老莊1號和2號隧道洞口受力分析及進洞方法

黃存才

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西太原 030032)

1 工程概況

老莊1號，2號隧道為張家界至花垣高速公路的關鍵性工程，隧道不長，圍巖極差。設計為分離式雙洞單向交通隧道，老莊1號隧道左右洞測設線間距為8.28 m～9.53 m，屬于超小凈距隧道。左洞起訖樁號ZK49+014.5～ZK49+275，全長260.5 m，右洞起訖樁號為YK49+015～YK49+275，全長260 m。隧道左右線進出口均位于直線上，左右洞路面最大橫坡均為2%～3%。隧道縱面位于2.45%的上坡段。老莊2號隧道左右洞測設線間距為12 m～15 m，屬于小凈距隧道。左洞起訖樁號ZK49+500～ZK49+908，全長408 m，右洞起訖樁號為YK49+515～YK49+905，全長390 m。隧道凈空為10.25 m×5.0 m。全隧道圍巖分別為S4d，S5c兩個級別，S4d級圍巖復合式襯砌為489 m，S5c級圍巖為744 m，明洞為80.5 m。

隧道所處地貌屬中低山地貌，場地地形起伏大，與地形等高線呈大角度相交，表層覆蓋層主要為第四系更新統(Qp)地層，以碎石、粉質粘土為主，厚度小，分布不均勻;下層基巖為寒武系中上統地層，巖性為白云巖，隱品質結構。坡面主要為灌木、蕨類植物覆蓋，隧道兩端洞口均位于山體陡壁上，附近基本無道路相通，交通極不便利，施工條件極差。

2 工程特點

2.1 隧洞洞口的受力狀態決定進洞方式

由于老莊1號，2號隧道為分離式隧道，進出口有8個，這樣隧道進、出洞成為施工組織中最重要的一環。進洞方法的選擇既是決定施工成敗的首要因素，經濟原因也是進行技術方案必選的重要因素，雖然軟巖隧道采取大管棚進洞+套拱進洞是比較成熟的方法，但是，也并非所有軟巖隧道都必須采用大管棚進洞。軟巖隧道進洞要達到技術上可行、經濟上合理、安全上保證的條件，首先必須搞清楚洞口的受力狀態。根據洞口的受力狀態來決定是否該采用大管棚或者采用小管棚進洞。

2.2 洞口位置的選擇

結合湘西張家界自然保護區嚴格的環保政策，按照“零開挖進洞”的施工理念，洞口位置選擇應充分貫徹“早進晚出”的原則，盡量不破壞仰坡，實踐證明如采取管棚技術進洞，洞頂覆蓋層厚0.5 m～1.0 m即可，一般不宜超過1.5 m，最大不要超過3.0 m。

3 洞口受力分析

這里著重講述縱向的受力分析。仰坡開挖后，必然沿縱向產生土壓力。對土壓力大小及滑面位置的確定，有各種理論選擇，選擇其中最簡便的又能滿足施工需求的理論來進行分析，庫侖理論是一種理想的工具。庫侖理論的地面線或擬合地面線坡度及洞口圍巖的類別作為受力分析的兩個指標來分析。

3.1 庫侖理論的應用

洞口仰坡開挖后(按垂直開挖)，在原位置處設想一擋墻(見圖1)，在地面為一直線(洞口地面如有起伏，就擬合成直線)的情況下，應用彭塞利(J.V.Poncelet，1788～1867)作圖法可以確定滑面位置及土壓力大小。

圖1 彭塞利作圖法

1)從B作BC與水平線呈φ角，稱φ線，從A作AL0與墻背呈φ+δ角，稱為基線(此處δ=φ);

2)在φ線上以BC為半徑作半圓;

3)從L0點作BC的垂線L0I，交半圓于I點;

4)在φ線上量BL=BI，從L點作LD∥AL0，則BD即為所要求之滑面。

其方向為平行于φ線，位置在距基底1/3h處(h為仰坡開挖高度)。

3.2 極限穩定分析

當洞口邊仰坡和地表加固以及初期支護強度不足，或襯砌未及時施作時，洞口土體會產生與水平面夾角呈 φ的極限滑面(Ⅴ級圍巖φ=20°～27°)。此時，依據受力情況可將滑體分為A，B兩塊，如圖2所示。

圖2 極限穩定示意圖

其中A塊受B塊傳遞來的推力和自重，B塊為滑體，其傳遞給A塊的力為ΔT=W·sinφ-f·W·cosφ-cl，B塊處于極限穩定狀態，其是否滑動取決于f值和c值的變化(ΔTmax一般為c=0，f=0.3時)。

3.3 洞口受力分析及進洞方法選擇

1)首先作出洞口中心縱斷面圖(將地面線進行直線擬合);2)用彭塞利作圖法，找出滑面位置，并作φ線找出極限滑面位置;3)如果仰坡面距隧道洞內開挖線與滑面交點距離l小于4.5 m，即可采取小管棚法進洞(理由:風槍鉆孔深度不超過6.0 m，其中要求管棚插入滑面不少于1.5 m)，否則，應采取大管棚進洞，而且大管棚的長度任何時候必須大于l+錨固長度，且不小于D，較合理長度為D+H·tan(45°-φ/2)(D為隧道開挖直徑，H為隧道開挖高度);如果考慮到開挖至仰坡面距洞內開挖線與極限滑面交點時，尚不能襯砌，則必須施作l+錨固長度的大管棚;4)從圖2中可以看出，洞口滑體依據受力情況的不同可分為A區和B區，在A區時，隧道支護結構不僅受豎向松散荷載作用，而且受縱向滑坡推力作用，此為極度危險區，而通過A區進入B區后，支護結構就少了滑力推力，也只有此時，支護結構受力的平面假設才與實際相符合。隧道施工處于A區時，應特別強調:

a.初期支護強度要足夠，包括縱向聯結強度;

b.初期支護盡快閉合成環;

c.二次襯砌要盡快施作，二次初砌要加強。原則上在隧道進洞后8 m～12 m(不超過l，并不超過距離D)后立即施作仰拱，將支護封閉成環，在通過A區之前務必施作二次襯砌。

4 進洞方法

4.1 小管棚進洞

1)開挖仰坡、邊坡。仰坡可按分級分部垂直開挖，邊開挖、邊加固，邊坡可按1∶1坡比開挖或不留邊坡，仰坡一次開挖高度不應超過3.0 m。開挖仰坡應留核心土。一般先挖至管棚范圍高度，管棚施作完后再挖下部;

2)加固地表及邊、仰坡。應一邊開挖一邊以錨桿、掛網及噴混凝土加固，有關參數為:錨桿:Φ22～Φ25螺紋鋼，長為3.5 m～6.0 m，間距為0.5 m～1.0 m;鋼筋網:φ6～φ8鋼筋，網格間距20 cm×20 cm，距坡面3 cm～5 cm敷設;噴混凝土:噴C20混凝土，厚為10 cm～15 cm;

3)架設拱部格柵或工字鋼架，間距為0.5 m～1.0 m，距仰坡面的長度不小于2.0 m;

4)穿過格柵或鋼支撐腹部，環向間距按0.3 m～0.5 m，中心夾角120°～170°布置小導管，小導管參數:長6.0 m(錨入長度)，φ42 mm～φ50 mm，壁厚5 mm～8 mm，壓注水泥漿或水泥—水玻璃漿;

5)在鋼支撐外側覆蓋鋼板或木板，板底面距鋼支撐間距為3 cm～5 cm;

6)在鋼支撐正面及下面噴射混凝土，將鋼支撐包裹;

7)開挖下部并安裝下部鋼支撐及噴射混凝土;

8)于鋼支撐底腳設鎖腳錨桿，施作仰拱;

9)環形開挖進洞(若地質條件較好，可不留核心土);

10)進洞后按間距50 cm～80 cm布置鋼支撐，并按超前支護搭接長度不小于2.0 m布置超前支護;

11)進洞8 m～12 m后(不超過l，并不超過距離D)及時施作仰拱;

12)在不超過A區及時施作二次襯砌;

13)進洞完成。上述作業見圖3。

4.2 大管棚進洞

4.2.1 檢算所需套拱長度

用按庫侖理論計算出的土壓力分別按抗滑穩定和抗傾覆穩定來檢算套拱長度。

1)土壓力確定。

其方向為平行于φ線，位置在距基底1/3h(h為仰坡開挖高度)處;將套拱看作混凝土矩形擋墻。

圖3 小管棚進洞示意圖

2)抗滑穩定性核算。

抗滑穩定用抗滑穩定系數Kc表示。

其中，N為作用于基底的總垂直力;∑Ex'為墻前土壓力的水平分力;∑Ex為墻后主動土壓力總水平分力;f為基底與動基之間摩擦系數，碎石類土取0.50，砂類取±0.40，粘性土取0.25～0.40。Kc不應小于1.2。

3)抗傾覆穩定性檢算。

其中，∑My為穩定力系對墻趾的總力矩;∑Mo為傾覆力系對墻趾的總力矩。Ko不應小于1.3。

4.2.2 管棚施工

1)仰坡開挖并加固(同小管棚施工)，應注意在套拱位置處設仰坡加固錨桿，并使錨桿外露1 m以上，以便使套拱與仰坡連成整體;

2)施作拱部套拱。套拱厚度宜為80 cm～100 cm，并將配鋼筋與加型鋼支撐相結合，若僅加型鋼而不配筋，因型鋼保護層太厚，容易造成套拱混凝土開裂(若地質條件較好，套拱可一次作到位);

3)管棚鉆孔及注漿;

4)仰坡下部開挖加固及套拱下部施作;

5)套拱仰拱施工(有的設計沒有仰拱，但若地基承載力較弱或易受水的侵害，則必須設仰拱);

圖4 大管棚施工示意圖

6)套拱底腳設縱向鎖腳錨桿，以增強套拱抗滑及抗傾覆能力;

7)臺階法掘進，并支護;

8)進洞8 m～12 m后(不超過l，并不超過距離D)及時施作仰拱;

9)在不超過A區及時施作二次襯砌;

10)進洞完成。上述作業見圖4。

5 結語

經過計算分析，決定老莊1號隧道左右線出口采用小管棚進洞，老莊2號隧道左右線進口采取大管棚+套拱進洞，管棚長度為18 m，目前均已施工完畢，安全可靠。在實際施工過程中對照現場研究圖紙，理解設計意圖，并優化設計，防范盲目組織施工，導致邊、仰坡開挖過大，防護和恢復植被困難。在確保設計合理的前提下，根據與業主的合同要求，結合本單位的技術裝備和施工經驗，按照技術上可行、經濟上合理、安全上保證的條件，制定出合理的施工方案。施工方案確定以后，一方面要認真作好技術交底工作，將方案貫徹下去，另一方面要選擇有實力的專業化隊伍來組織實施，并在實施過程中繼續優化方案。

［1］ 劉成宇.土力學［M］.北京：中國鐵道出版社，2011.

［2］ 鐵道部第二勘測設計研究院.《隧道》鐵路工程設計技術手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［3］ JTG F60-2009，公路隧道施工技術規范［S］.