隧道洞口预加固抗滑桩研究

2012-06-30易震宇郑国荣陈建军

湖南交通科技 2012年1期

易震宇，郑国荣，陈建军

(1.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008; 2.湖南省吉茶高速公路建设开发有限公司，湖南吉首 416000)

0 前言

隧道建设中洞口是整个隧道的薄弱环节之一，洞口部位一般来说，地形和地质条件都是相对差，由于偏压地形、地表节理裂隙、地下水、降雨等条件，施工时易引发隧道洞口区域失稳现象，出现地表面开裂、滑动、下沉、掌子面崩塌、突出等病害，一旦病害发生，要根治这些病害，工期长，投入大、同时影响坏。如何在复杂地质条件下，采取有效的措施，避免洞口失稳现象发生，是设计中要预先考虑的问题。

1 隧道洞口应力分析

隧道洞口病害产生的主要原因是由于隧道洞口开挖，改变了地表形态，形成路堑、洞口边坡、仰坡，从而改变了洞口区域的岩土内力分布，引起应力重调整，导致临空面应力松弛，土石间粘聚力降低，对于覆盖层薄、基岩出露且风化程度低的洞口，一般不会出现失稳现象，但对于覆盖层厚、土石混杂的复杂地质地段，就可能会导致边仰坡的坍塌，诱发滑坡等地质病害。

目前隧道洞口设计贯彻“不破坏是对环境最大的保护”的思想，依据洞口地形条件与洞口地形协调，保护自然环境的原则，按照“早进洞、晚出洞”的理念进行，以减少洞口开挖面积，来减少病害的发生。但是公路隧道本身就断面大，尽管设计中采用洞口锚杆加固、提早施作明洞衬砌或洞门结构来预防，在实际施工中，洞口坍塌、滑坡的现象仍也经常出现。如图1，80 km/h时速高速公路隧道，洞口地质较差情况，洞口临空面一般有260 m2(含隧道暗洞开挖断面100 m2)，存在较大失稳风险。

图1 隧道洞口掌子面开挖断面示意图

一般来说，隧道洞口，包括地质条件特别复杂或岩土力学性质极差的洞口，在施工前，地表是处于稳定状态，只是由于施工开挖形成临空面，失去支撑，才存在引起滑坡、大坍塌的可能，在未开挖前或扰动前，山体是稳定的，安全系数大于1，如果能够采用某种形式，将要挖除土体的作用力补偿上去，使临空面得到支撑，理论上可以恢复施工前的稳定水平。采用预加固抗滑桩基形式是提前进行补偿、是最可行的方式(如图2)。

2 隧道洞口普通抗滑桩与预加固抗滑桩受力机理

预加固抗滑桩与抗滑桩一样，结构形式基本相同(如图3)，都用力承受土体作用力，两者区别在于所需要承受的土体作用力大小、性质与要达到的效果不同，其对比见表1。

图2 隧道洞口预加固桩布置示意图

采用抗滑桩结构，先假定隧道洞口自然山坡土体处于极限平衡状态，反推出岩土C、φ值，再根据开挖后断面，计算出桩后坡体下滑推力，选择合适尺寸抗滑桩，抵抗下滑推力。

图3 隧道洞口预加固桩受力示意图

采用预加固抗滑桩结构，首先考虑桩体在土中桩前桩后两侧对称受力平衡，山体是稳定的，当洞外明洞土体开挖后，桩前上部临空面失去支撑力，两侧受力出现不平衡，差值由预先设置的预加固抗滑桩承受。

表1 普通抗滑桩与预加固抗滑桩对比表

普通抗滑桩由于理论假定限制，一但确定采用，所用就尺寸较大，特别是隧道开挖边仰坡后山体逐渐升高，计算下来，推力惊人，工程量巨大，故在设计过程中非地质勘察有明确结论，一般不主动采用。施工中若出现山体发生滑动等地质灾害时，岩土C、φ值可以反推计算，抗滑桩受力十分明确，以设置桩基后边坡稳定安全系数不低于1.35控制抗滑桩设置，确定抗滑桩尺寸和钢筋配置，还可采用抗滑桩对滑坡进行分段阻滑时，每段宜以单排布置为主，若弯矩过大，可采用预应力锚拉桩。

根据隧道设计规范，隧道洞口不宜设在滑坡、崩坍、岩堆、危岩落石、泥石流等不良地质地段。在设计阶段，隧道洞口直接位于滑坡体内情况发生机率小，自然边坡稳定安全系数在1以上，具体是多少，无法定量，只能定性判断，且盲目性较大。预加固抗滑桩理论则刚好填补了空白，不需要判断自然边坡稳定安全系数，只需要研究要挖除的土体的静止土压力，其研究的对象明确，力学计算理论完善，参数取值简单，其误差对工程影响小，方便适用。预加固桩开挖后其受力形式为桩后局部范围主动土压力，地形由坡度所形成的分力，视为通过山体岩石间的内摩擦力抵消。在隧道进洞辅助施工措施如管棚施工完成后，受力减小，当洞外明洞施工完成后，其上反压回填土，则加固桩受力进一步减少。

3 隧道预加固抗滑桩动态设计

预加固抗滑桩设计须贯彻动态设计思想，设计是预设计及后续施工服务校对设计两部分组成。预设计按照土体平衡理论计算预加固抗滑桩尺寸及配筋，开挖土体的静土压力系数可提高1.5考虑。由于各隧道洞口开挖的土体有限，可取桩前开挖土体地面线为水平(正常情况为降低)、最大的静土压力按各种土体中的最不利情况计算，由此可形成适用范围较广的隧道洞口预加固抗滑桩。计算表明，1.5 m×2.0 m尺寸是预加固抗滑桩定型图的合理尺寸。

通过有限元计算表明，一次性掌子面开挖到位，按补偿平衡设计的隧道预加固抗滑桩桩后一定范围外，开挖完成后坡体受力与自然山体受力基本一致，但临近掌子面附近，由于洞口左右两桩间距影响，土拱效果不明显，仍存在一定的应力松弛区域。设计中此区域的防护通过预留核心土体，在洞口管棚、套拱施工完成后再挖除的施工步骤解决，模拟分析表明应力松弛区域大为减小。

由于隧道预加固抗滑桩实质是定性设计、预设计，其设计文件中必须有监控量测设计方案，要求隧道及路基施工期间必须对桩体进行持续位移和应力监测，如果监测发现变形无法稳定，土体滑移趋势明显，应根据现场监测结果增加预加固桩设置，或补充其他辅助加固措施，避免突发工程灾害。

4 隧道预加固抗滑桩应用

由于隧道预加固抗滑桩是设置在对于自然稳定，受施工影响，易出现滑塌的隧道洞口，必须先行施工，才能有预防塌方效果。研究建议预加固桩施工步骤如下:①隧道洞口区域先开挖预加固桩顶面标高以上部分的边、仰坡;②开挖预加固桩，随挖随支，做好护壁，保持干燥状态;③开挖到底后，下钢筋笼，浇筑混凝土;④桩身混凝土强度达到90%后，才可进行洞口成洞面开挖。洞口成洞面开挖分上下台阶预留核心土进行，上台阶开挖后，浇筑管棚套拱，施工管棚，期间必须确保套拱基础稳定，否则应采取措施将套拱与预加固桩横向连接，防止套拱下沉变形。下台阶及上台阶核心土开挖后应尽快完成洞口区域仰拱浇筑，形成预加固抗滑桩、管棚套拱、仰拱一个较完整的受力体系。

对于需要施作预加固抗滑桩的隧道洞口，作好边、仰坡防排水，是防止边、仰坡小型跨塌的关键。除了边、仰坡外施工截水沟外，应注意明确:①边、仰坡除挂网喷混凝土外，必须施做排水孔;②排水孔长度应超过锚杆长度，上密下疏，间距不小于2 m;③边仰坡特别破碎含水及滑塌兆头明显地段，应考虑设置支撑渗沟。