高速铁路偏压隧道高边坡零开挖进洞施工技术研究

刘保成

(中铁二十二局集团第四工程有限公司 天津 301700)

高速铁路在山区多以隧道方式通过[1]，但是受线路选线位置、山区地形、地质情况等多方面因素的影响，隧道洞口段的差异较大。隧道洞口段是高风险区域，选择合理的进洞方案是确保隧道安全高效快速进洞的关键[2]。在洞口高边坡地段，放坡开挖进洞方案不可避免地会产生“大挖大刷”问题，不仅会造成新的边坡稳定隐患，更不符合环保要求。“零”开挖进洞技术逐渐体现出优势[3]。

1 工程概况

杭温铁路设计时速350 km，西安隧道全长2 021.28 m，起讫里程DK244＋764.72～DK246＋786，为双线单洞结构，跨度较大。隧址区地貌为低山地貌，地形起伏较大，沟谷发育，海拔在295～714 m。进口段为山坡麓斜坡地形，坡度20°～40°。山体植被发育，地表水丰富，地下水为第四系松散岩类孔隙水，主要赋存在残坡积土层中。

隧道进口边坡陡峭，地质条件较差，隧道洞轴线与洞口等高线斜交，既有山体与轨道面交点在DK244＋776位置，洞口偏压严重，洞口地貌如图1所示。

图1 西安隧道进洞段现场地貌

2 进洞施工技术方案

2.1 工程地质特点

2.1.1 偏压严重

线路紧贴山脚，隧道轴线与洞口等高线斜交，洞口偏压严重，线路周边坡脚施工会导致上部岩体失去支撑，诱发滑移趋势，致使线路周边的山体应力急剧增加，容易造成坍塌和岩体失稳滑坡[4]。

2.1.2 埋深浅，地质结构复杂

隧道埋深浅，周边岩体在垂直节理裂隙面上分布有大量的弱面，这些弱面大部分由节理和裂隙的切割形成，且由于自身的特性导致弱面被开挖工序的扰动明显，岩体在重力作用下很难形成结构，表现为下沉变形量大、应力释放明显、结构破坏具有突然性等显著特点[5]，是塌方事故的高发地区。施工不当，容易引起工程滑坡[6]。

2.1.3 地下水位高，对施工影响大

隧道位于冲沟边，沟内常年有流水存在。因山体裂隙多，裂隙中会储存大量的地表水，此地表水是地下水的有效补充，导致地下水位高。在雨季，降水及其他来源的水会通过裂隙围绕在隧道的四周，在渗透压力作用下不断地涌入隧道内。降低围岩的力学性能，导致隧道出现塌方冒顶事故[7]。

隧道内各工序循环是紧密配合的，当涌水随着裂隙进入洞内后，会扰乱已经流畅的施工工序，且渗水在隧道底板上形成较厚点的污泥浆液，不仅导致人员通行困难，而且机械设备的施工效率明显降低[8]。

工序时间拉长，洞内围岩长时间暴露在外界的空气中，很容易导致围岩失稳和坍塌[9]。

2.2 方案优缺点分析

西安隧道洞口在现有偏压、高边坡特征的基础上，计划采用如下进洞方案。

2.2.1 放坡开挖进洞方案

常规放坡开挖进洞法，通常采取边仰坡刷坡和加固后进洞方法，该方案施工技术起点低[10]，工艺简单但施工存在如下困难:

(1)若对洞口段边仰坡进行常规刷坡，开挖线需翻越原山脊，出现“大挖大刷”现象。

(2)常规刷坡会导致形成新的高陡边坡，容易诱发地质灾害事故，不利于山体的稳定，容易导致后期运营修复工作复杂。

(3)洞口的原有植被势必会遭到毁灭性的破坏。

2.2.2 “零开挖”进洞方案

“零开挖”进洞法可以利用山体既有的稳定边坡结构，减少对洞口植被破坏[11]，施工存在如下困难:

(1)隧道洞口植被茂密，皆为浅层表土，偏压条件下的浅层表土无法自稳，施工不当容易导致塌方、冒顶等多种安全事故。

(2)进洞需要穿过山体的岩石风化表层，这些岩石的风化程度高，自身强度低，容易产生滑坡问题。

(3)施工安全风险极大，围岩容易发生大变形，支护结构容易开裂、严重时会导致支护体系整体失稳。

2.3 进洞技术方案

经过综合对比分析，根据实际情况，最终采用“零开挖”进洞方案，通过抗滑桩防偏压、护拱补强、超前管棚预支护和注浆等施工手段，实现洞外护拱与山体合为一体，在预支护体系内进入山体腹部进行洞内施工，实现“零开挖”进洞的目标，过程中监测浅埋段地表沉降观测、护拱沉降及位移监测、抗滑桩水平及竖向位移监测等项目。

2.3.1 洞外施工方案

(1)DK244＋770～DK244＋781段洞口右侧设置2根抗滑桩，采用C35混凝土现浇，桩截面长度2.5 m，宽度2.5 m。桩间距5 m，桩长24 m，桩体外露9 m。洞口及明洞段右侧边坡采用锚杆框架梁结合客土植生防护，锚杆长10 m，间距长度3 m，宽度3 m，水平方向夹角15°。

(2)DK244＋770～DK244＋781段洞外施作护拱结构，护拱采用C35钢筋混凝土一次浇筑成型，预留200 mm变形量。为保证护拱拱脚稳定，两端拱脚处设置两排φ89钢管锚固，钢管长5 m，纵向间距0.5 m。护拱混凝土强度达到100%后，进行洞顶10%水泥土反压回填，表层为50 cm厚黏土隔水层。

(3)DK244＋770～DK244＋800段(即洞外11 m护拱段和洞内19 m暗洞段)采用30 m超前大管棚预支护措施，管棚在护拱混凝土内插入岩体，将护拱与既有山体连成整体。管棚采用φ108 mm热轧无缝钢管，壁厚6 mm，中心间距40 cm，外插角1°。管棚内放入钢筋笼并用M30水泥砂浆填充密实。

洞外护拱及回填施工如图2所示。

图2 洞外护拱及回填施工示意

2.3.2 洞内施工方案

管棚施工完成后，暗洞自DK244＋776位置采用三台阶临时仰拱法施工，钢架采用 22a钢架，间距0.6 m，施工中采取监控措施。支护参数见表1。

表1 西安隧道进口施工参数

2.3.3 水害解决方案

水害治理按照防水为主、排水为辅的原则，做好疏水、堵水、排水三项工作。

(1)进洞前阶段

山体地表处理时间避开雨季，线路左侧开挖线外5 m处设置一道截水沟截排山体汇水。

(2)隧内阶段

施工前用地质雷达探明掌子面前方是否有水，水压大小及补给水源的分布情况。结合超前水平钻孔的实测资料制定隧道内的水害治理方案。

开挖前做好超前支护措施，用管棚和小导管做好超前支护。

隧道开挖时，设置好临时排水沟，疏导掌子面渗水和附近积水[12]。

隧道每循环开挖后，尽快用喷射混凝土封闭裸露围岩。

隧道二衬施工前，采用防水板和土工布满铺、排水板间隔铺设的原则，防水板外侧采用环向和纵向渗水盲管引流地下渗水。

2.4 施工流程

危岩落石处理→洞口截水天沟→洞口锚固桩施工→洞口边坡清理及临时防护→护拱施作→长管棚施工及注浆→暗洞施工→护拱段回填→洞口永久边坡防护。

预加固桩整体施工方案以人工挖孔为主，辅以水磨钻配合成孔。

桩孔护壁衬砌及时紧跟开挖面，确保桩体的施工质量。

预加固桩达到设计强度，确保山体稳定后方可进行护拱边仰坡开挖与防护和拱顶施工，护拱整体预留20 cm变形量，采用模板一次浇筑法施工。

护拱强度满足设计要求后可进行土石方反压工序，反压土石的顶部设置防水层和排水沟，防止雨水下渗。

3 监控量测分析

3.1 监测项目

监测项目包含浅埋段地表沉降观测、护拱沉降及位移监测、抗滑桩水平及竖向位移监测等项目。

3.1.1 浅埋段地表沉降观测

分别在 DK244＋778、DK244＋780、DK244＋790三个断面布置沉降观测断面。

3.1.2 护拱沉降及位移监测

沿线路方向在护拱顶部的线路中线及左右各3 m处布置 3条沉降变形监测线，在 DK244＋771、DK244＋775、DK244＋779三个断面布置位移观测断面。

3.1.3 抗滑桩水平及竖向位移监测

分别在两根抗滑桩顶部布置2个监测点，监测桩体的水平和竖向位移。

3.2 监测结果分析

根据监控量测资料分析，暗洞施工期间山体稳定，浅埋段地表沉降速率远低于0.2 mm/d。地表最大累计沉降量为13.4 mm，出现在DK244＋785断面拱顶上方，地表无明显的裂纹。

护拱结构在暗洞上台阶和中台阶施工期间处于稳定状态，无明显变形，在暗洞下台阶及仰拱开挖后，沉降值急剧增长，增幅高峰值为0.9 mm/d，而后趋于稳定，整体变形值满足设计要求，护拱在水平方向无明显变形值。

护拱结构在DK244＋779断面的沉降变形值明显高于DK244＋771断面，但二者的变形趋势基本相同。

抗滑桩的竖向位移值较小，基本无变化，但水平位移存在明显的阶段性，在仰拱开挖后存在明显的增幅，增幅高峰值为0.7 mm/d，仰拱施作后逐渐趋于稳定。

分析数据表明:

(1)“护拱＋长管棚注浆”预支护措施可以达到防止浅埋段山体围岩过量变形，控制隧道变形的目的。

(2)暗洞施工期间，在管棚预支护体系下部的喷射混凝土、钢拱架、锚杆形成的临时支护体系对整个隧道的变形起到了有效的抑制作用。

(3)长管棚的一端固定在护拱上，另一端固定在岩体上，在进行暗洞施工时，管棚可以将围岩的部分载荷传递到护拱结构上，减轻暗洞围岩的负荷。

(4)暗洞开挖会放大山体的偏压效应，抗滑桩对山体偏压段的处理效果较好。

4 结论

西安隧道进口自2020年9月份采用“零开挖”进洞以来，通过抗滑桩防偏压、护拱补强、超前管棚预支护和注浆等措施，实现洞外护拱与山体合为一体，达到了安全高效施工的目的。

零开挖进洞方案可在保证山体稳定、支护结构安全的前提下，避免洞口“大挖大刷”的问题，减少植被破坏，保证洞口的安全。