老庄1号和2号隧道洞口受力分析及进洞方法

黄存才

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西太原 030032)

1 工程概况

老庄1号，2号隧道为张家界至花垣高速公路的关键性工程，隧道不长，围岩极差。设计为分离式双洞单向交通隧道，老庄1号隧道左右洞测设线间距为8.28 m～9.53 m，属于超小净距隧道。左洞起讫桩号ZK49+014.5～ZK49+275，全长260.5 m，右洞起讫桩号为YK49+015～YK49+275，全长260 m。隧道左右线进出口均位于直线上，左右洞路面最大横坡均为2%～3%。隧道纵面位于2.45%的上坡段。老庄2号隧道左右洞测设线间距为12 m～15 m，属于小净距隧道。左洞起讫桩号ZK49+500～ZK49+908，全长408 m，右洞起讫桩号为YK49+515～YK49+905，全长390 m。隧道净空为10.25 m×5.0 m。全隧道围岩分别为S4d，S5c两个级别，S4d级围岩复合式衬砌为489 m，S5c级围岩为744 m，明洞为80.5 m。

隧道所处地貌属中低山地貌，场地地形起伏大，与地形等高线呈大角度相交，表层覆盖层主要为第四系更新统(Qp)地层，以碎石、粉质粘土为主，厚度小，分布不均匀;下层基岩为寒武系中上统地层，岩性为白云岩，隐品质结构。坡面主要为灌木、蕨类植物覆盖，隧道两端洞口均位于山体陡壁上，附近基本无道路相通，交通极不便利，施工条件极差。

2 工程特点

2.1 隧洞洞口的受力状态决定进洞方式

由于老庄1号，2号隧道为分离式隧道，进出口有8个，这样隧道进、出洞成为施工组织中最重要的一环。进洞方法的选择既是决定施工成败的首要因素，经济原因也是进行技术方案必选的重要因素，虽然软岩隧道采取大管棚进洞+套拱进洞是比较成熟的方法，但是，也并非所有软岩隧道都必须采用大管棚进洞。软岩隧道进洞要达到技术上可行、经济上合理、安全上保证的条件，首先必须搞清楚洞口的受力状态。根据洞口的受力状态来决定是否该采用大管棚或者采用小管棚进洞。

2.2 洞口位置的选择

结合湘西张家界自然保护区严格的环保政策，按照“零开挖进洞”的施工理念，洞口位置选择应充分贯彻“早进晚出”的原则，尽量不破坏仰坡，实践证明如采取管棚技术进洞，洞顶覆盖层厚0.5 m～1.0 m即可，一般不宜超过1.5 m，最大不要超过3.0 m。

3 洞口受力分析

这里着重讲述纵向的受力分析。仰坡开挖后，必然沿纵向产生土压力。对土压力大小及滑面位置的确定，有各种理论选择，选择其中最简便的又能满足施工需求的理论来进行分析，库仑理论是一种理想的工具。库仑理论的地面线或拟合地面线坡度及洞口围岩的类别作为受力分析的两个指标来分析。

3.1 库仑理论的应用

洞口仰坡开挖后(按垂直开挖)，在原位置处设想一挡墙(见图1)，在地面为一直线(洞口地面如有起伏，就拟合成直线)的情况下，应用彭塞利(J.V.Poncelet，1788～1867)作图法可以确定滑面位置及土压力大小。

图1 彭塞利作图法

1)从B作BC与水平线呈φ角，称φ线，从A作AL0与墙背呈φ+δ角，称为基线(此处δ=φ);

2)在φ线上以BC为半径作半圆;

3)从L0点作BC的垂线L0I，交半圆于I点;

4)在φ线上量BL=BI，从L点作LD∥AL0，则BD即为所要求之滑面。

其方向为平行于φ线，位置在距基底1/3h处(h为仰坡开挖高度)。

3.2 极限稳定分析

当洞口边仰坡和地表加固以及初期支护强度不足，或衬砌未及时施作时，洞口土体会产生与水平面夹角呈 φ的极限滑面(Ⅴ级围岩φ=20°～27°)。此时，依据受力情况可将滑体分为A，B两块，如图2所示。

图2 极限稳定示意图

其中A块受B块传递来的推力和自重，B块为滑体，其传递给A块的力为ΔT=W·sinφ-f·W·cosφ-cl，B块处于极限稳定状态，其是否滑动取决于f值和c值的变化(ΔTmax一般为c=0，f=0.3时)。

3.3 洞口受力分析及进洞方法选择

1)首先作出洞口中心纵断面图(将地面线进行直线拟合);2)用彭塞利作图法，找出滑面位置，并作φ线找出极限滑面位置;3)如果仰坡面距隧道洞内开挖线与滑面交点距离l小于4.5 m，即可采取小管棚法进洞(理由:风枪钻孔深度不超过6.0 m，其中要求管棚插入滑面不少于1.5 m)，否则，应采取大管棚进洞，而且大管棚的长度任何时候必须大于l+锚固长度，且不小于D，较合理长度为D+H·tan(45°-φ/2)(D为隧道开挖直径，H为隧道开挖高度);如果考虑到开挖至仰坡面距洞内开挖线与极限滑面交点时，尚不能衬砌，则必须施作l+锚固长度的大管棚;4)从图2中可以看出，洞口滑体依据受力情况的不同可分为A区和B区，在A区时，隧道支护结构不仅受竖向松散荷载作用，而且受纵向滑坡推力作用，此为极度危险区，而通过A区进入B区后，支护结构就少了滑力推力，也只有此时，支护结构受力的平面假设才与实际相符合。隧道施工处于A区时，应特别强调:

a.初期支护强度要足够，包括纵向联结强度;

b.初期支护尽快闭合成环;

c.二次衬砌要尽快施作，二次初砌要加强。原则上在隧道进洞后8 m～12 m(不超过l，并不超过距离D)后立即施作仰拱，将支护封闭成环，在通过A区之前务必施作二次衬砌。

4 进洞方法

4.1 小管棚进洞

1)开挖仰坡、边坡。仰坡可按分级分部垂直开挖，边开挖、边加固，边坡可按1∶1坡比开挖或不留边坡，仰坡一次开挖高度不应超过3.0 m。开挖仰坡应留核心土。一般先挖至管棚范围高度，管棚施作完后再挖下部;

2)加固地表及边、仰坡。应一边开挖一边以锚杆、挂网及喷混凝土加固，有关参数为:锚杆:Φ22～Φ25螺纹钢，长为3.5 m～6.0 m，间距为0.5 m～1.0 m;钢筋网:φ6～φ8钢筋，网格间距20 cm×20 cm，距坡面3 cm～5 cm敷设;喷混凝土:喷C20混凝土，厚为10 cm～15 cm;

3)架设拱部格栅或工字钢架，间距为0.5 m～1.0 m，距仰坡面的长度不小于2.0 m;

4)穿过格栅或钢支撑腹部，环向间距按0.3 m～0.5 m，中心夹角120°～170°布置小导管，小导管参数:长6.0 m(锚入长度)，φ42 mm～φ50 mm，壁厚5 mm～8 mm，压注水泥浆或水泥—水玻璃浆;

5)在钢支撑外侧覆盖钢板或木板，板底面距钢支撑间距为3 cm～5 cm;

6)在钢支撑正面及下面喷射混凝土，将钢支撑包裹;

7)开挖下部并安装下部钢支撑及喷射混凝土;

8)于钢支撑底脚设锁脚锚杆，施作仰拱;

9)环形开挖进洞(若地质条件较好，可不留核心土);

10)进洞后按间距50 cm～80 cm布置钢支撑，并按超前支护搭接长度不小于2.0 m布置超前支护;

11)进洞8 m～12 m后(不超过l，并不超过距离D)及时施作仰拱;

12)在不超过A区及时施作二次衬砌;

13)进洞完成。上述作业见图3。

4.2 大管棚进洞

4.2.1 检算所需套拱长度

用按库仑理论计算出的土压力分别按抗滑稳定和抗倾覆稳定来检算套拱长度。

1)土压力确定。

其方向为平行于φ线，位置在距基底1/3h(h为仰坡开挖高度)处;将套拱看作混凝土矩形挡墙。

图3 小管棚进洞示意图

2)抗滑稳定性核算。

抗滑稳定用抗滑稳定系数Kc表示。

其中，N为作用于基底的总垂直力;∑Ex'为墙前土压力的水平分力;∑Ex为墙后主动土压力总水平分力;f为基底与动基之间摩擦系数，碎石类土取0.50，砂类取±0.40，粘性土取0.25～0.40。Kc不应小于1.2。

3)抗倾覆稳定性检算。

其中，∑My为稳定力系对墙趾的总力矩;∑Mo为倾覆力系对墙趾的总力矩。Ko不应小于1.3。

4.2.2 管棚施工

1)仰坡开挖并加固(同小管棚施工)，应注意在套拱位置处设仰坡加固锚杆，并使锚杆外露1 m以上，以便使套拱与仰坡连成整体;

2)施作拱部套拱。套拱厚度宜为80 cm～100 cm，并将配钢筋与加型钢支撑相结合，若仅加型钢而不配筋，因型钢保护层太厚，容易造成套拱混凝土开裂(若地质条件较好，套拱可一次作到位);

3)管棚钻孔及注浆;

4)仰坡下部开挖加固及套拱下部施作;

5)套拱仰拱施工(有的设计没有仰拱，但若地基承载力较弱或易受水的侵害，则必须设仰拱);

图4 大管棚施工示意图

6)套拱底脚设纵向锁脚锚杆，以增强套拱抗滑及抗倾覆能力;

7)台阶法掘进，并支护;

8)进洞8 m～12 m后(不超过l，并不超过距离D)及时施作仰拱;

9)在不超过A区及时施作二次衬砌;

10)进洞完成。上述作业见图4。

5 结语

经过计算分析，决定老庄1号隧道左右线出口采用小管棚进洞，老庄2号隧道左右线进口采取大管棚+套拱进洞，管棚长度为18 m，目前均已施工完毕，安全可靠。在实际施工过程中对照现场研究图纸，理解设计意图，并优化设计，防范盲目组织施工，导致边、仰坡开挖过大，防护和恢复植被困难。在确保设计合理的前提下，根据与业主的合同要求，结合本单位的技术装备和施工经验，按照技术上可行、经济上合理、安全上保证的条件，制定出合理的施工方案。施工方案确定以后，一方面要认真作好技术交底工作，将方案贯彻下去，另一方面要选择有实力的专业化队伍来组织实施，并在实施过程中继续优化方案。

［1］ 刘成宇.土力学［M］.北京：中国铁道出版社，2011.

［2］ 铁道部第二勘测设计研究院.《隧道》铁路工程设计技术手册［M］.北京：中国铁道出版社，2003.

［3］ JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范［S］.