隧道洞口预加固桩作用机理研究

柏 署，易震宇，傅立新，王海林

(湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙 410008)

0 引言

我国高速公路建设已进入新的发展时期，公路隧道的建设也已进入井喷阶段，而与之相伴的是各种各样的问题也凸现。尤其是洞口施工中，由于埋深浅，地形、地质条件差，洞口处理是整个隧道最关键而又最复杂的环节之一。

隧道洞口岩土受力变化与隧道洞内地段存在区别，有其特殊性。一般而言洞口设计方案的优劣直接关系到隧道的安全进洞及今后的运营安全，尤其在不良地质地段，隧道洞口设计更是需要得到充分的考虑。洞口部位一般来说，地形和地质等的围岩条件都是不稳定的，埋深小、难于形成承载拱，由于地形地质、地下水、降雨等条件，易引发施工时的崩塌、滑动、地表面下沉、偏压、掌子面崩塌等，如何采取有效的施工方法对隧道的安全进洞以及今后的运营安全都具有至关重要的作用。

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，临空面应力松弛，在地质复杂地段就会导致仰坡的坍塌，诱发滑坡等地质病害。如果病害发生，要处理这些病害困难、费用高，投入运营后，也极易受自然灾害的威胁。

隧道洞口设计施工，就是根据洞口地形条件与洞口地形协调，保护自然环境，按照“不破坏是对环境最大的保护”的理念，采取“早进洞、晚出洞”，减少洞口开挖，提早施作明洞或洞门结构，来减少病害的发生，但在实际施工中，洞口坍塌、滑坡的现象也经常出现，故如何事先有针对实际地质情况，做好洞门设计施工来保证隧道顺利建设的重要条件是我们要考虑的问题［1］。

1 常用处理手段

目前针对复杂地质洞口处置常用方案有3种，一是钢管坡体注浆，通过注浆改变洞口大片影响区域的岩土性质，形成人工石山，确保施工进洞安全。一是采用抗滑桩，洞口抗滑桩一般先假定洞口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，计算坡体下滑推力，按照规范确定的安全系数(一般为1.35)计算抗滑桩尺寸和钢筋配置，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，应采用预应力锚拉桩。在灾害发生时，采用抗滑桩方案较常见，抗滑桩截面形状以矩形为主，截面宽度一般为1.5～2.5 m，截面长度一般为2.0～3.5 m。第三是采用锚索或长锚杆配合混凝土框架梁对山体进行锚固。

第一种方案是因隧道开挖有可能发生滑动、坡面崩塌时，在隧道开挖之前、对坡面进行处理的常用方案，特点是工程量不容易控制，特别是注浆量控制困难大，加固效果差异大，影响因素多，通常还在隧道施工中再增加一些措施。

第二种方案由于理论限制，不用则已，一用就尺寸较大，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，故在设计过程中主动采用较少，一般要山体发生滑动，才作为处置方案使用。

第三种方案由于只适用于岩石地质，对于松散土体，损失大，效果较差。

本文针对此种情况进行研究，提出一种预加固理论，以求采用一种比较经济合适的预防加固措施，来保证特殊地质条件下隧道洞口施工和运营安全。

2 预加固桩计算分析

2.1 模型建立

开挖明洞前，在隧道洞身明暗分界处的左右两侧各布设1根加固桩，如图1所示。

图1 洞口预加固桩布置示意图

简化后，模型原始边坡实体长宽均为100 m，最低高度35 m，最高点高度100 m。自上而下分为土、风化岩和基岩3层。隧道跨度12 m，最大埋深60 m，依次穿越各岩层。隧道洞口边坡坡比1∶1(如图2)。

图2 预加固桩计算模型示意图

各材料参数见表1。

2.2 施工计算步骤

为了便于对比分析，本项目采用在同一模型中，不同的施工步骤，来确定预加固桩的作用机理和在抵抗变形中的效应。

一般情况下的隧道施工步骤为:隧道边仰坡及明洞开挖，暗洞开挖，暗洞支护(图3～图6)。

预支护下的隧道施工，主要是指在开挖扰动原状山体前，先施作洞口加固桩，在加固山体的同时，也能平衡开挖后临空面土体的下滑力。预加固施工步骤:洞口预加固桩(图7);隧道边仰坡及明洞开挖，暗洞开挖，暗洞支护。

表1 材料参数表

图3 原状山体计算模型示意图

图7 开挖前预加固桩支护计算模型示意图

2.3 计算结果分析

通过比较是否施作预加固桩的模型的位移云图(图8，图9)，可以发现，明暗交界处的总体位移量有较为明显的差别，未施作预加固桩模型在拱顶处位移较大，而施作预加固桩后，大部分的土压力由桩承担，因而位移较小。

在模型中取对各施工步最敏感的明暗交界点拱顶处的变形量进行分析(图10)，可以发现采用预加固桩预支护后，该节点变形量比未采用预支护减少了近90%，随着后续洞身施工的进行，引起的应力逐渐释放，节点位移相应增大，最终位移为未采用预支护状态的60%。

图10 节点位移统计图

3 结语

1)洞口施工改变了地表形态，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，临空面应力松弛，预加固桩能承担破坏原状山体受力平衡后产生的应力，因而能有效减少因洞口开挖而导致的变形。

2)预加固桩对洞口开挖时支护效果明显，洞口附近洞身段开挖引起的应力释放支护作用不大。

3)预加固桩宜用于埋深小、难形成承载拱或由于地形地质、地下水、降雨等条件，易引发施工时的崩塌、滑动、地表面下沉、偏压、掌子面崩塌的复杂地质条件隧道洞口施工。

［1］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算(第二版)［M］.北京:水利电力出版社，1994.

［2］黄昌乾，丁恩保.边坡工程常用稳定性分析方法［J］.水电站设计，1999，15(1):53 －58.

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［5］林 峰，黄润秋.边坡稳定性极限平衡条分法的探讨［J］.地质灾害与环境保护，1997，8(4):9 －13.

［6］JTG D30—2004，公路路基设计规范［S］.