隧道洞口設(shè)計(jì)原則探討——施工便道引入對(duì)隧道洞口設(shè)計(jì)的影響

趙柏文

(中鐵二院貴陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550002)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)西南地區(qū)的幾個(gè)鐵路項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些隧道洞口設(shè)計(jì)文件與實(shí)際施工的結(jié)合做得不夠好，設(shè)計(jì)要求避免大刷大挖［1－4］，但結(jié)合施工實(shí)際往往很難做到，現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際與設(shè)計(jì)意圖不符，給施工及運(yùn)營(yíng)安全埋下隱患。經(jīng)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)目前針對(duì)洞口設(shè)計(jì)方面的研究關(guān)注比較多的是特殊地形［5－6］、地質(zhì)條件下［7］的進(jìn)洞方案以及洞口景觀、新型洞門形式［8］等，關(guān)于施工對(duì)隧道洞口設(shè)計(jì)的影響少有涉及，本文引用幾個(gè)洞口設(shè)計(jì)與施工實(shí)際的對(duì)比案例，分析隧道設(shè)計(jì)與隧道施工條件結(jié)合對(duì)隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全的影響，以渝黔線羊角一號(hào)隧道洞口設(shè)計(jì)為例，提出結(jié)合洞口便道引入優(yōu)化洞口設(shè)計(jì)的思路，將結(jié)合施工條件確定洞口設(shè)計(jì)作為一條原則貫徹到隧道洞口設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別是洞口地形陡峻時(shí)，設(shè)計(jì)應(yīng)為施工便道的引入預(yù)留條件，使設(shè)計(jì)文件與實(shí)際施工更好地結(jié)合起來(lái)。

1 洞口設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 洞口設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

隧道洞口位置應(yīng)根據(jù)地形、地貌、地質(zhì)、水文等條件，貫徹“早進(jìn)晚出，不破壞或少破壞自然地貌和地表植被”的原則，同時(shí)結(jié)合洞內(nèi)外相關(guān)工程、施工條件及運(yùn)營(yíng)要求確定。盡可能采用“無(wú)仰坡臨界點(diǎn)”進(jìn)洞，盡量避免刷坡，減少中心挖深及邊、仰坡高度，減少對(duì)洞口坡面的擾動(dòng)，以不破壞或少破壞原地表為宜，必要時(shí)采用預(yù)加固措施。

1.2 洞口設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

在近幾年的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)目前在隧道洞口設(shè)計(jì)方面能夠很好地結(jié)合地形、地貌、地質(zhì)及水文條件，也很好地貫徹了“早進(jìn)晚出，不破壞或少破壞自然地貌和地表植被，無(wú)仰坡臨界點(diǎn)進(jìn)洞”的設(shè)計(jì)理念，但在滿足施工條件方面還做得不夠好，在洞口設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)意圖多為不破壞或少破壞洞口原地貌，但是當(dāng)遇到控制工期的隧道工程，或者部分隧道要求獨(dú)頭施工時(shí)，需要在陡坡洞口開(kāi)辟工作面及引入施工便道，由于場(chǎng)地狹窄，施工單位不能完全貫徹洞口避免大刷大挖的意圖，造成了現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際與設(shè)計(jì)脫節(jié)現(xiàn)象。

2 未結(jié)合施工條件的工程案例

2.1 案例1

2.1.1 隧道概況

長(zhǎng)洪嶺隧道是新建鐵路重慶至利川線的重點(diǎn)工程，全長(zhǎng)13.29 km，隧道主要穿越侏羅系上統(tǒng)遂寧組、中統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖、砂巖，隧道設(shè)有橫洞及斜井，共分為5個(gè)工區(qū)，其中進(jìn)口工區(qū)承擔(dān)2.4 km的正洞施工。

2.1.2 隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)情況

該隧道進(jìn)口原設(shè)計(jì)為臺(tái)階式洞門，洞口處路基面開(kāi)挖寬度為13.6 m，線路左右兩側(cè)設(shè)計(jì)10 m和8 m高的擋墻，建筑材料為C25混凝土，端墻厚1.5 m，建筑材料為C30鋼筋混凝土，洞口正面設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 案例1洞口正面設(shè)計(jì)圖Fig.1 Case 1:tunnel portal designed

2.1.3 隧道進(jìn)口施工情況

隧道施工開(kāi)辟進(jìn)口工區(qū)，從隧道洞口右側(cè)引入施工便道，由于洞口場(chǎng)地狹窄，不可避免地需要將原設(shè)計(jì)文件中洞口右側(cè)的擋墻及土體開(kāi)挖至路基面，設(shè)計(jì)文件與施工實(shí)際存在較大出入，原設(shè)計(jì)文件中未涉及施工便道引入對(duì)洞口工程影響的內(nèi)容，施工中結(jié)合便道引入對(duì)洞口的開(kāi)挖及支擋結(jié)構(gòu)做了變更，變更后施工便道從隧道右側(cè)引入，隧道洞口照片如圖2所示。從圖2可以看出，洞口右側(cè)沒(méi)有了端墻與擋墻共同受力的結(jié)構(gòu)，端墻高度過(guò)高，不利于隧道仰坡穩(wěn)定。

圖2 案例1洞口施工后照片F(xiàn)ig.2 Case 1:tunnel portal built

2.2 案例2

2.2.1 隧道概況

貴陽(yáng)市域鐵路的某隧道全長(zhǎng)2.3 km，全隧施工分為進(jìn)口和橫洞2個(gè)工區(qū)，其中，進(jìn)口工區(qū)承擔(dān)1.5 km的隧道施工任務(wù)，但隧道進(jìn)口仰坡陡峻，與橋臺(tái)距離較近，洞口段為泥質(zhì)白云巖，巖性較差。

2.2.2 隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)情況

隧道進(jìn)口原設(shè)計(jì)為柱式洞門，洞口處路基面開(kāi)挖寬度為13.6 m，端墻厚1.5 m，建筑材料為 C30混凝土，隧道兩側(cè)邊坡按穩(wěn)定邊坡率開(kāi)挖，滿足洞口結(jié)構(gòu)寬度及橋臺(tái)設(shè)置要求，洞口正面設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 案例2洞口正面設(shè)計(jì)圖Fig.3 Case 2:tunnel portal designed

2.2.3 隧道進(jìn)口施工情況

隧道施工開(kāi)辟進(jìn)口工區(qū)，從隧道洞口右側(cè)引入施工便道，由于洞口場(chǎng)地狹窄，不可避免地需要將原設(shè)計(jì)文件中洞口右側(cè)的土體開(kāi)挖至路基面，設(shè)計(jì)文件與施工實(shí)際存在較大出入，原設(shè)計(jì)文件中未涉及這部分內(nèi)容，所以結(jié)合便道引入對(duì)洞口的開(kāi)挖做了變更。為防止山體出現(xiàn)側(cè)滑，在坡腳設(shè)置混凝土垛墻，保證坡面穩(wěn)定的措施過(guò)于單薄，當(dāng)遇雨季施工時(shí)，很難確保洞口坡體的穩(wěn)定。隧道施工開(kāi)挖后的隧道洞口照片如圖4所示。

圖4 案例2洞口施工后照片F(xiàn)ig.4 Case 2:tunnel portal built

2.3 案例3

2.3.1 隧道概況

貴陽(yáng)市域鐵路的某隧道全長(zhǎng)2.4 km，全隧施工均由出口工區(qū)承擔(dān)，隧道洞口仰坡陡峻，且與橋臺(tái)相鄰，地表植被發(fā)育，覆土較厚，洞口段為泥質(zhì)白云巖，巖性較差。

2.3.2 隧道出口設(shè)計(jì)情況

隧道進(jìn)口原設(shè)計(jì)為擋墻式洞門，洞口處路基面開(kāi)挖寬度為13.6 m，端墻厚1.8 m，建筑材料為C30混凝土，隧道兩側(cè)邊坡設(shè)置7 m高的C25混凝土擋土墻，擋墻厚0.8 m，滿足洞口結(jié)構(gòu)寬度及橋臺(tái)設(shè)置要求，洞口正面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 案例3洞口正面設(shè)計(jì)圖Fig.5 Case 3:tunnel portal designed

2.3.3 隧道出口施工情況

隧道施工開(kāi)辟出口工區(qū)，從隧道洞口左側(cè)引入施工便道，由于洞口場(chǎng)地狹窄，不可避免地需要將原設(shè)計(jì)文件中洞口左側(cè)的土體開(kāi)挖至路基面，設(shè)計(jì)文件與施工實(shí)際存在較大出入，原設(shè)計(jì)文件中未涉及這部分內(nèi)容，所以結(jié)合便道引入對(duì)洞口的開(kāi)挖及支擋結(jié)構(gòu)做了變更，隧道洞口開(kāi)挖照片如圖6所示，施工實(shí)際與設(shè)計(jì)不符，仰坡開(kāi)挖高度較大且無(wú)預(yù)加固措施，坡面經(jīng)多次復(fù)噴，局部已出現(xiàn)剝離，如遇連續(xù)陰雨天氣，則無(wú)法保證施工安全。

圖6 案例3洞口施工后照片F(xiàn)ig.6 Case 3:tunnel portal built

3 結(jié)合施工條件的工程案例

3.1 案例4

3.1.1 隧道概況

羊角一號(hào)隧道為渝黔線的重點(diǎn)隧道之一，位于重慶市綦江縣境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)5 726 m，為巖溶單面坡隧道，隧道進(jìn)口以外11 m處為觀音河雙線特大橋，隧道進(jìn)口段2.7 km的隧道施工任務(wù)由進(jìn)口工區(qū)承擔(dān)。洞口段基巖為灰?guī)r，中厚層狀，現(xiàn)狀穩(wěn)定，但隧道仰坡順層，對(duì)開(kāi)挖后仰坡的穩(wěn)定性影響較大。

3.1.2 便道引入設(shè)計(jì)

隧道進(jìn)口下方為既有渝黔高速公路，洞口施工場(chǎng)地狹窄，高速公路右側(cè)是一條與既有210國(guó)道相連的鄉(xiāng)村公路，結(jié)合既有道路情況，設(shè)計(jì)時(shí)考慮施工便道從線路左側(cè)的既有鄉(xiāng)村公路上引出，在既有高速公路橋下通過(guò)高速公路，在隧道洞口附近時(shí)以10%的縱坡由隧道左側(cè)引入，施工便道平面布置如圖7所示。

圖7 進(jìn)口施工便道引入示意圖Fig.7 Access road to tunnel portal

3.1.3 洞口設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

由于隧道仰坡順層，且考慮到施工便道引入增加了隧道左側(cè)的開(kāi)挖范圍，為了保證施工安全，擴(kuò)大了隧道左側(cè)隧道仰坡臨時(shí)開(kāi)挖面的預(yù)加固范圍，優(yōu)化前后的隧道洞口正面設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖8。

圖8 優(yōu)化前后進(jìn)口正面設(shè)計(jì)圖Fig.8 Original tunnel portal design VS optimized tunnel portal design

3.1.4 隧道洞口優(yōu)化前后比較

優(yōu)化后隧道洞口增大了左側(cè)的開(kāi)挖及防護(hù)范圍，更符合隧道的施工實(shí)際情況，對(duì)隧道左側(cè)端墻后土體進(jìn)行預(yù)加固設(shè)計(jì)，增加了2根預(yù)加固樁，隧道進(jìn)口工區(qū)施工期間，施工便道的開(kāi)挖與洞口開(kāi)挖一并考慮支擋結(jié)構(gòu)，更有利于隧道施工期間仰坡的穩(wěn)定，確保了隧道的施工及運(yùn)營(yíng)安全。

4 結(jié)論與建議

類似本文前3個(gè)案例的情況在目前西南山區(qū)隧道洞口設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)貫徹不破壞或少破壞原始地貌的設(shè)計(jì)理念，要求不刷方或者少刷方，但隧道施工時(shí)由于便道引入不可避免地改變了原始地貌，造成了施工過(guò)程中的變更，對(duì)于支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、隧道的施工進(jìn)度、施工中臨時(shí)邊仰坡的穩(wěn)定、施工安全等均產(chǎn)生不利影響。

案例4的設(shè)計(jì)與實(shí)際施工更加契合，設(shè)計(jì)將洞口邊仰坡的開(kāi)挖及支擋結(jié)構(gòu)與施工便道的開(kāi)挖及支擋結(jié)構(gòu)結(jié)合考慮，加寬洞門端墻擋護(hù)及仰坡的預(yù)加固范圍，保證了隧道的施工及結(jié)構(gòu)安全。

目前，部分鐵路隧道洞口存在設(shè)計(jì)理念與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際脫節(jié)的現(xiàn)象，當(dāng)洞口地形開(kāi)闊時(shí)施工因素對(duì)隧道洞口的設(shè)計(jì)影響較小，但是在艱險(xiǎn)山區(qū)的隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)該重視施工因素的影響，將結(jié)合施工條件確定洞口設(shè)計(jì)作為一條原則貫徹到設(shè)計(jì)過(guò)程中。如果施工便道引入對(duì)洞口結(jié)構(gòu)有影響時(shí)，應(yīng)該在隧道洞口設(shè)計(jì)時(shí)為便道的引入預(yù)留條件，當(dāng)洞口仰坡陡峻且橋隧相連時(shí)，也可以在洞口旁側(cè)開(kāi)辟短橫洞、斜井等輔助施工通道，避免橋、隧施工的相互干擾。

另外，施工因素還包括很多方面，本文僅從施工便道引入方面論述了施工對(duì)洞口設(shè)計(jì)的影響，還需要廣大設(shè)計(jì)者從實(shí)踐中歸納總結(jié)，從而使隧道洞口設(shè)計(jì)文件能夠更好地與實(shí)際施工相結(jié)合，更好地指導(dǎo)施工。

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