gòu)設(shè)置拱形約束支撐結(jié)構(gòu)。圖2為典型護拱斷面，設(shè)置護拱進洞主要要點如下。

(1)護拱進洞，適合偏壓段較短，局部覆蓋薄或洞身露背段，若段落過長則會造成暗洞側(cè)超前支護難以設(shè)置等問題。

(2)護拱應(yīng)設(shè)置在牢固的地基上，當(dāng)?shù)鼗休d力不足時，可采用鋼管樁或預(yù)加固樁進行加固，提高地基承載力或由樁基承載。

圖2 典型護拱斷面

(3)設(shè)置護拱段，仍不能忽視坡面穩(wěn)定性問題，必要時應(yīng)對山體采用預(yù)加固樁進行加固。利用預(yù)加固樁可以對山側(cè)坡面收坡，減少地表破壞。同時可利用錨桿將護拱錨固于山體，或者設(shè)置連接筋將護拱與預(yù)加固樁樁身連接。

(4)護拱一般采用混凝土結(jié)構(gòu)，必要時可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，護拱與隧道主體支護結(jié)構(gòu)宜分離設(shè)置。設(shè)置護拱段的隧道，二次襯砌應(yīng)進行加強，靠山側(cè)初期支護應(yīng)加強錨固。

2.2.2 反壓回填進洞

所謂反壓回填進洞，即在偏壓地形外側(cè)堆載，通過人造地形改變原偏壓地形狀態(tài)，將明挖進洞調(diào)整為暗挖進洞，確保坡面穩(wěn)定，降低施工風(fēng)險。只要反壓回填具備足夠的厚度，不僅能給偏壓山體提供足夠的支撐，還能與原始山體一起形成自承拱，大大改善偏壓地形段隧道結(jié)構(gòu)受力。采用反壓回填進洞要點如下：

(1)采用反壓回填進洞，一般需放坡回填，因此設(shè)置反壓回填的洞口外側(cè)坡腳與洞身高程的高差不宜過大，否則回填工程量太大，同時還可能造成回填體自身失穩(wěn)的問題。

(2)回填材料一般采用水泥土，也可采用漿砌片石等其他方式?；靥钇履_應(yīng)設(shè)置擋護措施，并逐層回填壓實，一般回填至覆蓋隧道拱頂2 m以上高度。

(3)反壓回填后，同樣不能忽視山體坡面穩(wěn)定性問題，必要時應(yīng)對山體采用預(yù)加固樁進行加固，以進一步減少山體推力。

(4)采用反壓回填時，對地基承載力和穩(wěn)定性要進行檢算評估。必要時應(yīng)對地基進行補強，注意防止回填土過大或下沉。

(5)回填反壓前應(yīng)做好防排水系統(tǒng)。

(6)反壓回填段，隧道初期支護及二次襯砌均應(yīng)加強。圖3為隧道洞口典型反壓回填進洞示意圖。

圖3 典型反壓回填進洞方案

2.2.3 斜交進洞技術(shù)

當(dāng)隧道位置與山體坡腳高差大或者臨河偏壓時，若采用反壓回填可能存在填方量極大或回填體將侵占河道等問題；若直接明挖，則靠山側(cè)開挖量極大，可能破壞山體整體穩(wěn)定性，因此，在地層條件較好，必要時可采用斜交進洞的方式。這時明暗分界、洞門結(jié)構(gòu)與線路斜交，但與山體等高線正交，工程相對簡單且能大幅度減少開挖量。采用斜交進洞的方式要點如下：

(1)采用斜交方式進洞，斜交角度(與線路夾角)越小，則斜交段越長，對坡面穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)受力越不利。斜交角度一般不小于45 °。

(2)斜井方式對原山體無反壓或支撐效果，對山體穩(wěn)定性起不到加強效果，應(yīng)對原山體采用錨桿、注漿或預(yù)加固樁進行加固防護。

(3)斜交洞口隧道開挖支護結(jié)構(gòu)應(yīng)單獨設(shè)計，對斜交洞口鋼架排布一般有斜交間距漸變或者斜交搭接兩種方式，如圖4所示。兩者各有優(yōu)勢，前者鋼架可以逐榀成環(huán)，受力條件更簡單合理，但存在一側(cè)鋼架過密給噴混凝土等其他支護設(shè)置帶來困難，而后者克服了漸變間距的缺點，但需對鋼架搭接處進行加強，受力更復(fù)雜，工藝要求更高。

圖4 斜交洞口兩種鋼架設(shè)置方式

(4)斜交洞口隧道支護結(jié)構(gòu)受力需專門檢算，宜將洞口一段的襯砌作為整體檢算，檢算長度可以根據(jù)斜交角度和山體覆蓋層厚度確定，一般情況可按二倍斜交段長度確定。

3 穿越不穩(wěn)定體進洞技術(shù)

洞口位于如巖堆、滑坡等不穩(wěn)定體時，應(yīng)對隧道洞口穩(wěn)定性進行分析，并對洞口采取加固措施。

3.1 預(yù)加固樁加固方法

在不穩(wěn)定體中進洞，需要先采取措施保證洞口仰坡穩(wěn)定再行開挖。圖5為洞口預(yù)加固樁縱斷面圖，加固的主要工序及工藝如下：

(1)隧道明洞與暗洞的分界斷面設(shè)置一排錨固樁保證軟弱地層的穩(wěn)定性，其中洞身范圍采用玻璃纖維樁。

(2)開挖施工大管棚導(dǎo)向墻及大管棚。

(3)開挖明洞段，施作明洞并及時施工明洞回填。

(4)明洞段施作完成后，截斷玻璃纖維樁暗挖進洞。

圖5 預(yù)加固樁洞口加固縱斷面

3.2 樁基托梁護拱加固方法

當(dāng)潛在滑動面較深時，可采用樁基托梁護拱加固設(shè)計方法。樁基托梁護拱加固法縱斷面布置見圖6。

該方法主要工序及工藝：

(1)開挖及樁施工，隧道洞口兩側(cè)小范圍開挖形成樁基施作平臺，樁基采用旋挖鉆施工，減少噪音及施工振動對周邊環(huán)境及軟弱圍巖的影響。樁基頂部采用托梁連接，提高樁梁結(jié)構(gòu)縱向剛度。

(2)導(dǎo)向墻及大管棚，大管棚導(dǎo)向墻基礎(chǔ)置于樁基托梁之上，施作大管棚超前支護預(yù)加固隧道暗洞前方軟弱圍巖。樁基托梁頂部設(shè)置護拱，護拱后緣頂緊導(dǎo)向墻。

(3)洞口明洞施工，護拱外側(cè)反壓回填土石與仰坡坡面平順連接，為仰坡坡腳提供支撐反力，能有效控制軟弱圍巖仰坡沿層間下滑，控制仰坡豎向及水平位移?；靥罘磯汉奢d通過護拱及托梁傳遞至樁基，由樁基托梁及護拱承載大部分回填荷載，減少了明洞承擔(dān)荷載比例，保證了明洞沉降要求。

樁基托梁、護拱、明洞及明洞回填施作完成后，方可開挖隧道上半斷面暗挖進洞，此時仰坡下滑荷載承擔(dān)主體由明洞范圍內(nèi)土石轉(zhuǎn)換為樁基托梁、護拱、明洞及明洞回填，完成了洞口支護體系受力轉(zhuǎn)換。

圖6 樁基托梁護拱縱斷面

3.3 縱橫梁加固方法

對于淺層潛在滑動面洞口預(yù)加固的另一種有效方法是縱橫梁加固方法。隧道洞口縱橫梁加固設(shè)計方法縱斷面圖見圖7。

圖7 縱橫梁加固法縱斷面

該方法主要工序及工藝：

(1)洞口斷面錨固樁。先開挖洞頂錨固樁施作平臺，后施作錨固樁并深入基巖。

(2)導(dǎo)向墻及大管棚。設(shè)置擴大基礎(chǔ)導(dǎo)向墻，必要時對導(dǎo)向墻基礎(chǔ)采用注漿等方式進行加固。完成導(dǎo)向墻后施作超前管棚加固前方圍巖。

(3)樁頂橫梁。錨固樁頂部施作縱橫梁，頂壓導(dǎo)向墻及仰坡坡腳，為仰坡坡腳提供水平反力，控制仰坡下滑、導(dǎo)向墻擠出。

(4)明洞開挖。進行明洞范圍內(nèi)開挖時，由明洞兩側(cè)錨固樁承受因開挖卸載而產(chǎn)生的土體側(cè)向壓力，并限制邊坡下滑。明洞及明洞回填反壓仰坡坡腳，進一步控制仰坡下滑。

4 結(jié)論

以成蘭鐵路為代表的西南艱險山區(qū)鐵路，大多數(shù)隧道洞口地形高陡、重力型不良地質(zhì)發(fā)育、橋隧結(jié)構(gòu)相連，建設(shè)難度大。通過廣大工程技術(shù)人員不斷的實踐與總結(jié)，提出了針對西部艱險山區(qū)不同地形的進洞施工方案：

(1)針對陡坡地形，提出了零仰坡進洞、護拱進洞、反壓回填進洞、斜交進洞等機動技術(shù)。

(2)針對洞口巖堆、滑坡等不穩(wěn)定體，從反壓滑坡體和切斷滑動面的角度提出加固設(shè)計常見的3種方法，分別為：預(yù)加固樁加固方法、樁基托梁護拱加固方法和縱橫梁加固方法。

隨著新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的不斷采用，艱險山區(qū)的隧道洞口修建技術(shù)必將向著更安全、更先進、更可靠的方向發(fā)展。