徐容 宋元平

作者簡(jiǎn)介：

徐 容（1981—），工程師，主要從事公路橋涵隧道設(shè)計(jì)工作;

宋元平（1983—），高級(jí)工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

為解決山嶺高速公路隧道傳統(tǒng)進(jìn)洞方法長(zhǎng)期存在的一些問(wèn)題，文章提出山嶺隧道進(jìn)洞設(shè)計(jì)及施工的新方法——引導(dǎo)進(jìn)洞法，分析了引導(dǎo)進(jìn)洞法中護(hù)拱的作用機(jī)理，并結(jié)合廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實(shí)例，介紹了引導(dǎo)進(jìn)洞法的實(shí)踐應(yīng)用情況。這一新的進(jìn)洞方法消除了傳統(tǒng)進(jìn)洞方法中的邊仰坡，在真正意義上實(shí)現(xiàn)零開(kāi)挖進(jìn)洞，并解決了零開(kāi)挖進(jìn)洞對(duì)洞口地形的普適性問(wèn)題。

引導(dǎo)進(jìn)洞法;護(hù)拱;邊仰坡;零開(kāi)挖進(jìn)洞

U455.4A391335

0 引言

隧道洞口施工往往需要刷坡開(kāi)挖，當(dāng)隧道洞口位置不佳時(shí)，如洞口位置巖石產(chǎn)狀為順層或偏壓較大等，傳統(tǒng)的隧道開(kāi)挖進(jìn)洞方法往往會(huì)破壞山體穩(wěn)定、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，而且處治困難，阻礙開(kāi)挖進(jìn)洞，嚴(yán)重時(shí)可能威脅施工安全，危及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全，并對(duì)環(huán)境造成破壞。開(kāi)挖卸載過(guò)大是洞口處地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的直接的也是主要的誘因，大刷大挖，導(dǎo)致產(chǎn)生了較高的邊坡、仰坡。意識(shí)到這一點(diǎn)，工程界提出了零開(kāi)挖進(jìn)洞的理念，但是由于傳統(tǒng)進(jìn)洞方法一般是先開(kāi)挖明洞槽，到適宜的樁號(hào)后（實(shí)質(zhì)上是認(rèn)為洞頂滿(mǎn)足一定覆蓋層厚度的樁號(hào)，便于大管棚等超前支護(hù)實(shí)施）方才進(jìn)入暗洞開(kāi)挖施工，而明洞槽的開(kāi)挖不可避免地產(chǎn)生了兩側(cè)的邊坡和暗洞上方的仰坡（暗洞樁號(hào)處開(kāi)挖端面垂直），當(dāng)洞口位置不好時(shí)，邊仰坡可能就比較高。鑒于此，往往只能通過(guò)盡量做到少開(kāi)挖，而零開(kāi)挖實(shí)際上必須借助有利的地形才能實(shí)現(xiàn)，如洞口前進(jìn)方向正前方的地形陡峭，這時(shí)可以取消明洞，直接進(jìn)洞，即這種情況下可以實(shí)現(xiàn)零開(kāi)挖進(jìn)洞。因此，可以看出對(duì)傳統(tǒng)的進(jìn)洞方法（筆者定義為“基槽開(kāi)挖進(jìn)洞法”）來(lái)說(shuō)，零開(kāi)挖進(jìn)洞屬于一種理想狀態(tài)，多數(shù)情況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)。時(shí)至今日，隧道洞口施工時(shí)，滑坡、塌方等災(zāi)害或事故依然時(shí)有發(fā)生，急需探索更加先進(jìn)的進(jìn)洞方法，此即是筆者提出引導(dǎo)進(jìn)洞法的背景和原因所在。

1 引導(dǎo)進(jìn)洞法

為了闡述引導(dǎo)進(jìn)洞法，筆者試圖通過(guò)對(duì)一實(shí)際隧道工程的某洞口進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，介紹新的設(shè)計(jì)方法，并剖析其與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的區(qū)別之處。

如圖1所示，洞口處的地形較為典型，進(jìn)洞條件也較好，不存在明顯偏壓，地形坡度較陡，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可選擇端墻式方案，如圖2、圖3所示。為了順利進(jìn)洞，在洞口段設(shè)置6 m長(zhǎng)明洞，而明洞施工首先需要開(kāi)挖基槽，邊仰坡采用放坡開(kāi)挖網(wǎng)噴支護(hù)的方法?；坶_(kāi)挖后，進(jìn)行套拱及超前大管棚施工，然后施工明洞，接著進(jìn)洞開(kāi)挖施工。傳統(tǒng)進(jìn)洞方法設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于進(jìn)洞樁號(hào)的選擇比較關(guān)鍵，通常在明洞規(guī)模、邊仰坡高度以及暗洞上方的覆蓋層厚度之間取得一個(gè)平衡。但無(wú)論如何，明洞基槽的開(kāi)挖始終會(huì)使得邊仰坡不可避免。

圖4、圖5為引導(dǎo)進(jìn)洞法的設(shè)計(jì)方案，之所以命名為“引導(dǎo)進(jìn)洞法”，是因?yàn)樵摲椒ㄔ诙纯谠O(shè)置護(hù)拱，并在護(hù)拱的防護(hù)和約束下，采用暗挖法進(jìn)洞施工，護(hù)拱的作用可以形象地理解為將隧道的開(kāi)挖施工從隧道的洞口邊界順利過(guò)渡到洞身段。不難看出，從隧道進(jìn)洞施工伊始，隧道自始至終為暗挖法施工，沒(méi)有洞外土石方開(kāi)挖，也就不會(huì)存在邊仰坡，即真正意義上實(shí)現(xiàn)了零開(kāi)挖進(jìn)洞。為方便比較論述，本方案洞口樁號(hào)與傳統(tǒng)進(jìn)洞方案保持一致，如圖4、圖5所示。

2 護(hù)拱的作用

護(hù)拱在隧道工程中有一些應(yīng)用，如半明半暗工法中的護(hù)拱。在引導(dǎo)進(jìn)洞法中，護(hù)拱的作用將是多方面的，而且是關(guān)鍵的、重要的：

（1）護(hù)拱下方土石方開(kāi)挖后，采用暗挖支護(hù)形式，即噴錨初襯+注漿錨桿（見(jiàn)圖6），較之明洞槽開(kāi)挖形成的邊仰坡掛網(wǎng)噴混支護(hù)方式（見(jiàn)圖11）更強(qiáng)、更可靠。在護(hù)拱輔助下開(kāi)挖面閉合成環(huán)，護(hù)拱下方兩側(cè)開(kāi)挖面采用噴錨支護(hù)，錨桿的選擇視地質(zhì)情況的好壞而確定，可選擇注漿小導(dǎo)管或藥卷錨桿等，洞口巖土較差時(shí)，可在噴混中設(shè)置鋼架加強(qiáng)支護(hù)。護(hù)拱及其上方的回填素混凝土提供足夠的壓重及約束，確保環(huán)形初襯的有效性。

為驗(yàn)證護(hù)拱的這一重要作用，按照是否考慮護(hù)拱作用，分兩種模式對(duì)引導(dǎo)進(jìn)洞段的初襯支護(hù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的對(duì)比計(jì)算分析。初襯結(jié)構(gòu)按照置于彈性地基的結(jié)構(gòu)物考慮，計(jì)算荷載取開(kāi)挖后護(hù)拱下方兩側(cè)的土石側(cè)壓力，并偏于安全的取拱腳部位的側(cè)壓力，計(jì)算參數(shù)按照《隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（第一冊(cè) 土建工程）》[1]表A.0.7-1取值，洞口按V級(jí)圍巖考慮，γ=19.5 kN/m3，φc=45°，可采用規(guī)范D.0.2-2式進(jìn)行計(jì)算，即式（1）：

e=γHtan2（45-φc2）（1）

式中：e——側(cè)向均布?jí)毫?

γ——巖土容重;

H——洞口段開(kāi)挖高度;

φc——圍巖計(jì)算摩擦角。

于是得式（2）：

e=19.5×8.9×tan245-452=29.78 kN/m （2）

為便于分析，左右兩側(cè)的側(cè)壓力按對(duì)稱(chēng)布置（即暫不考慮偏壓的影響）。護(hù)拱及其上方回填以壓重荷載的形式進(jìn)行考慮，取q=25×1.09=27.25 kN/m，地層彈性抗力系數(shù)取k=150 MPa/m。

分析結(jié)果如圖7～10所示：

由圖7～10可知，當(dāng)計(jì)算模型取消護(hù)拱壓重時(shí)初襯最大彎矩達(dá)到M1max=81 kN·m;而在有護(hù)拱作用的工況下，初襯最大彎矩僅為M2max=24 kN·m。計(jì)算結(jié)果表明，護(hù)拱的壓重和約束作用能明顯地改善初襯受力，并能有效控制兩側(cè)開(kāi)挖面的水平位移。

（2）護(hù)拱引導(dǎo)開(kāi)挖進(jìn)洞，并作為進(jìn)洞段襯砌澆筑的外模。護(hù)拱的設(shè)置對(duì)進(jìn)洞段的開(kāi)挖具有引導(dǎo)性，作用類(lèi)似于豎井井口的鎖口環(huán)梁。同時(shí)，引導(dǎo)進(jìn)洞段的初襯及二襯的施工均離不開(kāi)護(hù)拱的模板作用。

（3）進(jìn)洞開(kāi)挖之前，護(hù)拱及其上方的回填重量對(duì)原狀山坡坡腳能起到反壓作用，在一定程度上補(bǔ)償進(jìn)洞開(kāi)挖的卸載，也就增加了引導(dǎo)進(jìn)洞施工的安全系數(shù)。

（4）設(shè)置護(hù)拱后，洞口段開(kāi)挖均在護(hù)拱下方進(jìn)行，不受不良天氣的影響，這在雨季施工時(shí)將具有極大的優(yōu)越性。眾所周知，傳統(tǒng)的洞口施工方法在雨季開(kāi)挖明洞基槽時(shí)，若邊仰坡防護(hù)不及時(shí)、施工質(zhì)量達(dá)不到要求或邊仰坡較高時(shí)，極易因雨水的作用而產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。而引導(dǎo)進(jìn)洞法自始至終都是在暗挖的環(huán)境下施工的，自然能杜絕雨水的影響。

（5）在洞口偏壓較嚴(yán)重的情況下，護(hù)拱及其上方的回填將能平衡并抵御偏壓水平力的作用，促進(jìn)洞口山體的穩(wěn)定，這在偏壓地形洞口設(shè)計(jì)實(shí)例中得到了充分的體現(xiàn)。

3 引導(dǎo)進(jìn)洞法的特點(diǎn)

引導(dǎo)進(jìn)洞法的優(yōu)點(diǎn)或者說(shuō)其優(yōu)越性是顯而易見(jiàn)的，其優(yōu)點(diǎn)大多建立在護(hù)拱的作用機(jī)理上。具體而言，這種進(jìn)洞方法的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）消除了傳統(tǒng)洞口施工的邊仰坡，徹底實(shí)現(xiàn)零開(kāi)挖進(jìn)洞，有效普及零開(kāi)挖進(jìn)洞，其效益以及意義在隧道工程領(lǐng)域?qū)⑹欠浅？捎^(guān)的。因?yàn)檫^(guò)去邊仰坡開(kāi)挖而產(chǎn)生的滑坡坍塌等災(zāi)害將能得到有效抑制，工程實(shí)施的安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低了，零開(kāi)挖進(jìn)洞最大限度地保持了原有地形，更加環(huán)保。

如圖11所示，在典型的地形條件下，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，洞口段邊仰坡高度達(dá)到了17.33 m，暗洞正前方端面為豎直開(kāi)挖面，需要加強(qiáng)支護(hù)，永久邊仰坡高度則為6.08 m。明洞土石方開(kāi)挖方量約為1 200 m3，卸載重量見(jiàn)式（3）：

G=γV=19.0×1 200=22 800 kN（3）

開(kāi)挖卸載位于坡腳，一般該部位為邊坡的阻滑區(qū)段，卸載將導(dǎo)致邊坡阻滑力較大幅度減少。不難看出，傳統(tǒng)進(jìn)洞方法存在大規(guī)模開(kāi)挖卸載、刷坡，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率大大增加，這是國(guó)內(nèi)乃至世界上隧道工程洞口段事故時(shí)有發(fā)生的根本原因所在。

對(duì)比圖6，可以發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)進(jìn)洞法從一開(kāi)始就進(jìn)入了洞內(nèi)施工，完美地規(guī)避和杜絕了洞外邊仰坡的開(kāi)挖，其重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了進(jìn)洞段的暗挖支護(hù)方案的設(shè)計(jì)和施工，在護(hù)拱的作用下，其實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)較之傳統(tǒng)進(jìn)洞方案將小得多。

（2）進(jìn)洞施工不再受到雨季的不利影響，安全及工期均得到了有效的保障。

（3）護(hù)拱及回填能提供反壓荷載，補(bǔ)償進(jìn)洞開(kāi)挖的部分卸載，有利于山體穩(wěn)定。

（4）對(duì)洞口地形的適應(yīng)性強(qiáng)，地形越復(fù)雜，越能體現(xiàn)該方法的優(yōu)越性。對(duì)于嚴(yán)重偏壓地形，洞口的設(shè)計(jì)施工將同樣變得簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化，這是由引導(dǎo)進(jìn)洞法的本質(zhì)屬性決定的，即其設(shè)計(jì)施工方法的實(shí)質(zhì)乃是暗挖法。

關(guān)于引導(dǎo)進(jìn)洞法的造價(jià)及工期問(wèn)題，筆者認(rèn)為應(yīng)建立兩個(gè)基本概念：

（1）洞口造價(jià)相對(duì)隧道總體造價(jià)而言，占比非常小，基本不影響隧道總體造價(jià)。如果設(shè)計(jì)合理的話(huà)，引導(dǎo)進(jìn)洞法甚至可能較傳統(tǒng)進(jìn)洞法更經(jīng)濟(jì)。

（2）引導(dǎo)進(jìn)洞法在護(hù)拱及超前大管棚施工完成后即進(jìn)入暗洞施工，不需要進(jìn)行明洞槽的開(kāi)挖和明洞結(jié)構(gòu)的澆筑施工，而且不受雨季施工影響，因此能較大幅度節(jié)省工期，這在廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實(shí)施過(guò)程中得到了驗(yàn)證。

4 偏壓地形洞口設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例

在廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實(shí)施過(guò)程中，對(duì)引導(dǎo)進(jìn)洞法進(jìn)行了實(shí)踐。黃洞河二號(hào)隧道右線(xiàn)出口洞口存在嚴(yán)重偏壓，如果采用傳統(tǒng)進(jìn)洞方法將很難實(shí)施，除非能容忍大量開(kāi)挖，刷高邊坡，否則無(wú)法進(jìn)洞。但這不僅容易破壞環(huán)境，還存在極大的滑坡、坍塌等潛在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)杜絕這種方案。如果采用前文提出的引導(dǎo)進(jìn)洞法，將使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單，可以比較滿(mǎn)意地解決這個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)零開(kāi)挖進(jìn)洞。

如圖12所示，偏壓較大的情況下，在護(hù)拱左下角設(shè)置素混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，而擴(kuò)大基礎(chǔ)可起到抑制沉降及抵抗偏壓下滑力的作用。偏壓一側(cè)（圖中左側(cè)）護(hù)拱外側(cè)的素混凝土回填加厚，并以適宜傾角傾斜，其作用相當(dāng)于偏壓擋墻，護(hù)拱、回填素混凝土及擴(kuò)

大基礎(chǔ)共同抵抗偏壓水平力。從圖12中可以看出，采用引導(dǎo)進(jìn)洞法后，直接可以實(shí)現(xiàn)零開(kāi)挖進(jìn)洞，而護(hù)拱及回填提供了足夠的防護(hù);暗挖進(jìn)洞時(shí)，右側(cè)開(kāi)挖面可考慮采用預(yù)應(yīng)力錨桿與中空注漿錨桿相結(jié)合的方式加強(qiáng)支護(hù)，初襯中增加設(shè)置型鋼鋼架，可確保安全實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于山嶺鉆爆法隧道，引導(dǎo)進(jìn)洞法較之傳統(tǒng)進(jìn)洞方法具有多項(xiàng)優(yōu)越性，最突出的一個(gè)方面是不需要開(kāi)挖刷坡即可進(jìn)洞，從真正意義上實(shí)現(xiàn)普適的零開(kāi)挖進(jìn)洞，既環(huán)保，又能有效避免發(fā)生滑坡及坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，安全性高。此外還具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

（1）隧道洞口施工不受雨季施工影響。

（2）對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于各種復(fù)雜地形，即每一個(gè)洞口都可以做到零開(kāi)挖進(jìn)洞。特別對(duì)于大偏壓地形，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。

（3）節(jié)省工期，綜合效益好。

綜上所述，引導(dǎo)進(jìn)洞法值得大力推廣應(yīng)用。

[1]JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（第一冊(cè)土建工程）[S].

[2]關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2003.