郭 瑞

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種交通設(shè)施的建設(shè)越來越多，特別是高速鐵路、客運(yùn)專線、高速公路的建設(shè)。為確保速度，對線路要求越來越高，部分隧道的進(jìn)洞條件也變得愈加復(fù)雜，高陡邊坡條件下的斜交進(jìn)洞［1-3］施工也越來越多。特別是黃土地質(zhì)條件下，自然邊坡較陡，在隧道施工作用下，極易發(fā)生坍塌、滑坡等事故。支護(hù)條件又較差，采用錨索、錨桿、抗滑樁等措施，往往工程造價(jià)較高，但效果卻不佳。本文對黃土地質(zhì)條件的高陡邊坡斜交進(jìn)洞技術(shù)展開探討。

2 工程概況

2.1 地形地貌

寶蘭客專南山堡隧道出口與董家莊隧道進(jìn)口之間為“V”字深切沖溝，V形溝與隧道斜交55°，溝底與坡頂高差97 m，山體綜合坡率約1∶0.5～1∶0.9。軌頂標(biāo)高與坡頂高差85 m。工程位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工程位置關(guān)系

2.2 地質(zhì)條件

溝心處地表層為（Q4）砂質(zhì)黃土，厚3～8 m，具四級自重濕陷；下部為第三系強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化泥巖。董家莊隧道進(jìn)口、南山堡出口地層自上而下為第三系砂質(zhì)黃土（Q3）、第三系弱風(fēng)化泥巖。隧道洞口段洞身位于砂質(zhì)黃土范圍內(nèi)。

2.3 工程設(shè)置

南山堡隧道全長3 472m，董家莊隧道全長285.7m，凈空采用設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km的標(biāo)準(zhǔn)隧道斷面。隧道開挖支護(hù)采用Ⅴe斷面，最大開挖寬度14.9 m，最大開挖高度12.6 m。兩隧道之間設(shè)計(jì)為長28 m的路基，隧道與路基斜交。為確保高鐵運(yùn)營安全，預(yù)防落石，在路基頂上設(shè)置40 cm厚鋼筋混凝土明洞。

2.4 工程特點(diǎn)

（1）隧道仰坡坡度較大，屬于高陡邊坡，且坡面為第三系砂質(zhì)黃土，邊坡穩(wěn)定性差。

（2）隧道與沖溝交角較大，按照設(shè)計(jì)圖紙采用斜交進(jìn)洞，進(jìn)洞條件極其惡劣。

3 處理方案研究與實(shí)施

3.1 備選方案

針對以上不良地質(zhì)條件及環(huán)境，為確保隧道安全進(jìn)洞，先后對三種方案進(jìn)行比選。

3.1.1 方案一——鋼筋混凝土洞門配抗滑樁、錨桿框格梁進(jìn)行綜合治理

（1）洞頂自然坡面略作修整，采用錨桿框格梁進(jìn)行防護(hù)。因洞頂覆蓋層以第四系泥巖為主，邊仰坡的自穩(wěn)能力較差，錨桿應(yīng)能滿足隧道開挖條件下沉降造成的失穩(wěn)，錨桿長度應(yīng)按照土質(zhì)邊坡加安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為確保邊坡穩(wěn)定，局部需采用預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固［4］。

（2）洞口兩側(cè)各設(shè)置2根矩形抗滑樁，抗滑樁截面為2.5m×3.5m。由于地面坡度較大，抗滑樁位于隧道左右側(cè)，凈距達(dá)25 m，很難有效約束樁間土體變形滑動(dòng)，而樁間土體在隧道正上方，變形最大。

（3）隧道斜交進(jìn)洞，洞口135°范圍內(nèi)施作混凝土套拱作為進(jìn)洞φ108大管棚超前支護(hù)導(dǎo)向墻，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法暗挖進(jìn)洞［5-6］。

（4）考慮邊仰坡較陡，為防止局部土體剝落至線路上方影響高鐵運(yùn)營安全，兩隧道間路基工程上部采用拱形防護(hù)明洞覆蓋。

（5）洞門處設(shè)置加強(qiáng)型鋼筋混凝土端翼墻進(jìn)行防護(hù)。

3.1.2 方案二—— 刷坡、拱形骨架

（1）自隧道仰拱頂面起，按照1∶1.25向邊仰坡方向放坡，8 m設(shè)置一級平臺(tái)，平臺(tái)寬2 m。平臺(tái)頂設(shè)置排水溝，坡面采取拱形骨架進(jìn)行防護(hù)。為加快進(jìn)度，進(jìn)洞前，坡面采取錨噴網(wǎng)臨時(shí)防護(hù)，該段二次襯砌完成后，逐步拆除錨噴支護(hù)，施作拱形骨架，開挖輪廓線外設(shè)置截水溝。

（2）隧道正交進(jìn)洞，洞口135°范圍內(nèi)施作混凝土套拱作為進(jìn)洞φ108大管棚超前支護(hù)導(dǎo)向墻，采用臺(tái)階法暗挖進(jìn)洞［7］。

3.1.3 方案三——加強(qiáng)套拱明暗結(jié)合方式

（1）對隧道坡面進(jìn)行整理，局部嚴(yán)重失穩(wěn)地段采用錨桿框格梁和錨噴網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)［8］。

（2）在洞外設(shè)置加強(qiáng)套拱，套拱起拱線以上部分為拱形鋼筋混凝土。根據(jù)地質(zhì)情況，為確保提供足夠反力，套拱起拱線以下部分采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，兼做墻部防護(hù)結(jié)構(gòu)。為保證受力均勻，上部采用冠梁連接。套拱緊貼坡面，與線路斜交，套拱采用C30鋼筋混凝土，套拱內(nèi)設(shè)置永久明洞（后施工）。套拱采用鉆孔樁基礎(chǔ)［9］，套拱按照縱向60 cm設(shè)置 25C型鋼拱架（斜交段后期與暗挖拱架連為一體），拱架位于混凝土內(nèi)側(cè)。

（3）洞口兩側(cè)各設(shè)置2根2.5 m×3.5 m矩形抗滑樁抵消坡面壓力。

（4）隧道采用明暗結(jié)合方式正交進(jìn)洞，φ108大管棚作為超前支護(hù)，套拱內(nèi)大管棚與工字鋼拱架焊接牢固，并通過大管棚將套拱和暗挖隧道連為一體［10］。套拱右側(cè)回填反壓，用土體反力抵消部分坡面壓力。

（5）套拱及洞口段初期支護(hù)完成后，適時(shí)施作明洞及二次襯砌。

3.2 方案比選

方案一由于坡面地質(zhì)主要為砂質(zhì)黃土，坡面構(gòu)造雖然單一，但錨桿框格梁較難發(fā)揮錨桿的抗拔力，需要較長錨桿或者錨索［11］；輔助抗滑樁雖然對該地質(zhì)條件有較強(qiáng)的針對性，但對于隧道洞身范圍內(nèi)沒有約束作用，且洞身因斜交影響范圍較大，針對性依然不足；洞門墻采用較厚鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，自身抗剪能力較強(qiáng)，但抗滑能力較弱。因此本方案費(fèi)用較高，且施工風(fēng)險(xiǎn)較大。一旦坡面或者洞內(nèi)發(fā)生沉降超標(biāo)、收斂超限等情況，無法采取有效措施。

方案二采用逐級刷坡，方案簡單，安全風(fēng)險(xiǎn)低，但土方開挖量極大，邊坡防護(hù)量大，且土方開挖后，棄方量較大，需另行選定棄渣場并進(jìn)行擋護(hù)、綠化，造價(jià)高，工期較長。

方案三利用邊坡的自穩(wěn)能力，在洞口位置設(shè)置臨時(shí)明洞（套拱），套拱與圍巖頂死。套拱下設(shè)置鉆孔樁，鉆孔樁與套拱之間用縱向鋼筋混凝土連接，套拱既利用自重和鉆孔樁反力在開挖范圍內(nèi)持續(xù)提供一定的反力作為邊仰坡穩(wěn)定的條件，又將臨時(shí)明洞（套拱）與暗挖支護(hù)結(jié)構(gòu)連成一體，在特殊條件下實(shí)現(xiàn)正交進(jìn)洞［12］。安全風(fēng)險(xiǎn)得到控制，造價(jià)和工期都得到較好地控制。

各方案造價(jià)及優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)對比分析

經(jīng)過對成本、工期、施工安全、質(zhì)量保證、后期運(yùn)營等方面進(jìn)行認(rèn)真對比分析，選定方案三作為最終施工方案。

3.3 方案原理及實(shí)施關(guān)鍵

由于黃土具有垂直節(jié)理發(fā)育自身穩(wěn)定條件比較差，在一定外力作用的條件下，常用的高陡邊坡加固措施（如錨索等加固手段）效果不明顯。因此在隧道施工過程中如何充分利用自穩(wěn)作用變得尤為重要，尤其是在隧道與山體斜交的情況下。

針對這種情況，采用套拱作為臨時(shí)明洞及洞頂回填土來抵消土體推力，通過套拱將上部荷載傳遞到套拱底部的鉆孔樁上，避免了隧道進(jìn)洞條件下，無法設(shè)置擋墻的弊端。并通過套拱及長管棚在開挖隧道周圍形成有效的三維反力系統(tǒng)，為隧道的開挖支護(hù)形成良好的條件。在開挖過程中，將支護(hù)中的鋼拱架和套拱中鋼拱架進(jìn)行有效連接，使暗挖隧道能有效形成整體，將荷載傳遞到套拱上，控制了暗挖風(fēng)險(xiǎn)，見圖2～圖4。

圖2 套拱平面布置

圖3 半明半暗斷面

圖4 套拱示意

3.4 施工順序

局部坡面處理及防護(hù)→抗滑樁施工→套拱鉆孔樁及冠梁施工→套拱鋼拱架施工→φ108大管棚施工→套拱鋼筋混凝土施工→套拱右側(cè)土方回填→暗挖施工→明洞及二襯施工。

3.5 施工工藝

（1）邊坡局部處理

搭設(shè)腳手架，對局部自然條件下不穩(wěn)定的邊坡進(jìn)行處理。處理以清除突出土體和局部錨噴支護(hù)為主，如局部坡度大于1∶0.5，適當(dāng)整修坡面后，采用錨桿框格梁進(jìn)行防護(hù)（框格采用噴射混凝土）。

（2）鉆孔灌注樁施工

平整場地，鉆機(jī)就位，在套拱基礎(chǔ)處施工鉆孔灌注樁，樁徑1.2m，間距2.4m。鉆孔采用旋挖鉆進(jìn)行。

（3）冠梁施工

鑿除樁頭，綁扎冠梁鋼筋，澆筑冠梁混凝土，混凝土內(nèi)預(yù)埋拱架連接鋼板，并預(yù)留套拱鋼筋。

（4）安裝套拱拱架、打設(shè)管棚。

采用 25鋼拱架，冠梁側(cè)與預(yù)埋鋼板連接牢固，靠近山體一側(cè)頂緊山體，用4根6 m長φ42鎖腳錨管將拱架端頭固定牢固。

半明半暗段拱架安裝完畢后，打設(shè)暗挖隧道φ108管棚，管棚長度L＝30 m。為提高強(qiáng)度及剛度，管棚設(shè)置鋼筋籠。管棚打設(shè)完成后，繼續(xù)安裝明洞段拱架，拱架安裝完成后，與管棚連接牢固。

（5）澆筑套拱混凝土

綁扎套拱鋼筋，與冠梁內(nèi)預(yù)留鋼筋按照規(guī)范要求進(jìn)行連接，鋼筋保護(hù)層厚度5 cm。鋼筋綁扎完畢后，掛模澆筑混凝土。混凝土澆筑完成后，對管棚進(jìn)行注漿。

（6）反壓回填

混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，在套拱右側(cè)及右側(cè)山體進(jìn)行反壓回填。反壓回填需逐級壓實(shí)，并按照1∶1放坡，坡面采用土袋堆碼。

（7）暗洞開挖

三臺(tái)階七步法進(jìn)行開挖，開挖時(shí)要盡快封閉成環(huán)，特別是左側(cè)拱腳，要加強(qiáng)鎖腳，以避免變形過大，暗挖拱架與明洞預(yù)留拱架連接牢固。開挖過程要做好監(jiān)控量測及數(shù)據(jù)分析，特別是左側(cè)周邊位移收斂。施工過程中要做好加固的應(yīng)急準(zhǔn)備，加固宜采用臨時(shí)橫撐及臨時(shí)仰拱。

（8）明洞及二襯施工

初支變形穩(wěn)定后，及時(shí)施作二次襯砌及套拱下明洞。施工采用液壓臺(tái)車進(jìn)行。

4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

施工過程中，按要求對南山堡隧道出口進(jìn)行洞內(nèi)周邊位移觀測、地表沉降觀測（數(shù)據(jù)見表2～表3，僅列舉典型斷面拱頂沉降、周邊收斂）。

表2 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

表3 端點(diǎn)坐標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)（周邊位移收斂）

5 結(jié)論

對于高陡邊坡條件下黃土隧道斜交進(jìn)洞采取鉆孔樁基礎(chǔ)的臨時(shí)明洞加明暗結(jié)合的方法，可以順利實(shí)現(xiàn)正交進(jìn)洞，有利于隧道受力條件的轉(zhuǎn)換。臨時(shí)明洞既可以有效抵抗邊坡土體壓力，又能實(shí)現(xiàn)正交進(jìn)洞，是一種值得推薦的高陡邊坡進(jìn)洞方案。