西部艱險山區隧道進洞技術

姜 波， 卿韋宸， 朱 勇， 喻 渝

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

洞口段不僅是隧道最易受到自然災害影響的段落，也是施工中最易發生坍方等事故的部位之一，對施工及運營有著至關重要的作用。隧道設計中，洞口的設計經歷“晚進早出”，到“早進晚出”的理念轉變，一般地段隧道洞門形式趨向于采用與地貌、自然環境相結合的無仰坡洞門形式。

徐前衛等[1]對淺埋偏壓隧道進洞施工開展了三維數值模擬，并結合監測數據分析了施工對圍巖和支護結構力學特性的影響。達曉偉[2]等建立三維仿真模型，研究了隧道開挖對邊、仰坡的影響,優化了隧道進洞方案；余俊[3]等建立隧道開挖三維有限元計算模型, 研究了松散地層隧道進洞段管棚注漿加固效應；張廣乾等[4]結合實際工程研究了雙層注漿小導管超前支護在隧道洞口施工中作用；陳小勇等[5]結合鐵寨子1號隧道工程實例，提出了在淺埋偏壓、復雜地質條件下采用明拱暗墻法進洞施工技術。

近年來的設計經驗表明，一般的無仰坡進洞已無法滿足特殊地質條件下洞口施工及運營安全要求，進洞前往往需要先對洞口坡面進行加固、采用回填暗挖或接長明洞等進行防護和進洞方能保證工程安全。本文以西部艱險山區鐵路修建為背景，針對性地給出了穿越高仰邊坡和巖堆、滑坡等不穩定體的典型進洞技術。

1 艱險山區隧道洞口地質環境特征

艱險山區一般是指地形切割強烈，重力型不良地質發育區域，往往呈現如下特征：

(1)地形艱險，坡面高陡。艱險山區，強烈的地形切割，地表高差達幾百甚至上千米。洞口位置若選在穩定的地層范圍，導致邊仰坡刷坡會一坡到頂，加之地形偏壓，造成洞口進洞困難、防護范圍大、洞口施工場地布置受限。

(2)重力型不良地質發育。高陡仰坡段一般受到嚴重危巖落石影響，因此，在其下部緩坡地段設置的洞口往往處于重力型不良地質影響范圍，甚至受巖堆、滑坡等影響。

(3)承載功能多，結構復雜。艱險山區隧線比高，線路出露段短，多種工程往往需在較小的場地范圍內集中設置，相鄰工程交叉嚴重，導致隧道洞口承擔更多的功能，造成隧道跨度增大、附屬構筑物多等，在多種組合及不良地質條件下，對洞口結構設計提出了更高要求。

2 陡坡進洞技術

陡坡地形洞口往往是指隧道洞口設于坡度大于35 °的坡面。隧道在開挖進洞時，難以避免切削山體坡腳，破壞了山體原有平衡。在陡坡地形段，由于開挖臨空面更高，極可能造成坡面失穩。根據洞口與地形等高線的相交關系，可以細分為兩種類型，一種是正交地形進洞——隧道洞軸基本垂直等高線的，另一種是斜交地形進洞——即洞軸線與等高線呈一定角度相交。兩種條件邊坡受力有較大不同因此處理措施上也有較大區別。

2.1 正交地形進洞

艱險山區往往自然坡面陡峻，一旦洞口刷坡，往往刷坡高度較高，甚至將整個山頭切削。因此，為保護原始地表，盡可能避免仰坡刷坡，宜在零仰坡處設置隧道明暗分界，并且采用以下工程措施：

(1)明暗分界預加固，開挖明暗分界掌子面前，根據邊坡穩定性分級，確定開挖坡面防護措施，當圍巖軟弱時，應對洞口拉槽范圍邊坡及暗洞范圍設置預加固樁。采用預加固樁加固后可以適當提高刷坡坡率，減少開挖范圍，保護原始地表。

(2)管棚超前支護，為保證暗洞開挖穩定，洞口段應設置超前大管棚支護，大管棚的導向墻基礎可與明暗分界預加固樁固結。

成蘭鐵路躍龍門隧道出口即屬于較為典型的陡坡進洞工點，其所在自然坡面受侵蝕切割形成不對稱“V”型谷，隧道選擇基本正交等高線進洞，但由于坡面下切極陡，設計采用6根50 m長度的錨索樁對岸坡進行加固，樁截面達到了5.0 m×4.0 m，同時為保證隧道開挖直立面及橋臺開挖，還設置了多根預加固樁進行局部防護，從而保證了陡坡切削坡腳開挖時的安全，如圖1所示。

圖1 典型陡坡進洞方案

2.2 陡坡偏壓地形進洞技術

陡坡偏壓地形的進洞安全風險較地形正交陡坡洞口相比大，這是由于地形偏壓，開挖后洞口段處于半暗半明的開挖狀態，一方面，側邊山體失去支撐穩定性差；另一方面，隧道外露支護結構，由于無地層的約束，受力條件差。因此，極端不對稱的受力條件使隧道支護結構受力更復雜，而采用全隧暗洞進洞，靠山側刷坡方量可能非常大。因此偏壓地形更應強調零仰坡進洞，而要實現零仰(邊)坡進洞就需要創造零仰坡進洞條件，達到既對山體進行支撐又對隧道支護有約束的效果。常見陡坡偏壓地形進洞技術主要有護拱進洞，反壓回填進洞，斜交進洞等。

2.2.1 護拱進洞

護拱顧名思義就是對于偏壓段山外側隧道外露支護結構設置拱形約束支撐結構。圖2為典型護拱斷面，設置護拱進洞主要要點如下。

(1)護拱進洞，適合偏壓段較短，局部覆蓋薄或洞身露背段，若段落過長則會造成暗洞側超前支護難以設置等問題。

(2)護拱應設置在牢固的地基上，當地基承載力不足時，可采用鋼管樁或預加固樁進行加固，提高地基承載力或由樁基承載。

圖2 典型護拱斷面

(3)設置護拱段，仍不能忽視坡面穩定性問題，必要時應對山體采用預加固樁進行加固。利用預加固樁可以對山側坡面收坡，減少地表破壞。同時可利用錨桿將護拱錨固于山體，或者設置連接筋將護拱與預加固樁樁身連接。

(4)護拱一般采用混凝土結構，必要時可采用鋼筋混凝土結構，護拱與隧道主體支護結構宜分離設置。設置護拱段的隧道，二次襯砌應進行加強，靠山側初期支護應加強錨固。

2.2.2 反壓回填進洞

所謂反壓回填進洞，即在偏壓地形外側堆載，通過人造地形改變原偏壓地形狀態，將明挖進洞調整為暗挖進洞，確保坡面穩定，降低施工風險。只要反壓回填具備足夠的厚度，不僅能給偏壓山體提供足夠的支撐，還能與原始山體一起形成自承拱，大大改善偏壓地形段隧道結構受力。采用反壓回填進洞要點如下：

(1)采用反壓回填進洞，一般需放坡回填，因此設置反壓回填的洞口外側坡腳與洞身高程的高差不宜過大，否則回填工程量太大，同時還可能造成回填體自身失穩的問題。

(2)回填材料一般采用水泥土，也可采用漿砌片石等其他方式。回填坡腳應設置擋護措施，并逐層回填壓實，一般回填至覆蓋隧道拱頂2 m以上高度。

(3)反壓回填后，同樣不能忽視山體坡面穩定性問題，必要時應對山體采用預加固樁進行加固，以進一步減少山體推力。

(4)采用反壓回填時，對地基承載力和穩定性要進行檢算評估。必要時應對地基進行補強，注意防止回填土過大或下沉。

(5)回填反壓前應做好防排水系統。

(6)反壓回填段，隧道初期支護及二次襯砌均應加強。圖3為隧道洞口典型反壓回填進洞示意圖。

圖3 典型反壓回填進洞方案

2.2.3 斜交進洞技術

當隧道位置與山體坡腳高差大或者臨河偏壓時，若采用反壓回填可能存在填方量極大或回填體將侵占河道等問題；若直接明挖，則靠山側開挖量極大，可能破壞山體整體穩定性，因此，在地層條件較好，必要時可采用斜交進洞的方式。這時明暗分界、洞門結構與線路斜交，但與山體等高線正交，工程相對簡單且能大幅度減少開挖量。采用斜交進洞的方式要點如下：

(1)采用斜交方式進洞，斜交角度(與線路夾角)越小，則斜交段越長，對坡面穩定及結構受力越不利。斜交角度一般不小于45 °。

(2)斜井方式對原山體無反壓或支撐效果，對山體穩定性起不到加強效果，應對原山體采用錨桿、注漿或預加固樁進行加固防護。

(3)斜交洞口隧道開挖支護結構應單獨設計，對斜交洞口鋼架排布一般有斜交間距漸變或者斜交搭接兩種方式，如圖4所示。兩者各有優勢，前者鋼架可以逐榀成環，受力條件更簡單合理，但存在一側鋼架過密給噴混凝土等其他支護設置帶來困難，而后者克服了漸變間距的缺點，但需對鋼架搭接處進行加強，受力更復雜，工藝要求更高。

圖4 斜交洞口兩種鋼架設置方式

(4)斜交洞口隧道支護結構受力需專門檢算，宜將洞口一段的襯砌作為整體檢算，檢算長度可以根據斜交角度和山體覆蓋層厚度確定，一般情況可按二倍斜交段長度確定。

3 穿越不穩定體進洞技術

洞口位于如巖堆、滑坡等不穩定體時，應對隧道洞口穩定性進行分析，并對洞口采取加固措施。

3.1 預加固樁加固方法

在不穩定體中進洞，需要先采取措施保證洞口仰坡穩定再行開挖。圖5為洞口預加固樁縱斷面圖，加固的主要工序及工藝如下：

(1)隧道明洞與暗洞的分界斷面設置一排錨固樁保證軟弱地層的穩定性，其中洞身范圍采用玻璃纖維樁。

(2)開挖施工大管棚導向墻及大管棚。

(3)開挖明洞段，施作明洞并及時施工明洞回填。

(4)明洞段施作完成后，截斷玻璃纖維樁暗挖進洞。

圖5 預加固樁洞口加固縱斷面

3.2 樁基托梁護拱加固方法

當潛在滑動面較深時，可采用樁基托梁護拱加固設計方法。樁基托梁護拱加固法縱斷面布置見圖6。

該方法主要工序及工藝：

(1)開挖及樁施工，隧道洞口兩側小范圍開挖形成樁基施作平臺，樁基采用旋挖鉆施工，減少噪音及施工振動對周邊環境及軟弱圍巖的影響。樁基頂部采用托梁連接，提高樁梁結構縱向剛度。

(2)導向墻及大管棚，大管棚導向墻基礎置于樁基托梁之上，施作大管棚超前支護預加固隧道暗洞前方軟弱圍巖。樁基托梁頂部設置護拱，護拱后緣頂緊導向墻。

(3)洞口明洞施工，護拱外側反壓回填土石與仰坡坡面平順連接，為仰坡坡腳提供支撐反力，能有效控制軟弱圍巖仰坡沿層間下滑，控制仰坡豎向及水平位移。回填反壓荷載通過護拱及托梁傳遞至樁基，由樁基托梁及護拱承載大部分回填荷載，減少了明洞承擔荷載比例，保證了明洞沉降要求。

樁基托梁、護拱、明洞及明洞回填施作完成后，方可開挖隧道上半斷面暗挖進洞，此時仰坡下滑荷載承擔主體由明洞范圍內土石轉換為樁基托梁、護拱、明洞及明洞回填，完成了洞口支護體系受力轉換。

圖6 樁基托梁護拱縱斷面

3.3 縱橫梁加固方法

對于淺層潛在滑動面洞口預加固的另一種有效方法是縱橫梁加固方法。隧道洞口縱橫梁加固設計方法縱斷面圖見圖7。

圖7 縱橫梁加固法縱斷面

該方法主要工序及工藝：

(1)洞口斷面錨固樁。先開挖洞頂錨固樁施作平臺，后施作錨固樁并深入基巖。

(2)導向墻及大管棚。設置擴大基礎導向墻，必要時對導向墻基礎采用注漿等方式進行加固。完成導向墻后施作超前管棚加固前方圍巖。

(3)樁頂橫梁。錨固樁頂部施作縱橫梁，頂壓導向墻及仰坡坡腳，為仰坡坡腳提供水平反力，控制仰坡下滑、導向墻擠出。

(4)明洞開挖。進行明洞范圍內開挖時，由明洞兩側錨固樁承受因開挖卸載而產生的土體側向壓力，并限制邊坡下滑。明洞及明洞回填反壓仰坡坡腳，進一步控制仰坡下滑。

4 結論

以成蘭鐵路為代表的西南艱險山區鐵路，大多數隧道洞口地形高陡、重力型不良地質發育、橋隧結構相連，建設難度大。通過廣大工程技術人員不斷的實踐與總結，提出了針對西部艱險山區不同地形的進洞施工方案：

(1)針對陡坡地形，提出了零仰坡進洞、護拱進洞、反壓回填進洞、斜交進洞等機動技術。

(2)針對洞口巖堆、滑坡等不穩定體，從反壓滑坡體和切斷滑動面的角度提出加固設計常見的3種方法，分別為：預加固樁加固方法、樁基托梁護拱加固方法和縱橫梁加固方法。

隨著新技術、新工藝、新材料、新設備的不斷采用，艱險山區的隧道洞口修建技術必將向著更安全、更先進、更可靠的方向發展。