姜 波， 卿韋宸， 朱 勇， 喻 渝

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

洞口段不僅是隧道最易受到自然災(zāi)害影響的段落，也是施工中最易發(fā)生坍方等事故的部位之一，對(duì)施工及運(yùn)營(yíng)有著至關(guān)重要的作用。隧道設(shè)計(jì)中，洞口的設(shè)計(jì)經(jīng)歷“晚進(jìn)早出”，到“早進(jìn)晚出”的理念轉(zhuǎn)變，一般地段隧道洞門(mén)形式趨向于采用與地貌、自然環(huán)境相結(jié)合的無(wú)仰坡洞門(mén)形式。

徐前衛(wèi)等[1]對(duì)淺埋偏壓隧道進(jìn)洞施工開(kāi)展了三維數(shù)值模擬，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了施工對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。達(dá)曉偉[2]等建立三維仿真模型，研究了隧道開(kāi)挖對(duì)邊、仰坡的影響,優(yōu)化了隧道進(jìn)洞方案；余俊[3]等建立隧道開(kāi)挖三維有限元計(jì)算模型, 研究了松散地層隧道進(jìn)洞段管棚注漿加固效應(yīng)；張廣乾等[4]結(jié)合實(shí)際工程研究了雙層注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)在隧道洞口施工中作用；陳小勇等[5]結(jié)合鐵寨子1號(hào)隧道工程實(shí)例，提出了在淺埋偏壓、復(fù)雜地質(zhì)條件下采用明拱暗墻法進(jìn)洞施工技術(shù)。

近年來(lái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，一般的無(wú)仰坡進(jìn)洞已無(wú)法滿足特殊地質(zhì)條件下洞口施工及運(yùn)營(yíng)安全要求，進(jìn)洞前往往需要先對(duì)洞口坡面進(jìn)行加固、采用回填暗挖或接長(zhǎng)明洞等進(jìn)行防護(hù)和進(jìn)洞方能保證工程安全。本文以西部艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路修建為背景，針對(duì)性地給出了穿越高仰邊坡和巖堆、滑坡等不穩(wěn)定體的典型進(jìn)洞技術(shù)。

1 艱險(xiǎn)山區(qū)隧道洞口地質(zhì)環(huán)境特征

艱險(xiǎn)山區(qū)一般是指地形切割強(qiáng)烈，重力型不良地質(zhì)發(fā)育區(qū)域，往往呈現(xiàn)如下特征：

(1)地形艱險(xiǎn)，坡面高陡。艱險(xiǎn)山區(qū)，強(qiáng)烈的地形切割，地表高差達(dá)幾百甚至上千米。洞口位置若選在穩(wěn)定的地層范圍，導(dǎo)致邊仰坡刷坡會(huì)一坡到頂，加之地形偏壓，造成洞口進(jìn)洞困難、防護(hù)范圍大、洞口施工場(chǎng)地布置受限。

(2)重力型不良地質(zhì)發(fā)育。高陡仰坡段一般受到嚴(yán)重危巖落石影響，因此，在其下部緩坡地段設(shè)置的洞口往往處于重力型不良地質(zhì)影響范圍，甚至受巖堆、滑坡等影響。

(3)承載功能多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。艱險(xiǎn)山區(qū)隧線比高，線路出露段短，多種工程往往需在較小的場(chǎng)地范圍內(nèi)集中設(shè)置，相鄰工程交叉嚴(yán)重，導(dǎo)致隧道洞口承擔(dān)更多的功能，造成隧道跨度增大、附屬構(gòu)筑物多等，在多種組合及不良地質(zhì)條件下，對(duì)洞口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高要求。

2 陡坡進(jìn)洞技術(shù)

陡坡地形洞口往往是指隧道洞口設(shè)于坡度大于35 °的坡面。隧道在開(kāi)挖進(jìn)洞時(shí)，難以避免切削山體坡腳，破壞了山體原有平衡。在陡坡地形段，由于開(kāi)挖臨空面更高，極可能造成坡面失穩(wěn)。根據(jù)洞口與地形等高線的相交關(guān)系，可以細(xì)分為兩種類(lèi)型，一種是正交地形進(jìn)洞——隧道洞軸基本垂直等高線的，另一種是斜交地形進(jìn)洞——即洞軸線與等高線呈一定角度相交。兩種條件邊坡受力有較大不同因此處理措施上也有較大區(qū)別。

2.1 正交地形進(jìn)洞

艱險(xiǎn)山區(qū)往往自然坡面陡峻，一旦洞口刷坡，往往刷坡高度較高，甚至將整個(gè)山頭切削。因此，為保護(hù)原始地表，盡可能避免仰坡刷坡，宜在零仰坡處設(shè)置隧道明暗分界，并且采用以下工程措施：

(1)明暗分界預(yù)加固，開(kāi)挖明暗分界掌子面前，根據(jù)邊坡穩(wěn)定性分級(jí)，確定開(kāi)挖坡面防護(hù)措施，當(dāng)圍巖軟弱時(shí)，應(yīng)對(duì)洞口拉槽范圍邊坡及暗洞范圍設(shè)置預(yù)加固樁。采用預(yù)加固樁加固后可以適當(dāng)提高刷坡坡率，減少開(kāi)挖范圍，保護(hù)原始地表。

(2)管棚超前支護(hù)，為保證暗洞開(kāi)挖穩(wěn)定，洞口段應(yīng)設(shè)置超前大管棚支護(hù)，大管棚的導(dǎo)向墻基礎(chǔ)可與明暗分界預(yù)加固樁固結(jié)。

成蘭鐵路躍龍門(mén)隧道出口即屬于較為典型的陡坡進(jìn)洞工點(diǎn)，其所在自然坡面受侵蝕切割形成不對(duì)稱“V”型谷，隧道選擇基本正交等高線進(jìn)洞，但由于坡面下切極陡，設(shè)計(jì)采用6根50 m長(zhǎng)度的錨索樁對(duì)岸坡進(jìn)行加固，樁截面達(dá)到了5.0 m×4.0 m，同時(shí)為保證隧道開(kāi)挖直立面及橋臺(tái)開(kāi)挖，還設(shè)置了多根預(yù)加固樁進(jìn)行局部防護(hù)，從而保證了陡坡切削坡腳開(kāi)挖時(shí)的安全，如圖1所示。

圖1 典型陡坡進(jìn)洞方案

2.2 陡坡偏壓地形進(jìn)洞技術(shù)

陡坡偏壓地形的進(jìn)洞安全風(fēng)險(xiǎn)較地形正交陡坡洞口相比大，這是由于地形偏壓，開(kāi)挖后洞口段處于半暗半明的開(kāi)挖狀態(tài)，一方面，側(cè)邊山體失去支撐穩(wěn)定性差；另一方面，隧道外露支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于無(wú)地層的約束，受力條件差。因此，極端不對(duì)稱的受力條件使隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更復(fù)雜，而采用全隧暗洞進(jìn)洞，靠山側(cè)刷坡方量可能非常大。因此偏壓地形更應(yīng)強(qiáng)調(diào)零仰坡進(jìn)洞，而要實(shí)現(xiàn)零仰(邊)坡進(jìn)洞就需要?jiǎng)?chuàng)造零仰坡進(jìn)洞條件，達(dá)到既對(duì)山體進(jìn)行支撐又對(duì)隧道支護(hù)有約束的效果。常見(jiàn)陡坡偏壓地形進(jìn)洞技術(shù)主要有護(hù)拱進(jìn)洞，反壓回填進(jìn)洞，斜交進(jìn)洞等。

2.2.1 護(hù)拱進(jìn)洞

護(hù)拱顧名思義就是對(duì)于偏壓段山外側(cè)隧道外露支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置拱形約束支撐結(jié)構(gòu)。圖2為典型護(hù)拱斷面，設(shè)置護(hù)拱進(jìn)洞主要要點(diǎn)如下。

(1)護(hù)拱進(jìn)洞，適合偏壓段較短，局部覆蓋薄或洞身露背段，若段落過(guò)長(zhǎng)則會(huì)造成暗洞側(cè)超前支護(hù)難以設(shè)置等問(wèn)題。

(2)護(hù)拱應(yīng)設(shè)置在牢固的地基上，當(dāng)?shù)鼗休d力不足時(shí)，可采用鋼管樁或預(yù)加固樁進(jìn)行加固，提高地基承載力或由樁基承載。

圖2 典型護(hù)拱斷面

(3)設(shè)置護(hù)拱段，仍不能忽視坡面穩(wěn)定性問(wèn)題，必要時(shí)應(yīng)對(duì)山體采用預(yù)加固樁進(jìn)行加固。利用預(yù)加固樁可以對(duì)山側(cè)坡面收坡，減少地表破壞。同時(shí)可利用錨桿將護(hù)拱錨固于山體，或者設(shè)置連接筋將護(hù)拱與預(yù)加固樁樁身連接。

(4)護(hù)拱一般采用混凝土結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，護(hù)拱與隧道主體支護(hù)結(jié)構(gòu)宜分離設(shè)置。設(shè)置護(hù)拱段的隧道，二次襯砌應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)，靠山側(cè)初期支護(hù)應(yīng)加強(qiáng)錨固。

2.2.2 反壓回填進(jìn)洞

所謂反壓回填進(jìn)洞，即在偏壓地形外側(cè)堆載，通過(guò)人造地形改變?cè)珘旱匦螤顟B(tài)，將明挖進(jìn)洞調(diào)整為暗挖進(jìn)洞，確保坡面穩(wěn)定，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。只要反壓回填具備足夠的厚度，不僅能給偏壓山體提供足夠的支撐，還能與原始山體一起形成自承拱，大大改善偏壓地形段隧道結(jié)構(gòu)受力。采用反壓回填進(jìn)洞要點(diǎn)如下：

(1)采用反壓回填進(jìn)洞，一般需放坡回填，因此設(shè)置反壓回填的洞口外側(cè)坡腳與洞身高程的高差不宜過(guò)大，否則回填工程量太大，同時(shí)還可能造成回填體自身失穩(wěn)的問(wèn)題。

(2)回填材料一般采用水泥土，也可采用漿砌片石等其他方式?；靥钇履_應(yīng)設(shè)置擋護(hù)措施，并逐層回填壓實(shí)，一般回填至覆蓋隧道拱頂2 m以上高度。

(3)反壓回填后，同樣不能忽視山體坡面穩(wěn)定性問(wèn)題，必要時(shí)應(yīng)對(duì)山體采用預(yù)加固樁進(jìn)行加固，以進(jìn)一步減少山體推力。

(4)采用反壓回填時(shí)，對(duì)地基承載力和穩(wěn)定性要進(jìn)行檢算評(píng)估。必要時(shí)應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，注意防止回填土過(guò)大或下沉。

(5)回填反壓前應(yīng)做好防排水系統(tǒng)。

(6)反壓回填段，隧道初期支護(hù)及二次襯砌均應(yīng)加強(qiáng)。圖3為隧道洞口典型反壓回填進(jìn)洞示意圖。

圖3 典型反壓回填進(jìn)洞方案

2.2.3 斜交進(jìn)洞技術(shù)

當(dāng)隧道位置與山體坡腳高差大或者臨河偏壓時(shí)，若采用反壓回填可能存在填方量極大或回填體將侵占河道等問(wèn)題；若直接明挖，則靠山側(cè)開(kāi)挖量極大，可能破壞山體整體穩(wěn)定性，因此，在地層條件較好，必要時(shí)可采用斜交進(jìn)洞的方式。這時(shí)明暗分界、洞門(mén)結(jié)構(gòu)與線路斜交，但與山體等高線正交，工程相對(duì)簡(jiǎn)單且能大幅度減少開(kāi)挖量。采用斜交進(jìn)洞的方式要點(diǎn)如下：

(1)采用斜交方式進(jìn)洞，斜交角度(與線路夾角)越小，則斜交段越長(zhǎng)，對(duì)坡面穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)受力越不利。斜交角度一般不小于45 °。

(2)斜井方式對(duì)原山體無(wú)反壓或支撐效果，對(duì)山體穩(wěn)定性起不到加強(qiáng)效果，應(yīng)對(duì)原山體采用錨桿、注漿或預(yù)加固樁進(jìn)行加固防護(hù)。

(3)斜交洞口隧道開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)，對(duì)斜交洞口鋼架排布一般有斜交間距漸變或者斜交搭接兩種方式，如圖4所示。兩者各有優(yōu)勢(shì)，前者鋼架可以逐榀成環(huán)，受力條件更簡(jiǎn)單合理，但存在一側(cè)鋼架過(guò)密給噴混凝土等其他支護(hù)設(shè)置帶來(lái)困難，而后者克服了漸變間距的缺點(diǎn)，但需對(duì)鋼架搭接處進(jìn)行加強(qiáng)，受力更復(fù)雜，工藝要求更高。

圖4 斜交洞口兩種鋼架設(shè)置方式

(4)斜交洞口隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力需專門(mén)檢算，宜將洞口一段的襯砌作為整體檢算，檢算長(zhǎng)度可以根據(jù)斜交角度和山體覆蓋層厚度確定，一般情況可按二倍斜交段長(zhǎng)度確定。

3 穿越不穩(wěn)定體進(jìn)洞技術(shù)

洞口位于如巖堆、滑坡等不穩(wěn)定體時(shí)，應(yīng)對(duì)隧道洞口穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并對(duì)洞口采取加固措施。

3.1 預(yù)加固樁加固方法

在不穩(wěn)定體中進(jìn)洞，需要先采取措施保證洞口仰坡穩(wěn)定再行開(kāi)挖。圖5為洞口預(yù)加固樁縱斷面圖，加固的主要工序及工藝如下：

(1)隧道明洞與暗洞的分界斷面設(shè)置一排錨固樁保證軟弱地層的穩(wěn)定性，其中洞身范圍采用玻璃纖維樁。

(2)開(kāi)挖施工大管棚導(dǎo)向墻及大管棚。

(3)開(kāi)挖明洞段，施作明洞并及時(shí)施工明洞回填。

(4)明洞段施作完成后，截?cái)嗖ＡЮw維樁暗挖進(jìn)洞。

圖5 預(yù)加固樁洞口加固縱斷面

3.2 樁基托梁護(hù)拱加固方法

當(dāng)潛在滑動(dòng)面較深時(shí)，可采用樁基托梁護(hù)拱加固設(shè)計(jì)方法。樁基托梁護(hù)拱加固法縱斷面布置見(jiàn)圖6。

該方法主要工序及工藝：

(1)開(kāi)挖及樁施工，隧道洞口兩側(cè)小范圍開(kāi)挖形成樁基施作平臺(tái)，樁基采用旋挖鉆施工，減少噪音及施工振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境及軟弱圍巖的影響。樁基頂部采用托梁連接，提高樁梁結(jié)構(gòu)縱向剛度。

(2)導(dǎo)向墻及大管棚，大管棚導(dǎo)向墻基礎(chǔ)置于樁基托梁之上，施作大管棚超前支護(hù)預(yù)加固隧道暗洞前方軟弱圍巖。樁基托梁頂部設(shè)置護(hù)拱，護(hù)拱后緣頂緊導(dǎo)向墻。

(3)洞口明洞施工，護(hù)拱外側(cè)反壓回填土石與仰坡坡面平順連接，為仰坡坡腳提供支撐反力，能有效控制軟弱圍巖仰坡沿層間下滑，控制仰坡豎向及水平位移。回填反壓荷載通過(guò)護(hù)拱及托梁傳遞至樁基，由樁基托梁及護(hù)拱承載大部分回填荷載，減少了明洞承擔(dān)荷載比例，保證了明洞沉降要求。

樁基托梁、護(hù)拱、明洞及明洞回填施作完成后，方可開(kāi)挖隧道上半斷面暗挖進(jìn)洞，此時(shí)仰坡下滑荷載承擔(dān)主體由明洞范圍內(nèi)土石轉(zhuǎn)換為樁基托梁、護(hù)拱、明洞及明洞回填，完成了洞口支護(hù)體系受力轉(zhuǎn)換。

圖6 樁基托梁護(hù)拱縱斷面

3.3 縱橫梁加固方法

對(duì)于淺層潛在滑動(dòng)面洞口預(yù)加固的另一種有效方法是縱橫梁加固方法。隧道洞口縱橫梁加固設(shè)計(jì)方法縱斷面圖見(jiàn)圖7。

圖7 縱橫梁加固法縱斷面

該方法主要工序及工藝：

(1)洞口斷面錨固樁。先開(kāi)挖洞頂錨固樁施作平臺(tái)，后施作錨固樁并深入基巖。

(2)導(dǎo)向墻及大管棚。設(shè)置擴(kuò)大基礎(chǔ)導(dǎo)向墻，必要時(shí)對(duì)導(dǎo)向墻基礎(chǔ)采用注漿等方式進(jìn)行加固。完成導(dǎo)向墻后施作超前管棚加固前方圍巖。

(3)樁頂橫梁。錨固樁頂部施作縱橫梁，頂壓導(dǎo)向墻及仰坡坡腳，為仰坡坡腳提供水平反力，控制仰坡下滑、導(dǎo)向墻擠出。

(4)明洞開(kāi)挖。進(jìn)行明洞范圍內(nèi)開(kāi)挖時(shí)，由明洞兩側(cè)錨固樁承受因開(kāi)挖卸載而產(chǎn)生的土體側(cè)向壓力，并限制邊坡下滑。明洞及明洞回填反壓仰坡坡腳，進(jìn)一步控制仰坡下滑。

4 結(jié)論

以成蘭鐵路為代表的西南艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路，大多數(shù)隧道洞口地形高陡、重力型不良地質(zhì)發(fā)育、橋隧結(jié)構(gòu)相連，建設(shè)難度大。通過(guò)廣大工程技術(shù)人員不斷的實(shí)踐與總結(jié)，提出了針對(duì)西部艱險(xiǎn)山區(qū)不同地形的進(jìn)洞施工方案：

(1)針對(duì)陡坡地形，提出了零仰坡進(jìn)洞、護(hù)拱進(jìn)洞、反壓回填進(jìn)洞、斜交進(jìn)洞等機(jī)動(dòng)技術(shù)。

(2)針對(duì)洞口巖堆、滑坡等不穩(wěn)定體，從反壓滑坡體和切斷滑動(dòng)面的角度提出加固設(shè)計(jì)常見(jiàn)的3種方法，分別為：預(yù)加固樁加固方法、樁基托梁護(hù)拱加固方法和縱橫梁加固方法。

隨著新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的不斷采用，艱險(xiǎn)山區(qū)的隧道洞口修建技術(shù)必將向著更安全、更先進(jìn)、更可靠的方向發(fā)展。