山岭公路隧道引导进洞法

徐容 宋元平

作者简介：

徐 容（1981—），工程师，主要从事公路桥涵隧道设计工作;

宋元平（1983—），高级工程师，主要从事地下结构设计工作。

为解决山岭高速公路隧道传统进洞方法长期存在的一些问题，文章提出山岭隧道进洞设计及施工的新方法——引导进洞法，分析了引导进洞法中护拱的作用机理，并结合广西贺州至巴马高速公路蒙象段一期工程实例，介绍了引导进洞法的实践应用情况。这一新的进洞方法消除了传统进洞方法中的边仰坡，在真正意义上实现零开挖进洞，并解决了零开挖进洞对洞口地形的普适性问题。

引导进洞法;护拱;边仰坡;零开挖进洞

U455.4A391335

0 引言

隧道洞口施工往往需要刷坡开挖，当隧道洞口位置不佳时，如洞口位置岩石产状为顺层或偏压较大等，传统的隧道开挖进洞方法往往会破坏山体稳定、诱发地质灾害，而且处治困难，阻碍开挖进洞，严重时可能威胁施工安全，危及长期运营安全，并对环境造成破坏。开挖卸载过大是洞口处地质灾害发生的直接的也是主要的诱因，大刷大挖，导致产生了较高的边坡、仰坡。意识到这一点，工程界提出了零开挖进洞的理念，但是由于传统进洞方法一般是先开挖明洞槽，到适宜的桩号后（实质上是认为洞顶满足一定覆盖层厚度的桩号，便于大管棚等超前支护实施）方才进入暗洞开挖施工，而明洞槽的开挖不可避免地产生了两侧的边坡和暗洞上方的仰坡（暗洞桩号处开挖端面垂直），当洞口位置不好时，边仰坡可能就比较高。鉴于此，往往只能通过尽量做到少开挖，而零开挖实际上必须借助有利的地形才能实现，如洞口前进方向正前方的地形陡峭，这时可以取消明洞，直接进洞，即这种情况下可以实现零开挖进洞。因此，可以看出对传统的进洞方法（笔者定义为“基槽开挖进洞法”）来说，零开挖进洞属于一种理想状态，多数情况下无法实现。时至今日，隧道洞口施工时，滑坡、塌方等灾害或事故依然时有发生，急需探索更加先进的进洞方法，此即是笔者提出引导进洞法的背景和原因所在。

1 引导进洞法

为了阐述引导进洞法，笔者试图通过对一实际隧道工程的某洞口进行对比设计，介绍新的设计方法，并剖析其与传统设计方法的区别之处。

如图1所示，洞口处的地形较为典型，进洞条件也较好，不存在明显偏压，地形坡度较陡，按照传统设计方法，可选择端墙式方案，如图2、图3所示。为了顺利进洞，在洞口段设置6 m长明洞，而明洞施工首先需要开挖基槽，边仰坡采用放坡开挖网喷支护的方法。基槽开挖后，进行套拱及超前大管棚施工，然后施工明洞，接着进洞开挖施工。传统进洞方法設计时对于进洞桩号的选择比较关键，通常在明洞规模、边仰坡高度以及暗洞上方的覆盖层厚度之间取得一个平衡。但无论如何，明洞基槽的开挖始终会使得边仰坡不可避免。

图4、图5为引导进洞法的设计方案，之所以命名为“引导进洞法”，是因为该方法在洞口设置护拱，并在护拱的防护和约束下，采用暗挖法进洞施工，护拱的作用可以形象地理解为将隧道的开挖施工从隧道的洞口边界顺利过渡到洞身段。不难看出，从隧道进洞施工伊始，隧道自始至终为暗挖法施工，没有洞外土石方开挖，也就不会存在边仰坡，即真正意义上实现了零开挖进洞。为方便比较论述，本方案洞口桩号与传统进洞方案保持一致，如图4、图5所示。

2 护拱的作用

护拱在隧道工程中有一些应用，如半明半暗工法中的护拱。在引导进洞法中，护拱的作用将是多方面的，而且是关键的、重要的：

（1）护拱下方土石方开挖后，采用暗挖支护形式，即喷锚初衬+注浆锚杆（见图6），较之明洞槽开挖形成的边仰坡挂网喷混支护方式（见图11）更强、更可靠。在护拱辅助下开挖面闭合成环，护拱下方两侧开挖面采用喷锚支护，锚杆的选择视地质情况的好坏而确定，可选择注浆小导管或药卷锚杆等，洞口岩土较差时，可在喷混中设置钢架加强支护。护拱及其上方的回填素混凝土提供足够的压重及约束，确保环形初衬的有效性。

为验证护拱的这一重要作用，按照是否考虑护拱作用，分两种模式对引导进洞段的初衬支护进行简要的对比计算分析。初衬结构按照置于弹性地基的结构物考虑，计算荷载取开挖后护拱下方两侧的土石侧压力，并偏于安全的取拱脚部位的侧压力，计算参数按照《隧道设计规范（第一册 土建工程）》[1]表A.0.7-1取值，洞口按V级围岩考虑，γ=19.5 kN/m3，φc=45°，可采用规范D.0.2-2式进行计算，即式（1）：

e=γHtan2（45-φc2）（1）

式中：e——侧向均布压力;

γ——岩土容重;

H——洞口段开挖高度;

φc——围岩计算摩擦角。

于是得式（2）：

e=19.5×8.9×tan245-452=29.78 kN/m （2）

为便于分析，左右两侧的侧压力按对称布置（即暂不考虑偏压的影响）。护拱及其上方回填以压重荷载的形式进行考虑，取q=25×1.09=27.25 kN/m，地层弹性抗力系数取k=150 MPa/m。

分析结果如图7～10所示：

由图7～10可知，当计算模型取消护拱压重时初衬最大弯矩达到M1max=81 kN·m;而在有护拱作用的工况下，初衬最大弯矩仅为M2max=24 kN·m。计算结果表明，护拱的压重和约束作用能明显地改善初衬受力，并能有效控制两侧开挖面的水平位移。

（2）护拱引导开挖进洞，并作为进洞段衬砌浇筑的外模。护拱的设置对进洞段的开挖具有引导性，作用类似于竖井井口的锁口环梁。同时，引导进洞段的初衬及二衬的施工均离不开护拱的模板作用。

（3）进洞开挖之前，护拱及其上方的回填重量对原状山坡坡脚能起到反压作用，在一定程度上补偿进洞开挖的卸载，也就增加了引导进洞施工的安全系数。

（4）设置护拱后，洞口段开挖均在护拱下方进行，不受不良天气的影响，这在雨季施工时将具有极大的优越性。众所周知，传统的洞口施工方法在雨季开挖明洞基槽时，若边仰坡防护不及时、施工质量达不到要求或边仰坡较高时，极易因雨水的作用而产生滑坡灾害。而引导进洞法自始至终都是在暗挖的环境下施工的，自然能杜绝雨水的影响。

（5）在洞口偏压较严重的情况下，护拱及其上方的回填将能平衡并抵御偏压水平力的作用，促进洞口山体的稳定，这在偏压地形洞口设计实例中得到了充分的体现。

3 引导进洞法的特点

引导进洞法的优点或者说其优越性是显而易见的，其优点大多建立在护拱的作用机理上。具体而言，这种进洞方法的优点如下：

（1）消除了传统洞口施工的邊仰坡，彻底实现零开挖进洞，有效普及零开挖进洞，其效益以及意义在隧道工程领域将是非常可观的。因为过去边仰坡开挖而产生的滑坡坍塌等灾害将能得到有效抑制，工程实施的安全风险大大降低了，零开挖进洞最大限度地保持了原有地形，更加环保。

如图11所示，在典型的地形条件下，采用传统设计方法，洞口段边仰坡高度达到了17.33 m，暗洞正前方端面为竖直开挖面，需要加强支护，永久边仰坡高度则为6.08 m。明洞土石方开挖方量约为1 200 m3，卸载重量见式（3）：

G=γV=19.0×1 200=22 800 kN（3）

开挖卸载位于坡脚，一般该部位为边坡的阻滑区段，卸载将导致边坡阻滑力较大幅度减少。不难看出，传统进洞方法存在大规模开挖卸载、刷坡，地质灾害发生的概率大大增加，这是国内乃至世界上隧道工程洞口段事故时有发生的根本原因所在。

对比图6，可以发现，引导进洞法从一开始就进入了洞内施工，完美地规避和杜绝了洞外边仰坡的开挖，其重点转移到了进洞段的暗挖支护方案的设计和施工，在护拱的作用下，其实施的风险较之传统进洞方案将小得多。

（2）进洞施工不再受到雨季的不利影响，安全及工期均得到了有效的保障。

（3）护拱及回填能提供反压荷载，补偿进洞开挖的部分卸载，有利于山体稳定。

（4）对洞口地形的适应性强，地形越复杂，越能体现该方法的优越性。对于严重偏压地形，洞口的设计施工将同样变得简单化、标准化，这是由引导进洞法的本质属性决定的，即其设计施工方法的实质乃是暗挖法。

关于引导进洞法的造价及工期问题，笔者认为应建立两个基本概念：

（1）洞口造价相对隧道总体造价而言，占比非常小，基本不影响隧道总体造价。如果设计合理的话，引导进洞法甚至可能较传统进洞法更经济。

（2）引导进洞法在护拱及超前大管棚施工完成后即进入暗洞施工，不需要进行明洞槽的开挖和明洞结构的浇筑施工，而且不受雨季施工影响，因此能较大幅度节省工期，这在广西贺州至巴马高速公路蒙象段一期工程实施过程中得到了验证。

4 偏压地形洞口设计中的应用实例

在广西贺州至巴马高速公路蒙象段一期工程实施过程中，对引导进洞法进行了实践。黄洞河二号隧道右线出口洞口存在严重偏压，如果采用传统进洞方法将很难实施，除非能容忍大量开挖，刷高边坡，否则无法进洞。但这不仅容易破坏环境，还存在极大的滑坡、坍塌等潜在风险，应杜绝这种方案。如果采用前文提出的引导进洞法，将使问题变得简单，可以比较满意地解决这个问题，实现零开挖进洞。

如图12所示，偏压较大的情况下，在护拱左下角设置素混凝土扩大基础，而扩大基础可起到抑制沉降及抵抗偏压下滑力的作用。偏压一侧（图中左侧）护拱外侧的素混凝土回填加厚，并以适宜倾角倾斜，其作用相当于偏压挡墙，护拱、回填素混凝土及扩

大基础共同抵抗偏压水平力。从图12中可以看出，采用引导进洞法后，直接可以实现零开挖进洞，而护拱及回填提供了足够的防护;暗挖进洞时，右侧开挖面可考虑采用预应力锚杆与中空注浆锚杆相结合的方式加强支护，初衬中增加设置型钢钢架，可确保安全实施。

5 结语

对于山岭钻爆法隧道，引导进洞法较之传统进洞方法具有多项优越性，最突出的一个方面是不需要开挖刷坡即可进洞，从真正意义上实现普适的零开挖进洞，既环保，又能有效避免发生滑坡及坍塌等地质灾害，安全性高。此外还具有多项优点：

（1）隧道洞口施工不受雨季施工影响。

（2）对地形适应性强，可适用于各种复杂地形，即每一个洞口都可以做到零开挖进洞。特别对于大偏压地形，更能体现其优越性。

（3）节省工期，综合效益好。

综上所述，引导进洞法值得大力推广应用。

[1]JTG 3370.1-2018，公路隧道设计规范（第一册土建工程）[S].

[2]关宝树.隧道工程施工要点集（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2003.