高速鐵路隧道洞口工程設(shè)計研究

韓華軒， 馬志富， 許占良， 李冬生

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

0 引言

近年來，穿越我國中西部山區(qū)的高速鐵路規(guī)劃逐步付諸實(shí)施，出現(xiàn)了大量的隧道及隧道群，隧道洞口的穩(wěn)定性問題已經(jīng)成為隧道施工及運(yùn)營中最為關(guān)心的重要問題之一。受線位和山區(qū)地形地質(zhì)的限制，隧道的進(jìn)出口往往會遇到危巖落石、巖堆、滑坡、順層、偏壓、淺埋、軟弱圍巖、陡坡進(jìn)洞等問題。在進(jìn)洞施工時往往會發(fā)生高邊坡、仰坡滑塌、山體變形開裂等洞口段整體失穩(wěn)破壞事故，安全風(fēng)險高，治理難度大，影響洞口地表環(huán)境、遺留病害、增加投資等［1］。如何安全進(jìn)洞和做好洞口臨時及永久防護(hù)加固設(shè)計，值得探討和研究。

本文以滬昆鐵路客運(yùn)專線長沙至玉屏段部分隧道進(jìn)洞設(shè)計及施工實(shí)踐為基礎(chǔ)，對軟弱、淺埋、偏壓、順層等不良地質(zhì)隧道“進(jìn)洞難”洞口的輔助加固及防護(hù)設(shè)計進(jìn)行了研究和探討，對類似工程提供一定的參考。

1 一般洞口工程

1．1 設(shè)計理念

洞口段的設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行“早進(jìn)晚出”、“趨自然狀態(tài)進(jìn)洞”、“盡量保持邊仰坡穩(wěn)定”和“重視洞口排水系統(tǒng)”的思路，按照“先治水，再加固，再進(jìn)洞”的總施工順序。這是我國經(jīng)典性的設(shè)計施工經(jīng)驗(yàn)，也是長昆客專隧道防止洞口段大變形或滑塌的基本設(shè)計理念［2-3］。

1．2 設(shè)計原則

對于洞口地形、地質(zhì)條件無特殊不良問題的情況，遵循“不刷坡進(jìn)洞”的原則，控制洞口邊仰坡的總高度，一般都能避免隧道的進(jìn)洞施工和后期運(yùn)營出現(xiàn)病害。普通洞口的設(shè)計原則如下［3］:

(1)以洞口明洞臨時及永久邊仰坡總高度在10 ～15 m 以內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的隧道進(jìn)洞位置(明暗分界里程)。

(2)當(dāng)洞口存在偏壓或洞口地質(zhì)存在傾斜巖層，層理、片理結(jié)合較差存在軟弱面時，采用護(hù)拱結(jié)構(gòu)作為特殊輔助措施提前進(jìn)洞，盡量減少對洞口原始狀態(tài)的擾動。

(3)暗洞進(jìn)洞前，洞口及明洞臨時邊仰坡結(jié)合地質(zhì)情況采用錨桿、注漿錨管和網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行防護(hù)，永久邊仰坡結(jié)合地質(zhì)情況采用現(xiàn)澆混凝土骨架或錨桿框架梁進(jìn)行防護(hù)并綠化，同時與鄰近路基邊坡防護(hù)進(jìn)行順接。

1．3 輔助措施

考慮到洞口地表風(fēng)化侵蝕一般較為嚴(yán)重，加上提前進(jìn)洞造成的暗洞洞口附近覆蓋層大都較為淺薄，暗洞進(jìn)洞時拱部均要采用Φ108 mm 超前長管棚作為進(jìn)洞輔助措施。超前長管棚一般在拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)，在隧道暗洞開挖之前完成。為保證長管棚施工精度，設(shè)置混凝土導(dǎo)向墻，內(nèi)設(shè)2 榀I22a 工字鋼架，鋼架外緣設(shè)Φ140 mm 的導(dǎo)向鋼管，鋼管與鋼架焊接。導(dǎo)向墻截面尺寸為1 m×1 m，環(huán)向長度可根據(jù)具體工點(diǎn)實(shí)際情況確定，以保證其基礎(chǔ)穩(wěn)定性。普通洞口進(jìn)洞輔助措施設(shè)計如圖1、圖2 所示。

圖1 超前管棚設(shè)計圖(單位:mm)

圖2 護(hù)拱提前進(jìn)洞示意圖

2 特殊條件下洞口工程對策

2．1 特殊條件下洞口工程常見問題

在山區(qū)，盡管選線時已盡量繞避，洞口仍難免遇到危巖落石、巖堆、滑坡、順層、偏壓、淺埋、軟弱圍巖、陡坡進(jìn)洞等不良地質(zhì)問題，加上許多洞口風(fēng)化層較厚，地表水匯集且滲入較快，更加劇了洞口設(shè)計及施工的難度，“進(jìn)洞難”問題顯得更加突出。在進(jìn)洞過程中，往往發(fā)生山體大變形、開裂、滑塌，洞口巖土體松散失穩(wěn)破壞，導(dǎo)向墻斷裂，大管棚整體下沉，洞口初支鋼架扭曲變形、噴混凝土剝落，洞口預(yù)支護(hù)系統(tǒng)整體廢棄。

另一方面，施工單位對不良地質(zhì)洞口認(rèn)識不夠充分，為方便施工往往在洞口開辟泵房、便道、料場、蓄水池等臨時工程場地，進(jìn)一步擴(kuò)大對山體坡腳的切削，造成洞口仰坡大變形開裂滑塌，危及進(jìn)洞安全。

2．2 原因分析

在不良地質(zhì)洞口的進(jìn)洞施工中，很多洞口往往由于洞口邊仰坡產(chǎn)生大變形破壞而引發(fā)洞口段整體失穩(wěn)破壞。

由于洞口地段隧道覆蓋層一般很薄，隧道上方的巖土很難形成自承體系，加上不良地質(zhì)洞口巖土體存在飽水、軟弱、順層、巖堆等不利因素，粘聚力、剪切強(qiáng)度和承載力等巖土體指標(biāo)較低，自穩(wěn)能力差，地層垂直壓力增長快，開挖后的初期變形增長快。如果進(jìn)洞開挖和邊仰坡的支護(hù)強(qiáng)度剛度不夠或者支護(hù)不夠及時，很容易造成洞口圍巖應(yīng)力在短時間內(nèi)很快釋放，洞口山體巖土松弛脹裂，巖土體結(jié)構(gòu)完全松散破壞，邊仰坡大變形、貫通性開裂甚至整體滑塌。

2．3 技術(shù)對策

根據(jù)不良地質(zhì)洞口的力學(xué)分析，該類洞口的進(jìn)洞設(shè)計應(yīng)強(qiáng)調(diào)洞口山體圍巖變形的控制而不是圍巖變形的釋放，必須采用強(qiáng)度足夠高和剛度足夠大的預(yù)支護(hù)措施及洞內(nèi)支護(hù)措施，抓住開挖后的最有利時機(jī)，快速有效的限制土體初期變形，最大限度保證洞口土體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。在充分認(rèn)識洞口地質(zhì)特性基礎(chǔ)上，本著“寧強(qiáng)勿弱”的原則，進(jìn)行錨固樁、導(dǎo)向墻、護(hù)拱、大管棚、鋼花管注漿、預(yù)應(yīng)力錨索框架梁等工程措施的比選，確定綜合預(yù)加固體系，避免洞口變形失穩(wěn)風(fēng)險［4-8］。

依此，對不良地質(zhì)洞口，采取了如下設(shè)計應(yīng)對原則:

(1)重視洞口排水系統(tǒng)設(shè)計，臨時及永久排水系統(tǒng)應(yīng)與邊仰坡處理、場地布置、便道施工、橋隧路主體工程結(jié)合，統(tǒng)籌考慮。

(2)嚴(yán)格貫徹“零仰坡”進(jìn)洞理念，盡量順延山體坡度，盡量不擾動洞口段巖土體的穩(wěn)定，盡量不破壞洞口巖土體坡腳。

(3)在施組和輔助坑道條件允許下，盡量采取由洞內(nèi)向洞外倒退的方式出洞，以確保洞口安全，同時對洞口山體做好預(yù)加固體系設(shè)計，并要求出洞前首先對洞口山體進(jìn)行預(yù)加固施工。

(4)必須由外向內(nèi)進(jìn)洞時，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)地貌特點(diǎn)確定足夠強(qiáng)的預(yù)加固、超前加固體系設(shè)計方案，在施工順序設(shè)計上，要求先施作排水系統(tǒng)，再施作預(yù)加固系統(tǒng)和邊仰坡防護(hù)系統(tǒng)，并實(shí)施明洞和洞門結(jié)構(gòu)，以及早完成洞口切削坡腳回填，恢復(fù)洞口巖土體平衡狀態(tài)，然后再進(jìn)暗洞。

(5)對于偏壓地形可根據(jù)地形地貌情況采用填土反壓、減載、增設(shè)擋土墻或在偏壓側(cè)增設(shè)注漿鋼管排樁或錨固樁、抗滑樁以抵抗山體偏壓。對于洞口邊仰坡存在順層，則應(yīng)對順層邊仰坡綜合采用抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索框架梁等加固措施進(jìn)行加固。對于洞口位于滑坡體、堆積體地層，可根據(jù)滑坡體、堆積體的具體情況，綜合采用預(yù)應(yīng)力錨索，抗滑樁、地表注漿等對山體進(jìn)行預(yù)加固。尤其需要強(qiáng)調(diào)，錨固樁、抗滑樁具有剛度大、耐久性好、受力明確的優(yōu)點(diǎn)，在不良地質(zhì)洞口進(jìn)洞預(yù)加固措施中，應(yīng)優(yōu)先考慮使用，以確保高速鐵路洞口施工及運(yùn)營期間的安全。

(6)在對洞口山體預(yù)加固的同時，洞口附近暗洞的支護(hù)強(qiáng)度剛度必須足夠強(qiáng)，必要時可采取加密鋼架，邊墻仰拱鋼花管注漿等措施，“短進(jìn)尺，快封閉”，以控制洞口變形。

3 特殊條件下洞口工程實(shí)例

3．1 淺埋偏壓洞口進(jìn)洞設(shè)計方案

某隧道出口自然坡度31°左右，線路走向與等高線斜交約45°，偏壓嚴(yán)重，表層為粗角礫土，穩(wěn)定性差，洞口進(jìn)洞風(fēng)險較高，如圖3。

3．1．1 進(jìn)洞前暗洞段預(yù)加固措施設(shè)計

為平衡洞口暗洞段較嚴(yán)重的淺埋偏壓受力狀態(tài)，在洞口暗洞低山側(cè)，設(shè)置錨固樁以抵抗高山側(cè)山體的滑移變形，避免洞口暗洞結(jié)構(gòu)承受的過大的松弛壓力。錨固樁參數(shù)的確定根據(jù)實(shí)測山體地形及地質(zhì)巖土參數(shù)，按照抗滑樁的設(shè)計進(jìn)行計算，本洞口錨固樁參數(shù)為:自套拱結(jié)束里程處向洞身19 m 范圍內(nèi)在隧道中線外低山側(cè)11．50 m 處設(shè)置4 根樁長20 ～30 m 不等、截面2．0 m ×2．5 m 的錨固樁，樁間距5．0 m(中對中)，如圖4 所示。

圖3 某隧道洞口淺埋偏壓進(jìn)洞照片

圖4 洞口暗洞段錨固樁預(yù)加固橫斷面(單位:m)

3．1．2 明洞洞門段預(yù)加固設(shè)計

本洞口偏壓嚴(yán)重，宜接長明洞。明洞段開挖前，在高山側(cè)設(shè)置錨固樁，盡可能減少高山側(cè)邊坡的刷方，從而達(dá)到保證施工期間和運(yùn)營后洞口穩(wěn)定安全的目的。錨固樁參數(shù)如下:明洞段12 m 范圍內(nèi)距離線路左線中線5．37 m 處共設(shè)置3 根間距5 m(中對中)的錨固樁。錨固樁截面尺寸2．0 m ×3．0 m，長度為23 m，樁間采用邊坡注漿加固及網(wǎng)噴混凝土防護(hù)措施。明洞段預(yù)加固設(shè)計如圖5 所示。

3．1．3 “半明半暗”進(jìn)洞輔助措施設(shè)計

因明暗分界處拱部和低山側(cè)覆土很薄，設(shè)計中采用了“半明半暗”的護(hù)拱加耳墻保護(hù)下的出洞方式。先在隧道低山側(cè)施作耳墻結(jié)構(gòu)，再以耳墻作為基礎(chǔ)，施作縱向3 m 長的護(hù)拱與導(dǎo)向墻的結(jié)合結(jié)構(gòu)(護(hù)拱的高山側(cè)拱腳落于強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖上)，然后進(jìn)行超前大管棚的施工。所有輔助措施均施作完成后，最后在護(hù)拱和Φ108 mm 大管棚保護(hù)下采用三臺階臨時仰拱法逐榀暗挖出洞。護(hù)拱及耳墻設(shè)計如圖6 所示。

圖5 明洞段的預(yù)加固設(shè)計

圖6 明暗分界處橫斷面設(shè)計

3．2 堆積體類軟弱松散圍巖洞口進(jìn)洞設(shè)計方案

當(dāng)洞口位于巖堆、人工堆積體等厚度較大的松散體內(nèi)，或者洞口處全風(fēng)化松軟層厚度很大時，洞口段大變形整體失穩(wěn)風(fēng)險極高，工程樁結(jié)構(gòu)是進(jìn)洞不可缺少的輔助工程措施。

3．2．1 在明暗分界處布置抗滑樁的進(jìn)洞方案設(shè)計

某隧道洞口位于巖堆體上，塊石土厚度達(dá)13 ～15 m，結(jié)構(gòu)不均勻，整體較為松散，洞口斜坡穩(wěn)定性差，洞口初始風(fēng)險評估為極高。為防止進(jìn)洞開挖引發(fā)仰坡大變形整體失穩(wěn)，要求首先采取抗滑樁及地表注漿的預(yù)加固措施對洞口原始狀態(tài)坡體進(jìn)行加固，在預(yù)定導(dǎo)向墻左右兩側(cè)均設(shè)置3 根2．0 ×2．5 m 長度25 m的C35 鋼筋混凝土抗滑樁，同時在洞口隧道中線左右各20 m 內(nèi)，縱向40 m 內(nèi)采用1．5 m×1．5 m、L = 6 m 的Φ50 mm(t = 3．5 mm)鋼花管進(jìn)行地表注漿，漿液采用1∶ 1 水泥漿，注漿后結(jié)石體抗壓強(qiáng)度不小于1．0 MPa，結(jié)石率100%。預(yù)加固完成后，再進(jìn)行導(dǎo)向墻及40 mΦ108 mm 大管棚的施工，最后進(jìn)行暗挖施工。明暗分界處抗滑樁設(shè)計見圖7、圖8。

圖7 巖堆體明暗分界處預(yù)加固設(shè)計

圖8 巖堆體錨固樁輔助進(jìn)洞施工照片

3．2．2 導(dǎo)向墻與錨固樁結(jié)合的進(jìn)洞方案設(shè)計

當(dāng)洞口全風(fēng)化松軟層厚度很大時，導(dǎo)向墻底腳往往難以落到堅實(shí)的基礎(chǔ)上，很容易造成導(dǎo)向墻和大管棚整體下沉侵限，仰坡也因此開裂變形。采用錨固樁作為導(dǎo)向墻的基礎(chǔ)，樁、導(dǎo)向墻和大管棚作為一個受力整體，不僅能夠有效地限制洞口仰坡下滑變形，而且對進(jìn)洞時洞口暗洞開挖提供更可靠的保護(hù)。為確保軟弱地層樁孔施工安全，錨固樁應(yīng)采用鉆孔樁，洞口確實(shí)無場地時，可在采取充分安全措施下采用矩形樁。

某隧道洞身沖溝明挖段洞口位于20 世紀(jì)50 年代修建水利設(shè)施和人工造田的棄土堆積體上，棄土最厚達(dá)20 m 以上，填土結(jié)構(gòu)和厚度分布不均勻，未完全自重固結(jié)，整體破碎松散，具弱膨脹性，自穩(wěn)能力差。由于勘察階段未發(fā)現(xiàn)該地質(zhì)問題，導(dǎo)致進(jìn)洞不足5 m 就發(fā)生山體開裂移位(裂縫寬達(dá)20 ～30 cm)，導(dǎo)向墻和大管棚整體下沉侵限、洞口整體失穩(wěn)，圖9 為該洞口導(dǎo)向墻開裂滑移照片。

針對上述情況，在拆除原有導(dǎo)向墻和大管棚并反壓回填洞口基礎(chǔ)上，采取如下進(jìn)洞方案:

(1)明洞范圍調(diào)整及地表注漿。由于地勢較平坦，將明暗分界向山體方向推進(jìn)8 m，明洞長度由原25 m 調(diào)整為33 m。仰坡正面開裂松動區(qū)域采用15 cm 厚C25 網(wǎng)噴混凝土及6 m 長的Φ50(t = 5 mm)注漿鋼花管(1．5 m ×1．5 m)聯(lián)合防護(hù)。

(2)“導(dǎo)向墻與錨固樁結(jié)合”進(jìn)洞。明暗分界導(dǎo)向墻2 個底腳增加“L”型基礎(chǔ)，每個基礎(chǔ)下采用2 根Φ1．5 m 鉆孔樁，要求4 根鉆孔樁與導(dǎo)向墻同時采用C35 鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑，導(dǎo)向墻按加強(qiáng)梁進(jìn)行配筋設(shè)計并預(yù)留大管棚導(dǎo)向管，鉆孔樁按抗滑樁計算內(nèi)力進(jìn)行配筋并與導(dǎo)向墻進(jìn)行有效錨固;最后施做長度40 m 的Φ108 超前長管棚，在管棚保護(hù)下逐榀開挖進(jìn)洞。導(dǎo)向墻與錨固樁結(jié)合設(shè)計見圖10。

圖9 導(dǎo)向墻下沉開裂照片

圖10 導(dǎo)向墻與錨固樁結(jié)合進(jìn)洞設(shè)計

4 結(jié)語

(1)不良地質(zhì)條件下隧道洞口的進(jìn)(出)洞設(shè)計，應(yīng)本著“寧強(qiáng)勿弱”的設(shè)計理念，嚴(yán)格執(zhí)行“早進(jìn)晚出”、“趨自然狀態(tài)進(jìn)洞”原則，按照“先治水，再加固，再進(jìn)(出)洞”的設(shè)計要求，重點(diǎn)對進(jìn)(出)洞前洞口附近的綜合預(yù)加固體系進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計，嚴(yán)防洞口失穩(wěn)，確保順利進(jìn)(出)洞。

(2)進(jìn)(出)洞前的洞口預(yù)加固體系和超前支護(hù)體系的設(shè)計必須加強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際情況以抗滑樁、護(hù)拱、耳墻、導(dǎo)向墻、大管棚等強(qiáng)度剛度大、耐久性好且受力明確的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，作為保護(hù)進(jìn)(出)洞的主要工程措施;以地表注漿、預(yù)應(yīng)力錨索框架梁作為預(yù)加固結(jié)構(gòu)輔助措施。

(3)貫徹“零仰坡”和“護(hù)拱保護(hù)下提前進(jìn)洞”的設(shè)計理念，確定明暗分界位置，盡量不破壞洞口坡體原始狀態(tài)。

(4)在洞口預(yù)加固和超前加固結(jié)構(gòu)體系完成的前提下，應(yīng)盡量采用從洞內(nèi)向洞口由內(nèi)而外逐榀開挖支護(hù)的方式出洞。

［1］洪開榮． 山區(qū)高速公路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2011:57-61．

［2］TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］．

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