高速铁路隧道洞口工程设计研究

2013-03-05韩华轩马志富许占良李冬生

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2013年2期

韩华轩，马志富，许占良，李冬生

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

0 引言

近年来，穿越我国中西部山区的高速铁路规划逐步付诸实施，出现了大量的隧道及隧道群，隧道洞口的稳定性问题已经成为隧道施工及运营中最为关心的重要问题之一。受线位和山区地形地质的限制，隧道的进出口往往会遇到危岩落石、岩堆、滑坡、顺层、偏压、浅埋、软弱围岩、陡坡进洞等问题。在进洞施工时往往会发生高边坡、仰坡滑塌、山体变形开裂等洞口段整体失稳破坏事故，安全风险高，治理难度大，影响洞口地表环境、遗留病害、增加投资等［1］。如何安全进洞和做好洞口临时及永久防护加固设计，值得探讨和研究。

本文以沪昆铁路客运专线长沙至玉屏段部分隧道进洞设计及施工实践为基础，对软弱、浅埋、偏压、顺层等不良地质隧道“进洞难”洞口的辅助加固及防护设计进行了研究和探讨，对类似工程提供一定的参考。

1 一般洞口工程

1．1 设计理念

洞口段的设计应严格执行“早进晚出”、“趋自然状态进洞”、“尽量保持边仰坡稳定”和“重视洞口排水系统”的思路，按照“先治水，再加固，再进洞”的总施工顺序。这是我国经典性的设计施工经验，也是长昆客专隧道防止洞口段大变形或滑塌的基本设计理念［2-3］。

1．2 设计原则

对于洞口地形、地质条件无特殊不良问题的情况，遵循“不刷坡进洞”的原则，控制洞口边仰坡的总高度，一般都能避免隧道的进洞施工和后期运营出现病害。普通洞口的设计原则如下［3］:

(1)以洞口明洞临时及永久边仰坡总高度在10 ～15 m 以内为标准，选择合适的隧道进洞位置(明暗分界里程)。

(2)当洞口存在偏压或洞口地质存在倾斜岩层，层理、片理结合较差存在软弱面时，采用护拱结构作为特殊辅助措施提前进洞，尽量减少对洞口原始状态的扰动。

(3)暗洞进洞前，洞口及明洞临时边仰坡结合地质情况采用锚杆、注浆锚管和网喷混凝土进行防护，永久边仰坡结合地质情况采用现浇混凝土骨架或锚杆框架梁进行防护并绿化，同时与邻近路基边坡防护进行顺接。

1．3 辅助措施

考虑到洞口地表风化侵蚀一般较为严重，加上提前进洞造成的暗洞洞口附近覆盖层大都较为浅薄，暗洞进洞时拱部均要采用Φ108 mm 超前长管棚作为进洞辅助措施。超前长管棚一般在拱部150°范围内布设，在隧道暗洞开挖之前完成。为保证长管棚施工精度，设置混凝土导向墙，内设2 榀I22a 工字钢架，钢架外缘设Φ140 mm 的导向钢管，钢管与钢架焊接。导向墙截面尺寸为1 m×1 m，环向长度可根据具体工点实际情况确定，以保证其基础稳定性。普通洞口进洞辅助措施设计如图1、图2 所示。

图1 超前管棚设计图(单位:mm)

图2 护拱提前进洞示意图

2 特殊条件下洞口工程对策

2．1 特殊条件下洞口工程常见问题

在山区，尽管选线时已尽量绕避，洞口仍难免遇到危岩落石、岩堆、滑坡、顺层、偏压、浅埋、软弱围岩、陡坡进洞等不良地质问题，加上许多洞口风化层较厚，地表水汇集且渗入较快，更加剧了洞口设计及施工的难度，“进洞难”问题显得更加突出。在进洞过程中，往往发生山体大变形、开裂、滑塌，洞口岩土体松散失稳破坏，导向墙断裂，大管棚整体下沉，洞口初支钢架扭曲变形、喷混凝土剥落，洞口预支护系统整体废弃。

另一方面，施工单位对不良地质洞口认识不够充分，为方便施工往往在洞口开辟泵房、便道、料场、蓄水池等临时工程场地，进一步扩大对山体坡脚的切削，造成洞口仰坡大变形开裂滑塌，危及进洞安全。

2．2 原因分析

在不良地质洞口的进洞施工中，很多洞口往往由于洞口边仰坡产生大变形破坏而引发洞口段整体失稳破坏。

由于洞口地段隧道覆盖层一般很薄，隧道上方的岩土很难形成自承体系，加上不良地质洞口岩土体存在饱水、软弱、顺层、岩堆等不利因素，粘聚力、剪切强度和承载力等岩土体指标较低，自稳能力差，地层垂直压力增长快，开挖后的初期变形增长快。如果进洞开挖和边仰坡的支护强度刚度不够或者支护不够及时，很容易造成洞口围岩应力在短时间内很快释放，洞口山体岩土松弛胀裂，岩土体结构完全松散破坏，边仰坡大变形、贯通性开裂甚至整体滑塌。

2．3 技术对策

根据不良地质洞口的力学分析，该类洞口的进洞设计应强调洞口山体围岩变形的控制而不是围岩变形的释放，必须采用强度足够高和刚度足够大的预支护措施及洞内支护措施，抓住开挖后的最有利时机，快速有效的限制土体初期变形，最大限度保证洞口土体的结构状态。在充分认识洞口地质特性基础上，本着“宁强勿弱”的原则，进行锚固桩、导向墙、护拱、大管棚、钢花管注浆、预应力锚索框架梁等工程措施的比选，确定综合预加固体系，避免洞口变形失稳风险［4-8］。

依此，对不良地质洞口，采取了如下设计应对原则:

(1)重视洞口排水系统设计，临时及永久排水系统应与边仰坡处理、场地布置、便道施工、桥隧路主体工程结合，统筹考虑。

(2)严格贯彻“零仰坡”进洞理念，尽量顺延山体坡度，尽量不扰动洞口段岩土体的稳定，尽量不破坏洞口岩土体坡脚。

(3)在施组和辅助坑道条件允许下，尽量采取由洞内向洞外倒退的方式出洞，以确保洞口安全，同时对洞口山体做好预加固体系设计，并要求出洞前首先对洞口山体进行预加固施工。

(4)必须由外向内进洞时，应结合地质地貌特点确定足够强的预加固、超前加固体系设计方案，在施工顺序设计上，要求先施作排水系统，再施作预加固系统和边仰坡防护系统，并实施明洞和洞门结构，以及早完成洞口切削坡脚回填，恢复洞口岩土体平衡状态，然后再进暗洞。

(5)对于偏压地形可根据地形地貌情况采用填土反压、减载、增设挡土墙或在偏压侧增设注浆钢管排桩或锚固桩、抗滑桩以抵抗山体偏压。对于洞口边仰坡存在顺层，则应对顺层边仰坡综合采用抗滑桩、预应力锚索框架梁等加固措施进行加固。对于洞口位于滑坡体、堆积体地层，可根据滑坡体、堆积体的具体情况，综合采用预应力锚索，抗滑桩、地表注浆等对山体进行预加固。尤其需要强调，锚固桩、抗滑桩具有刚度大、耐久性好、受力明确的优点，在不良地质洞口进洞预加固措施中，应优先考虑使用，以确保高速铁路洞口施工及运营期间的安全。

(6)在对洞口山体预加固的同时，洞口附近暗洞的支护强度刚度必须足够强，必要时可采取加密钢架，边墙仰拱钢花管注浆等措施，“短进尺，快封闭”，以控制洞口变形。

3 特殊条件下洞口工程实例

3．1 浅埋偏压洞口进洞设计方案

某隧道出口自然坡度31°左右，线路走向与等高线斜交约45°，偏压严重，表层为粗角砾土，稳定性差，洞口进洞风险较高，如图3。

3．1．1 进洞前暗洞段预加固措施设计

为平衡洞口暗洞段较严重的浅埋偏压受力状态，在洞口暗洞低山侧，设置锚固桩以抵抗高山侧山体的滑移变形，避免洞口暗洞结构承受的过大的松弛压力。锚固桩参数的确定根据实测山体地形及地质岩土参数，按照抗滑桩的设计进行计算，本洞口锚固桩参数为:自套拱结束里程处向洞身19 m 范围内在隧道中线外低山侧11．50 m 处设置4 根桩长20 ～30 m 不等、截面2．0 m ×2．5 m 的锚固桩，桩间距5．0 m(中对中)，如图4 所示。

图3 某隧道洞口浅埋偏压进洞照片

图4 洞口暗洞段锚固桩预加固横断面(单位:m)

3．1．2 明洞洞门段预加固设计

本洞口偏压严重，宜接长明洞。明洞段开挖前，在高山侧设置锚固桩，尽可能减少高山侧边坡的刷方，从而达到保证施工期间和运营后洞口稳定安全的目的。锚固桩参数如下:明洞段12 m 范围内距离线路左线中线5．37 m 处共设置3 根间距5 m(中对中)的锚固桩。锚固桩截面尺寸2．0 m ×3．0 m，长度为23 m，桩间采用边坡注浆加固及网喷混凝土防护措施。明洞段预加固设计如图5 所示。

3．1．3 “半明半暗”进洞辅助措施设计

因明暗分界处拱部和低山侧覆土很薄，设计中采用了“半明半暗”的护拱加耳墙保护下的出洞方式。先在隧道低山侧施作耳墙结构，再以耳墙作为基础，施作纵向3 m 长的护拱与导向墙的结合结构(护拱的高山侧拱脚落于强风化含砾砂岩上)，然后进行超前大管棚的施工。所有辅助措施均施作完成后，最后在护拱和Φ108 mm 大管棚保护下采用三台阶临时仰拱法逐榀暗挖出洞。护拱及耳墙设计如图6 所示。

图5 明洞段的预加固设计

图6 明暗分界处横断面设计

3．2 堆积体类软弱松散围岩洞口进洞设计方案

当洞口位于岩堆、人工堆积体等厚度较大的松散体内，或者洞口处全风化松软层厚度很大时，洞口段大变形整体失稳风险极高，工程桩结构是进洞不可缺少的辅助工程措施。

3．2．1 在明暗分界处布置抗滑桩的进洞方案设计

某隧道洞口位于岩堆体上，块石土厚度达13 ～15 m，结构不均匀，整体较为松散，洞口斜坡稳定性差，洞口初始风险评估为极高。为防止进洞开挖引发仰坡大变形整体失稳，要求首先采取抗滑桩及地表注浆的预加固措施对洞口原始状态坡体进行加固，在预定导向墙左右两侧均设置3 根2．0 ×2．5 m 长度25 m的C35 钢筋混凝土抗滑桩，同时在洞口隧道中线左右各20 m 内，纵向40 m 内采用1．5 m×1．5 m、L = 6 m 的Φ50 mm(t = 3．5 mm)钢花管进行地表注浆，浆液采用1∶ 1 水泥浆，注浆后结石体抗压强度不小于1．0 MPa，结石率100%。预加固完成后，再进行导向墙及40 mΦ108 mm 大管棚的施工，最后进行暗挖施工。明暗分界处抗滑桩设计见图7、图8。

图7 岩堆体明暗分界处预加固设计

图8 岩堆体锚固桩辅助进洞施工照片

3．2．2 导向墙与锚固桩结合的进洞方案设计

当洞口全风化松软层厚度很大时，导向墙底脚往往难以落到坚实的基础上，很容易造成导向墙和大管棚整体下沉侵限，仰坡也因此开裂变形。采用锚固桩作为导向墙的基础，桩、导向墙和大管棚作为一个受力整体，不仅能够有效地限制洞口仰坡下滑变形，而且对进洞时洞口暗洞开挖提供更可靠的保护。为确保软弱地层桩孔施工安全，锚固桩应采用钻孔桩，洞口确实无场地时，可在采取充分安全措施下采用矩形桩。

某隧道洞身冲沟明挖段洞口位于20 世纪50 年代修建水利设施和人工造田的弃土堆积体上，弃土最厚达20 m 以上，填土结构和厚度分布不均匀，未完全自重固结，整体破碎松散，具弱膨胀性，自稳能力差。由于勘察阶段未发现该地质问题，导致进洞不足5 m 就发生山体开裂移位(裂缝宽达20 ～30 cm)，导向墙和大管棚整体下沉侵限、洞口整体失稳，图9 为该洞口导向墙开裂滑移照片。

针对上述情况，在拆除原有导向墙和大管棚并反压回填洞口基础上，采取如下进洞方案:

(1)明洞范围调整及地表注浆。由于地势较平坦，将明暗分界向山体方向推进8 m，明洞长度由原25 m 调整为33 m。仰坡正面开裂松动区域采用15 cm 厚C25 网喷混凝土及6 m 长的Φ50(t = 5 mm)注浆钢花管(1．5 m ×1．5 m)联合防护。

(2)“导向墙与锚固桩结合”进洞。明暗分界导向墙2 个底脚增加“L”型基础，每个基础下采用2 根Φ1．5 m 钻孔桩，要求4 根钻孔桩与导向墙同时采用C35 钢筋混凝土进行浇筑，导向墙按加强梁进行配筋设计并预留大管棚导向管，钻孔桩按抗滑桩计算内力进行配筋并与导向墙进行有效锚固;最后施做长度40 m 的Φ108 超前长管棚，在管棚保护下逐榀开挖进洞。导向墙与锚固桩结合设计见图10。