斜交偏壓地形隧道洞口“零開挖”工法研究

李洋溢，黎圣林

(廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

為滿足我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展以及人們對美好生活更加強烈向往的需求，更多高標準的高速公路和高速鐵路亟待修建。遇水架橋、遇山挖洞已成為高速公路修建中的常態(tài)，因此，在我國山嶺較多的西南地區(qū)，一大批高速公路隧道不斷誕生。成千上萬的隧道不斷涌現(xiàn)時，無法保證每座隧道均為正交進洞，隨著高速公路不斷向山嶺地區(qū)修建，在斜交偏壓地形中設(shè)置隧道洞口已較為常見[1-3]。

當今修建隧道，往往遵循“早進洞、晚出洞”的“零開挖”理念[4]，該理念的優(yōu)點早已在工程界得到廣泛認可?！傲汩_挖”不是不挖而是盡量減少開挖，避免高邊仰坡的形成，從而降低隧道洞口施工風險。不僅如此，減少開挖更能降低對自然環(huán)境的破壞，使隧道洞口更加自然美觀，符合綠色環(huán)保理念。由于較低的邊仰坡，隧道后期運營過程中出現(xiàn)坡面垮塌事故更少，能降低后期運營維護成本和造成人員傷亡的概率[5-7]。因此，根據(jù)不斷改進和摸索，研究斜交偏壓地形條件下隧道洞口“零開挖”理念的施工方法，盡量減少洞口土石方的開挖，避免高邊仰坡的出現(xiàn)，具有現(xiàn)實意義。

1 偏壓地形洞口常規(guī)施工方法

1.1 常規(guī)施工方法一般過程

在地形偏壓較明顯、隧道中線與地面線交角較小的情況下，若按常規(guī)施工方法進洞，往往將暗洞樁號設(shè)置在土層能完整覆蓋隧道襯砌的樁號。首先對明洞長度范圍進行開挖刷坡并防護，在暗洞樁號處一般施作套拱，在套拱中預埋孔口管作為超前管棚的導向裝置，孔口管的數(shù)量及規(guī)格、布置的位置及方位等，均應(yīng)依設(shè)計進行以保證后期管棚施作的質(zhì)量。從導向裝置中鉆孔到設(shè)定距離并施作超前鋼管，形成管棚，待管棚注漿并凝固到一定強度后，在管棚保護下進行暗洞進洞開挖。

1.2 常規(guī)工法特點分析

該方法進洞原理相對簡單，技術(shù)交底時施工單位容易理解，且對施工單位技術(shù)水平要求較低，在空曠的場地施工能提高明洞開挖速度，做好邊仰坡防護即可。但此時必定存在某一邊坡和部分仰坡較高的弊端，這種情況下易出現(xiàn)邊仰坡下滑，造成經(jīng)濟損失且拖延工程進度。更有甚者，從受力角度而言，明洞槽的開挖破壞了山體坡腳處抵抗坡體滑移的阻力，因此原本自然穩(wěn)定的山體容易出現(xiàn)滑移，而在地質(zhì)條件較差或構(gòu)造條件不利的情況下，坡體一旦出現(xiàn)滑移，坡腳處明洞襯砌由于另一側(cè)無山體阻擋作用，僅靠襯砌自身的抗剪強度很難抵抗巨大的山體滑移推力，因此易造成隧道受剪切破壞等重大問題。

2 斜交偏壓地形洞口“零開挖”工法

半拱蓋挖和梯形平衡套拱是兩種基于“零開挖”理念開發(fā)實踐的工法。

2.1 半拱蓋挖工法

半拱蓋挖工法往往結(jié)合偏壓擋墻一起使用，適合地形存在較明顯偏壓、隧道中線與地面線交角較小的隧道洞口施工。

首先清表，對暗洞樁號和隧道外輪廓進行放樣，在遠離山體側(cè)外輪廓位置按照設(shè)定尺寸挖槽進行套拱基礎(chǔ)的澆筑，如圖1所示，后用土袋壘出隧道外輪廓，或如圖2所示沿隧道外輪廓弧形立模。架立鋼架時，將鋼架與山體接觸處截斷，同時對山體表面進行修整，挖出覆蓋層，使型鋼嵌入山體強風化層，如圖1中A所示位置。不僅如此，為保證半拱中型鋼的穩(wěn)定，在其與山體搭接處還應(yīng)沿合適角度設(shè)置≥3.5 m長鎖腳錨管，每處2根，鎖腳錨管與型鋼須焊接牢固。型鋼另一頭落在混凝土基礎(chǔ)上并與鋼筋焊接牢固，混凝土基礎(chǔ)落在堅實地基上。各環(huán)向型鋼之間用小號縱向型鋼連接，形成穩(wěn)定的整體。型鋼上焊接設(shè)置孔口管。

圖1 半拱蓋挖工法型鋼布置示意圖(m)

圖2 套拱及偏壓擋墻示意圖

套拱完成后，通常還有偏壓擋墻和套拱頂部素混凝土反壓回填的施作。待套拱、偏壓擋墻、反壓回填(視情況可夯填碎石土等)均完成后，方進行管棚的鉆孔、超前鋼管的安裝和注漿等工序。由于套拱在隧道縱向的不同位置處具有不同的環(huán)向長度，因此該類套拱又稱異形套拱。異形套拱的一邊落在套拱基礎(chǔ)上，另一邊通過鎖腳錨桿等措施牢固搭接在山體上。隧道明洞長度范圍內(nèi)的巖土將在較長的異形套拱保護下進行逐步開挖，襯砌亦將逐步施作，暗洞將在超前大管棚保護下進行開挖和支護。

2.2 梯形平衡套拱工法

梯形平衡套拱工法利用支擋結(jié)構(gòu)(如擋墻)平衡坡體下滑力的水平分力，將常規(guī)套拱調(diào)整為洞門端垂直于隧道軸線、臨山體端近平行于等高線的梯形套拱以適應(yīng)地形，減少山體開挖，保證隧道結(jié)構(gòu)及邊仰坡穩(wěn)定。其中套拱內(nèi)型鋼采用扇形布設(shè)，加強縱向連接，形成格構(gòu)體系，增強整體受力特性。因此梯形平衡套拱段隧道暗洞結(jié)構(gòu)按常規(guī)方式施工即可，如圖3～4所示。此工法于2019-03-15獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局實用新型專利授權(quán)。

圖3 梯形套拱平面布置示意圖

圖4 梯形套拱立面布置示意圖

梯形平衡套拱工法施工步驟具體如下：

(1)沿山體等高線方向?qū)ι襟w進行修整，形成隧道暗洞進洞立面并施工坡面防護。當山體等高線與隧道軸線夾角較小時，宜切坡修整至≥35°。沿套拱結(jié)構(gòu)邊緣平行于隧道軸線開挖基礎(chǔ)并澆筑支擋結(jié)構(gòu)(如擋墻)，澆筑時預埋套拱型鋼可考慮分段澆筑，澆筑完后對支擋結(jié)構(gòu)混凝土進行養(yǎng)護。

(2)以隧道暗洞進洞立面走向與隧道軸線的夾角為起始角(可微調(diào))，平面呈扇形均勻布設(shè)套拱內(nèi)型鋼拱架，直至最后一榀型鋼拱架垂直于隧道軸線?？糠磯航Y(jié)構(gòu)一側(cè)型鋼水平間距大，遠離一側(cè)型鋼水平間距小。

(3)靠近山體側(cè)型鋼拱架的拱腳采用鎖腳鋼管或錨桿固定，相鄰兩型鋼拱架肋采用環(huán)向等距布置的型材焊接形成加強型縱向連接，形成型鋼拱架格構(gòu)體系，并在鋼拱架外表圓弧上等距固定不同長度的導向鋼管，鋼管末端伸至山體成洞面。

(4)搭設(shè)臨時支架，拼裝套拱模板，拉桿固定，保證模板穩(wěn)定性，隨后從兩端向中心分層澆筑套拱。澆筑時應(yīng)一體成型，與反壓結(jié)構(gòu)(擋墻)形成整體。

(5)架設(shè)套拱模板支架，拼裝套拱模板，拉桿固定，保證模板穩(wěn)定性，隨后從兩端向中心分層澆筑套拱，澆筑時應(yīng)一體成型，與支擋結(jié)構(gòu)(如擋墻)形成整體。澆筑完后，對套拱混凝土進行養(yǎng)護。

(6)施作等長管棚并注漿加固，管棚嵌入山體長度與導向管內(nèi)長度之比宜≥1。套拱及長管棚注漿加固達到設(shè)計要求后，按常規(guī)隧道暗洞的施工方式進行開挖、初期支護和二襯施工。

2.3 “零開挖”工法優(yōu)越性分析

半拱蓋挖和梯形平衡套拱這兩種工法因開挖量小，能顯著減少隧道洞口刷坡面積，回填后幾乎無外露邊仰坡，因此都屬于“零開挖”工法。

“零開挖”工法對施工單位技術(shù)水平要求相對較高，由于空間受限，明洞部分巖土開挖速度略慢于常規(guī)工法的直接開挖，同時對于非規(guī)則鋼拱的制作和固定以及反壓平衡支擋結(jié)構(gòu)的施作略微復雜。然而在斜交偏壓地形隧道洞口施工中，這兩種“零開挖”工法有著更多的優(yōu)點：

(1)將最大程度實現(xiàn)“零開挖”進洞，對環(huán)境的破壞大大減少，符合綠色環(huán)保理念。

(2)洞口施工周期往往較長，期間出現(xiàn)的雨天更是對邊仰坡安全性有嚴重影響，但“零開挖”工法中明洞的施作是在套拱和反壓支擋結(jié)構(gòu)的保護下進行的，降低了開挖邊仰坡導致的滑塌或滾石等施工及后期運營風險。

(3)山體坡腳所受開挖擾動較小，對其初始平衡狀態(tài)影響不大，因此作用在襯砌上的荷載更小。

(4)襯砌遠離山體一側(cè)由于設(shè)置了混凝土支擋結(jié)構(gòu)且有素混凝土反壓回填作用，在很大程度上提高了隧道結(jié)構(gòu)抵抗山體推力的能力，因此隧道受剪切破壞的風險大大降低。

因此在風險較大的斜交偏壓地形條件下修建隧道洞口，這兩種“零開挖”工法是非常適合推廣應(yīng)用的。

3 “零開挖”工法案例分析

3.1 半拱蓋挖法工法實例

某高速公路隧道長2 477.5 m，出口端左線洞口樁號為ZK184+390，與左洞錯幅。洞口平面位置如圖5所示。

圖5 隧道洞口位置平面圖

地勘資料顯示：隧道洞口邊仰坡主要由粉質(zhì)黏土夾雜大小不一的風化巖塊組成，屬于土質(zhì)邊坡。邊坡土體結(jié)構(gòu)密實度不均，強風化粉砂巖，質(zhì)地軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，大部分已風化呈碎塊狀、塊狀，其自穩(wěn)性較差，對坡面較為不利。洞口位于沖溝交匯處，植被茂盛，地形陡斜。

隧道中線與地面斜交，且位于沖溝位置，地形存在較嚴重偏壓，地勘情況亦指出該處邊仰坡穩(wěn)定性較低，大開大挖易造成滑塌事故。經(jīng)多方考量，該隧道洞口設(shè)計采用“半拱蓋挖法+偏壓擋墻”進行施工進洞，如圖6所示。

圖6 隧道洞口設(shè)計圖

為保證套拱強度，鋼拱架采用Ⅰ20b型號工字鋼，用φ22 mm鋼筋連接固定，形成鋼拱架整體。套拱厚60 cm，采用C30混凝土進行澆筑，施作于明洞襯砌輪廓線以外。孔口管規(guī)格為φ127×4 mm，預埋于套拱混凝土中，采用φ108×6 mm的熱軋無縫超前管棚。

洞口右側(cè)，套拱外2.5 m處，采用C30混凝土澆筑一偏壓擋墻使之與套拱齊高，擋墻與套拱之間采用C15素混凝土反壓回填，使擋墻、回填素混凝土、套拱三者在最后形成一體，保證足夠強度以抵抗洞口左側(cè)坡體推力。

以此工法施作，降低了右側(cè)位于沖溝偏壓地形洞口的滑塌風險，也不影響左側(cè)洞口邊仰坡的施工，同時方便洞口的生態(tài)恢復與排水導流。偏壓擋墻的施作及素混凝土的回填反壓，提高了襯砌抵抗坡體推力的強度，為隧道安全施工和運營提供足夠的安全系數(shù)。當前隧道已順利貫通。

3.2 梯形平衡套拱工法實例

某高速公路隧道長4 670 m，隧址區(qū)巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖和砂巖，圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主。進口端位于半山腰，主要由殘坡積粉質(zhì)黏土及全～強風化泥質(zhì)粉砂巖組成，屬巖土組合邊坡，在暴雨季節(jié)地表水下滲及人工破壞等觸發(fā)因素下，易產(chǎn)生淺層滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象。其中，右線進口地形偏壓嚴重，左側(cè)為沖溝，右側(cè)為山體，隧道軸線與等高線交角約為45°，洞口平面位置如圖7所示。

圖7 隧道洞口位置平面圖

該隧道為特長隧道，進口端接特大橋，洞口邊仰坡一旦發(fā)生塌方，容易引發(fā)隧道及橋梁結(jié)構(gòu)損壞以及交通事故，社會影響不利。經(jīng)多方考量，該隧道洞口采用梯形平衡套拱工法進行進洞施工。套拱共設(shè)置11榀Ⅰ20b型鋼拱架，呈扇形布置，縱向采用Ⅰ14工字鋼加強連接。為平衡山體偏壓力，在套拱左側(cè)澆筑厚度≥2 m的C30耳墻。

該洞口采用梯形平衡套拱工法進洞，有效降低了洞口邊仰坡的高度，明洞施工完成后幾乎無外露邊仰坡。該洞口施工完成至今已有3年，期間未出現(xiàn)過塌方，且目前植被已基本恢復原樣，洞口已基本融入周邊的環(huán)境。

4 結(jié)語

針對斜交偏壓地形隧道洞口施工，本文分析了常規(guī)工法和兩種“零開挖”工法各自的特點，接著對兩種工法進行實例分析，主要得出如下結(jié)論：

(1)常規(guī)工法進洞易導致高邊仰坡的出現(xiàn)，在較大程度破壞自然生態(tài)的同時，也存在施工安全隱患。高邊坡對隧道明洞襯砌的推力易導致襯砌受剪切破壞，運營期也存在風險。

(2)“零開挖”工法避免了高邊仰坡的出現(xiàn)，對生態(tài)破壞較小，對山體擾動也更小，使洞口施工風險有效降低。偏壓擋墻和反壓回填的施作，讓明洞襯砌受力更合理，襯砌受山體推力破壞的概率有效減小。

(3)實例分析顯示，斜交偏壓地形隧道洞口施工中，“零開挖”工法具有較好的可行性和優(yōu)越性。本文研究成果對類似地形條件下隧道洞口施工具有一定的指導意義，可為隧道工程從業(yè)者提供借鑒。