徐容 宋元平

作者簡介：

徐 容（1981—），工程師，主要從事公路橋涵隧道設計工作;

宋元平（1983—），高級工程師，主要從事地下結構設計工作。

為解決山嶺高速公路隧道傳統(tǒng)進洞方法長期存在的一些問題，文章提出山嶺隧道進洞設計及施工的新方法——引導進洞法，分析了引導進洞法中護拱的作用機理，并結合廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實例，介紹了引導進洞法的實踐應用情況。這一新的進洞方法消除了傳統(tǒng)進洞方法中的邊仰坡，在真正意義上實現零開挖進洞，并解決了零開挖進洞對洞口地形的普適性問題。

引導進洞法;護拱;邊仰坡;零開挖進洞

U455.4A391335

0 引言

隧道洞口施工往往需要刷坡開挖，當隧道洞口位置不佳時，如洞口位置巖石產狀為順層或偏壓較大等，傳統(tǒng)的隧道開挖進洞方法往往會破壞山體穩(wěn)定、誘發(fā)地質災害，而且處治困難，阻礙開挖進洞，嚴重時可能威脅施工安全，危及長期運營安全，并對環(huán)境造成破壞。開挖卸載過大是洞口處地質災害發(fā)生的直接的也是主要的誘因，大刷大挖，導致產生了較高的邊坡、仰坡。意識到這一點，工程界提出了零開挖進洞的理念，但是由于傳統(tǒng)進洞方法一般是先開挖明洞槽，到適宜的樁號后（實質上是認為洞頂滿足一定覆蓋層厚度的樁號，便于大管棚等超前支護實施）方才進入暗洞開挖施工，而明洞槽的開挖不可避免地產生了兩側的邊坡和暗洞上方的仰坡（暗洞樁號處開挖端面垂直），當洞口位置不好時，邊仰坡可能就比較高。鑒于此，往往只能通過盡量做到少開挖，而零開挖實際上必須借助有利的地形才能實現，如洞口前進方向正前方的地形陡峭，這時可以取消明洞，直接進洞，即這種情況下可以實現零開挖進洞。因此，可以看出對傳統(tǒng)的進洞方法（筆者定義為“基槽開挖進洞法”）來說，零開挖進洞屬于一種理想狀態(tài)，多數情況下無法實現。時至今日，隧道洞口施工時，滑坡、塌方等災害或事故依然時有發(fā)生，急需探索更加先進的進洞方法，此即是筆者提出引導進洞法的背景和原因所在。

1 引導進洞法

為了闡述引導進洞法，筆者試圖通過對一實際隧道工程的某洞口進行對比設計，介紹新的設計方法，并剖析其與傳統(tǒng)設計方法的區(qū)別之處。

如圖1所示，洞口處的地形較為典型，進洞條件也較好，不存在明顯偏壓，地形坡度較陡，按照傳統(tǒng)設計方法，可選擇端墻式方案，如圖2、圖3所示。為了順利進洞，在洞口段設置6 m長明洞，而明洞施工首先需要開挖基槽，邊仰坡采用放坡開挖網噴支護的方法。基槽開挖后，進行套拱及超前大管棚施工，然后施工明洞，接著進洞開挖施工。傳統(tǒng)進洞方法設計時對于進洞樁號的選擇比較關鍵，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平衡。但無論如何，明洞基槽的開挖始終會使得邊仰坡不可避免。

圖4、圖5為引導進洞法的設計方案，之所以命名為“引導進洞法”，是因為該方法在洞口設置護拱，并在護拱的防護和約束下，采用暗挖法進洞施工，護拱的作用可以形象地理解為將隧道的開挖施工從隧道的洞口邊界順利過渡到洞身段。不難看出，從隧道進洞施工伊始，隧道自始至終為暗挖法施工，沒有洞外土石方開挖，也就不會存在邊仰坡，即真正意義上實現了零開挖進洞。為方便比較論述，本方案洞口樁號與傳統(tǒng)進洞方案保持一致，如圖4、圖5所示。

2 護拱的作用

護拱在隧道工程中有一些應用，如半明半暗工法中的護拱。在引導進洞法中，護拱的作用將是多方面的，而且是關鍵的、重要的：

（1）護拱下方土石方開挖后，采用暗挖支護形式，即噴錨初襯+注漿錨桿（見圖6），較之明洞槽開挖形成的邊仰坡掛網噴混支護方式（見圖11）更強、更可靠。在護拱輔助下開挖面閉合成環(huán)，護拱下方兩側開挖面采用噴錨支護，錨桿的選擇視地質情況的好壞而確定，可選擇注漿小導管或藥卷錨桿等，洞口巖土較差時，可在噴混中設置鋼架加強支護。護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。

為驗證護拱的這一重要作用，按照是否考慮護拱作用，分兩種模式對引導進洞段的初襯支護進行簡要的對比計算分析。初襯結構按照置于彈性地基的結構物考慮，計算荷載取開挖后護拱下方兩側的土石側壓力，并偏于安全的取拱腳部位的側壓力，計算參數按照《隧道設計規(guī)范（第一冊 土建工程）》[1]表A.0.7-1取值，洞口按V級圍巖考慮，γ=19.5 kN/m3，φc=45°，可采用規(guī)范D.0.2-2式進行計算，即式（1）：

e=γHtan2（45-φc2）（1）

式中：e——側向均布壓力;

γ——巖土容重;

H——洞口段開挖高度;

φc——圍巖計算摩擦角。

于是得式（2）：

e=19.5×8.9×tan245-452=29.78 kN/m （2）

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

分析結果如圖7～10所示：

由圖7～10可知，當計算模型取消護拱壓重時初襯最大彎矩達到M1max=81 kN·m;而在有護拱作用的工況下，初襯最大彎矩僅為M2max=24 kN·m。計算結果表明，護拱的壓重和約束作用能明顯地改善初襯受力，并能有效控制兩側開挖面的水平位移。

（2）護拱引導開挖進洞，并作為進洞段襯砌澆筑的外模。護拱的設置對進洞段的開挖具有引導性，作用類似于豎井井口的鎖口環(huán)梁。同時，引導進洞段的初襯及二襯的施工均離不開護拱的模板作用。

（3）進洞開挖之前，護拱及其上方的回填重量對原狀山坡坡腳能起到反壓作用，在一定程度上補償進洞開挖的卸載，也就增加了引導進洞施工的安全系數。

（4）設置護拱后，洞口段開挖均在護拱下方進行，不受不良天氣的影響，這在雨季施工時將具有極大的優(yōu)越性。眾所周知，傳統(tǒng)的洞口施工方法在雨季開挖明洞基槽時，若邊仰坡防護不及時、施工質量達不到要求或邊仰坡較高時，極易因雨水的作用而產生滑坡災害。而引導進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）在洞口偏壓較嚴重的情況下，護拱及其上方的回填將能平衡并抵御偏壓水平力的作用，促進洞口山體的穩(wěn)定，這在偏壓地形洞口設計實例中得到了充分的體現。

3 引導進洞法的特點

引導進洞法的優(yōu)點或者說其優(yōu)越性是顯而易見的，其優(yōu)點大多建立在護拱的作用機理上。具體而言，這種進洞方法的優(yōu)點如下：

（1）消除了傳統(tǒng)洞口施工的邊仰坡，徹底實現零開挖進洞，有效普及零開挖進洞，其效益以及意義在隧道工程領域將是非?？捎^的。因為過去邊仰坡開挖而產生的滑坡坍塌等災害將能得到有效抑制，工程實施的安全風險大大降低了，零開挖進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)設計方法，洞口段邊仰坡高度達到了17.33 m，暗洞正前方端面為豎直開挖面，需要加強支護，永久邊仰坡高度則為6.08 m。明洞土石方開挖方量約為1 200 m3，卸載重量見式（3）：

G=γV=19.0×1 200=22 800 kN（3）

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

對比圖6，可以發(fā)現，引導進洞法從一開始就進入了洞內施工，完美地規(guī)避和杜絕了洞外邊仰坡的開挖，其重點轉移到了進洞段的暗挖支護方案的設計和施工，在護拱的作用下，其實施的風險較之傳統(tǒng)進洞方案將小得多。

（2）進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）護拱及回填能提供反壓荷載，補償進洞開挖的部分卸載，有利于山體穩(wěn)定。

（4）對洞口地形的適應性強，地形越復雜，越能體現該方法的優(yōu)越性。對于嚴重偏壓地形，洞口的設計施工將同樣變得簡單化、標準化，這是由引導進洞法的本質屬性決定的，即其設計施工方法的實質乃是暗挖法。

關于引導進洞法的造價及工期問題，筆者認為應建立兩個基本概念：

（1）洞口造價相對隧道總體造價而言，占比非常小，基本不影響隧道總體造價。如果設計合理的話，引導進洞法甚至可能較傳統(tǒng)進洞法更經濟。

（2）引導進洞法在護拱及超前大管棚施工完成后即進入暗洞施工，不需要進行明洞槽的開挖和明洞結構的澆筑施工，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施過程中得到了驗證。

4 偏壓地形洞口設計中的應用實例

在廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實施過程中，對引導進洞法進行了實踐。黃洞河二號隧道右線出口洞口存在嚴重偏壓，如果采用傳統(tǒng)進洞方法將很難實施，除非能容忍大量開挖，刷高邊坡，否則無法進洞。但這不僅容易破壞環(huán)境，還存在極大的滑坡、坍塌等潛在風險，應杜絕這種方案。如果采用前文提出的引導進洞法，將使問題變得簡單，可以比較滿意地解決這個問題，實現零開挖進洞。

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

大基礎共同抵抗偏壓水平力。從圖12中可以看出，采用引導進洞法后，直接可以實現零開挖進洞，而護拱及回填提供了足夠的防護;暗挖進洞時，右側開挖面可考慮采用預應力錨桿與中空注漿錨桿相結合的方式加強支護，初襯中增加設置型鋼鋼架，可確保安全實施。

5 結語

對于山嶺鉆爆法隧道，引導進洞法較之傳統(tǒng)進洞方法具有多項優(yōu)越性，最突出的一個方面是不需要開挖刷坡即可進洞，從真正意義上實現普適的零開挖進洞，既環(huán)保，又能有效避免發(fā)生滑坡及坍塌等地質災害，安全性高。此外還具有多項優(yōu)點：

（1）隧道洞口施工不受雨季施工影響。

（2）對地形適應性強，可適用于各種復雜地形，即每一個洞口都可以做到零開挖進洞。特別對于大偏壓地形，更能體現其優(yōu)越性。

（3）節(jié)省工期，綜合效益好。

綜上所述，引導進洞法值得大力推廣應用。

[1]JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規(guī)范（第一冊土建工程）[S].

[2]關寶樹.隧道工程施工要點集（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2003.