复杂地形、地质情况下隧道洞口段设计

闫超平

(中铁二院工程集团有限责任公司贵阳公司,贵阳 550002)

1 概述

随着铁路速度的提高,对铁路技术指标要求也相应提高,特别是在西南山区修建高等级铁路,铁路选线很难较好的满足每个专业的要求[1]。为保证线路结构和行车安全,在复杂地形、地质段一般是以隧道通过,这样就给隧道的设计和施工带来较大的困难,特别是隧道结构较薄弱的洞口段[2-4]。

在严重偏压地段修建隧道洞门,且洞口存在滑坡和岩堆时,受洞口段地形、地质等条件的影响,洞口处理措施十分复杂,如处理不当,可能留下工程隐患甚至危及铁路行车安全[5]。对某隧道出口通过的不良地质进行分析,并对该隧道洞口段特殊地形、不良地质的情况下的工程处理措施进行小结。

2 洞口段工程地质条件

2.1 地形特征

出口段纵坡30°左右,横坡38°,存在严重的地形偏压。

2.2 地层岩性

出口段上覆为第四系全新统滑坡堆积(Q4del)粉质黏土、碎石土,坡崩积层(Q4dl+col)碎石土、粉质黏土；下伏基岩为三叠系上统侏倭组(T3zh)板岩、砂岩夹炭质板岩。

粉质黏土(Q4del),硬塑,土质不均,夹有10%～20%的碎石、角砾等,石质为砂岩、板岩,厚2～8 m,分布于滑坡体表面。

粉质黏土(Q4dl+col),硬塑,土质不均,夹有20%～30%的砂岩质碎石角砾,厚2～8 m,分布于岩堆体表面。

碎石土(Q4dl+col),稍密～中密,潮湿～饱和,碎石含量60%～80%,块径60～120 mm,石质成分以砂岩为主,其余为粉质黏土充填,为岩堆体的组成物质,厚3～15 m。

板岩、砂岩夹炭质板岩(T3zh),板岩为薄层状结构,节理裂隙发育；砂岩呈粉细粒～细粒结构,质硬,层理清晰,呈薄～中厚层状,钙质、凝灰质胶结为主,充填石英脉；强风化带(W3)岩芯多呈碎块状,碎石角砾状,厚5～20 m。

2.3 水文地质条件

该段地表水主要受大气降雨补给,雨季时常有山洪爆发,水量大,旱季时无水或水量较小。

3 不良地质分析

滑坡发育于D1K262+670～D1K262+815段,滑坡体呈长舌状东西向分布,坡面大部为灌木,滑坡体前缘为洋洞河的一级阶地,并有G213国道经过,地形平缓。后缘高程3 181 m,剪出高程3 067 m,高差114 m,滑体轴向长约250 m,宽约185 m,滑坡体厚5～15 m,滑坡体体积约6.9×105m3,属中型古滑体。

从钻孔资料分析,滑坡体上部为粉质黏土,下部为碎石土,下部滑床为三叠系上统侏倭组板岩、砂岩夹灰质板岩。推测滑动带在土岩接触带附近,滑坡发生于更新统后期。从滑坡体表面看,没见有滑动痕迹,目前处于稳定状态。隧道出口从滑坡体前缘半挖半填通过,开挖卸载后易降低滑坡稳定性而引起坡体失稳。

坡崩积层位于D1K262+510～D1K262+610段,该堆积层沿麓地带分布,呈四方形,物质堆积松散,成分较复杂,主要以碎石土为主,呈黄褐色,岩性为板岩、砂岩,块径60～150 mm,堆积层长100 m,宽90 m,厚5～15 m。隧道出口明洞段从崩积层前缘半挖半填通过,开挖后易引起堆积体失稳。隧道出口段滑坡和岩堆断面如图1所示。

图1 隧道出口段滑坡和岩堆断面(单位：m)

图2 隧道洞口段典型横断面

滑坡段代表横断面如图2所示,基岩面坡度较陡,坡角达35°,且上部粉质黏土和碎石土厚8～13 m。隧道洞口开挖滑坡体前缘减载,或坡体上地表水的渗入增加自重,洞口右侧20～65 m范围上部的粉质黏土和碎石土顺基岩面易发生牵引式滑坡。

4 洞口不良地质段处理措施设计

4.1 明洞段特殊设计

根据工程经验,在滑坡地段一般不宜修建明洞,但在一定的条件下明洞又是整治滑坡的经济有效措施[6]。由于滑坡和岩堆体的存在,且洞口存在严重偏压,通过工程类比和综合分析,在对不良地质采取有效的整治措施下,D1K262+635～+700段采用明洞衬砌。为保证明洞基底的稳定,靠山侧衬砌基底厚2.23 m,山外侧衬砌基底厚4.74 m,并对山外侧基础底面下软弱层进行换填。明洞衬砌断面和基底换填如图3所示。

4.2 抗滑桩设计

抗滑桩由于其具有治理效果好、桩位设置灵活、对滑坡采用跳跃式施工方法可以减小对滑坡体的扰动等优点,在滑坡治理中得到广泛的应用[7-10]。

图3 明洞衬砌断面和基底换填(单位：cm)

通过对隧道洞口段不良地质分析,存在滑坡和岩堆体的认定,为保证洞口施工岩体的稳定和线路的安全运营,确定在明洞施工前设置抗滑桩对靠山侧和山外侧潜在滑坡体和影响结构安全部分的岩堆体进行预加固。根据洞口开挖后滑坡推力的计算结果,于D1K262+570～D1K262+635(明暗分界)段线路右侧(靠山侧)设置1号～11号抗滑桩,D1K262+635(明暗分界)～DK262+700(洞口)段设置12号～22号抗滑桩,洞口外设置23号～29号抗滑桩,桩长31 m,桩纵向间距6 m,除24～28号截面为2.0 m×2.5 m,其余截面均为3.0 m×3.5 m；为防止在靠山侧的抗滑桩外出现新的滑动面,在线路左侧设置30号～49号抗滑桩加固岩堆和滑坡体,桩长20 m,桩纵向间距6 m,30～40号截面为1.5 m×2.0 m,41～49号截面为2.0 m×2.0 m；抗滑桩嵌入基岩内4～6 m。洞口段抗滑桩平面布置和纵断面如图4、图5所示。

图4 洞口段抗滑桩平面布置

图5 洞口段抗滑桩纵断面(单位：cm)

4.3 桩间土钉墙设计

明洞段位于滑坡体中,且明洞段黏土和碎石土的厚达12 m,为防止明洞段开挖后桩间土的滑移和坍塌,确保开挖后山体的稳定,于明洞段靠山侧桩间采用高12 m土钉墙防护。土钉采用φ28 mm螺纹钢制作,长10 m,间距1.0～1.5 m,土钉与水平方向夹角11.5°。土钉墙面板为双层钢筋网和厚30 cm混凝土组成。通过设置土钉墙,不仅实现了较厚黏土碎石层的垂直开挖,同时也增加了滑坡体与基岩的整体性,确保了桩间土体的稳定。洞口正面如图6所示。

4.4 锚索框架梁设计

图6 洞口正面(单位：cm)

图7 D1K262+635明暗分界断面(单位：cm)

洞口段横坡较陡,黏土层和碎石土层较厚,明洞段靠山侧如按稳定边坡坡率刷坡,地表坡度和刷坡线相互平行,且刷坡厚度一直在4 m左右。为减小刷坡高度,根据工程经验,靠山侧边仰坡按1∶1刷坡,刷坡高达14 m,在D1K262+635～+662段永久边坡及仰坡开挖采用锚索框架护坡,D1K262+662～+700段永久边坡采用锚杆框架护坡。锚锁和锚索框架梁均采用菱形布置,节点间距3.0 m,截面尺寸0.35 m×0.35 m,锚锁采用φ12.7 mm钢绞线,长度22 m；锚杆采用φ28 mm钢筋,长度10 m。D1K262+635明暗分界断面如图7所示。

4.5 施工工序设计

洞口段地形地质情况较复杂,确定合理的施工工序尤为重要。洞口开挖前应先施作洞口段排(截)水设施,防止扰动后的滑坡和岩堆受雨水冲刷；其次施工抗滑桩对洞口段岩土体进行预加固和对边仰坡坡面采用锚杆或锚索框架梁防护；再进行明挖段上台阶开挖和桩间土钉墙防护施作,上台阶开挖至明暗分界处,且施作大管棚后,方可进行明洞段下台阶开挖和明洞段基底换填；明洞段衬砌施作完成并达到设计强度后,施作回填层；回填层应两侧对称分层夯实,每层厚度不得大于0.3 m,两侧回填土面的高差不得大于0.5 m,以免造成施工偏压。

5 结语

结合该隧道出口地形、地质条件,采用适当长明洞外引,并于出口段隧道两侧各设置一排抗滑桩,共计49根,确保了隧道在滑坡体前缘出洞的安全性；出口地形较陡且存在较厚的黏土碎石层,抗滑桩顶部的边仰坡采用锚索或锚杆框架梁防护,减小了刷坡高度且增加了洞口滑坡体的稳定性；土钉墙的加固措施确保了明洞在较厚黏土碎石层中的施工安全和减小靠山侧土体对明洞产生较大的侧压力；对明洞段软弱围岩基础进行了基底换填和衬砌结构的特殊设计,这些措施的实施,解决了滑坡、岩堆、偏压、较厚黏土碎石层等复杂地形地质洞口设计难题,确保了洞口的安全稳定,对今后类似地形、地质条件下隧道洞口设计和施工具有一定的借鉴意义。

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