淺議黃土公路隧道洞口工程設計施工控制要點

任偉紅

（甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

隨著國家高速公路網的快速發展，工程建設面臨的工程地質條件愈加復雜，工程工況愈加惡劣。特別是在隴原大地，受狹長地形條件影響，氣溫、降雨等自然因素的巨大差異形成了豐富而獨特的地形地貌和地質特性，給甘肅區域的黃土公路隧道工程設計施工帶來了困難和挑戰。

2 甘肅區域黃土的特性

2.1 黃土的分布

黃土在世界上分布相當廣泛，約占全球陸地面積的1/10，我國是世界上黃土分布最廣、厚度最大的國家，覆蓋面積約為63.1萬km2。甘肅地處黃土高原核心區域，中、東部地區均為黃土高原，黃土分布面積約為12萬km2，其中蘭州市九洲臺黃土堆積厚度達到了336m，是黃土覆蓋層厚度世界之最。

2.2 黃土的特性

黃土是在距今約200萬年左右的第四紀時期形成的土狀堆積物，其性質比較疏松、特殊，粒徑0.005～0.05mm，是具有多孔性柱狀節理的黃色粉性土，質地均一，以手搓之易成粉末，含大量鈣質或黃土結核，多孔隙，有顯著的垂直節理，無層理，在干燥時較堅硬，一被流水浸濕，通常容易剝落和遭受侵蝕，甚至發生坍陷。所以，在黃土地區進行各種工程建設時，如果相關人員對黃土的特性不了解，往往會給工程帶來嚴重的破壞和損失。

2.3 甘肅區域黃土的分布及特點

甘肅省黃土分布東起甘陜省界，西至烏鞘嶺，覆蓋蘭州、天水、定西、慶陽、平涼、武威、白銀、臨夏等8個地州市，地域上以六盤山為界，分為隴西黃土和隴東黃土。隴西黃土地區海拔1200～2500m，分為隴西黃土梁、黃土峁區和隴西河谷平原區；隴東黃土地區海拔1200～1800m，分為陜甘黃土梁區和陜甘河谷平原區。

2.3.1 陜甘黃土梁區

陜甘黃土梁區主要發育有第四紀晚更新世Q3和中更新世Q2原生黃土，Q3黃土呈淺灰色或灰褐色，Q2黃土呈淺棕黃色，具有大孔隙性，富含碳酸鹽，粉質，質地均勻。Q2黃土結構較密實，空隙隨著埋深而減小，垂直節理發育，發育黃土一般130～150m；Q3黃土結構較為松散，大孔隙明顯，無垂直節理發育，厚度一般15～25m。

2.3.2 陜甘河谷平原區

陜甘河谷平原區主要指涇河干、支流區域，主要發育著全新世Q4次生黃土，在一、二級階地上分布，屬黃土類亞粘土，黃褐色，大孔隙，結構較為松散，覆蓋厚度一級階地一般4～6m，二級階地一般8～19m。

2.3.3 隴西黃土梁、黃土峁區

隴西黃土梁、黃土峁區主要發育有第四紀晚更新世Q3原生黃土，淺黃色或者灰黃色，粉質，呈大面積連續覆蓋，具有大孔隙性，富含結晶狀碳酸鹽，結構松散，質地均勻，無垂直節理發育，覆蓋厚度約為30～70m。

2.3.4 隴西河谷平原區

隴西黃土梁，黃土峁區一、二級階地上主要發育著全新世Q4次生黃土。

2.3.5 濕陷性

黃土因其具有大孔隙性，垂直節理發育，在一定壓力作用下受水浸泡后結構會迅速破壞而發生顯著附加下沉，產生濕陷變形。

3 黃土公路隧道洞門設計現狀及建議

近年來，隨著黃土公路隧道的大量修建，襯砌開裂、襯砌滲水、仰拱底鼓開裂等問題呈多發頻發趨勢。隧道洞門邊仰坡在施工期間坍塌，運營后嚴重沖刷、坡面剝落，甚至在強降雨后淤塞洞口，明洞襯砌沉降、開裂等隱患也時有發生，嚴重影響高速公路網正常運行，存在嚴重的安全隱患。

依據設計規范，黃土隧道的選線應避免不良地質地段、居民集中區、建筑區和水澆地的原則。線位應選擇在穩定的地層中，避免穿行大面積的滑坡、錯落、表面坍塌等不良地質。避免通過地形地貌變化復雜、陷穴沖溝發育及偏壓嚴重地段。但在實際線位選擇時，常常受各種因素的制約，或者因為沿地形地貌條件的影響，不得不通過各種復雜、惡劣的地質路段，給我們設計及施工人員造成很大困擾和挑戰。

3.1 洞門形式的選擇

黃土隧道洞門易受雨水沖刷形成沖溝、陷穴，水蝕基底后更容易造成基底塌陷、襯砌結構沉降、開裂等隱患。同時，黃土山體施作隧道后，因邊仰坡開挖勢必會造成一定的開挖凌空面，后期更易坍塌。受黃土土質特性的影響，若采用削竹式、環框式、翼墻式等形式的洞門結構形式，易受雨水沖刷，在施工及運營期對洞門綠化工程進行施工及養護過程中也容易造成積水、沖刷問題，同時以上幾種洞門結構形式對洞口山體沒有有效的鎖固作用。所以，黃土地區隧道洞門結構形式較適宜采用端墻式洞門，通過洞門墻、套拱及管棚等工程措施，對洞口山體起到鎖固作用，有效保障施工期間及后期運營期間的安全。

3.2 洞門結構設計

洞門結構形式及各種工程措施的選擇是重中之重，適宜的設計方案是確保工程施工質量和運營安全的保障。設計方案要貼合現場實際地形地貌，在洞門位置的選擇、洞門結構基底的處治方案和洞門工程的防排水設施等方面要綜合考慮，不但要保證洞門結構穩固，還要保證運營期間的安全性，同時也要考慮到施工的可行性，主要滿足以下幾個方面的要求。

（1）洞門結構要盡量設置在穩固的原狀土山體基面上，并保證具有一定的安全距離。避免設置在填方或半填半挖處，確實無法避開時，必須采取可靠的基底處治措施，使洞門結構位于穩固的地基之上，并設置好防滑塌、防水措施。

（2）洞門結構基底不管原狀土承載能力高低，均需采取處治措施，以提高基底的復合承載能力，并設置防排水設施。

（3）科學設置洞門墻沉降縫，避免因不均勻沉降或因洞門結構斷面尺寸變化過大或人為設置不合理施工縫等原因造成洞門結構裂縫。

（4）洞門結構盡量采用輕型端墻為宜，端墻結構尺寸不易過大，避免因洞門結構自重過大造成洞口處地基沉降量過大。

（5）采用輕型超薄端墻洞門結構時，可在腰部增設加強層，防止受洞門山體推擠造成洞門受力變形。

（6）洞門結構后設置半剛性回填材料，防止因受空間限制無法采用大型機械有效壓實造成后期沉陷、積水等隱患。

（7）洞門結構分部位設置排水設施，確保地面水下滲少，巖體裂隙水不聚集、及時排放。

3.3 邊仰坡設計

黃土具有垂直節理發育、孔隙率大、濕陷性等特點，在設計時要盡量發揮黃土的特性，遵循“強腰、固腳、全防護”的原則進行設計。強腳即每級邊仰坡的坡腳均應設置護腳墻，防止平臺排水溝外溢或飛濺造成坡腳軟化、剝落；固腰即指除通過降低臺階單級高度增強坡面穩定性的同時，根據隧址區土質情況，設置合理的工程防護措施，避免坡面受雨水沖刷、浸泡造成剝落、坍塌；全防護指對黃土邊仰坡坡面均應采取防護措施，減少雨水沖刷、下滲，形成質量安全隱患，防護措施可以是工程設施支護，也可以是綠化防護。鑒于近年來甘肅地區黃土隧道存在的施工設計問題，在設計時應遵循以下原則。

（1）黃土公路隧道洞口設計時，盡量利用山體臺階地“零開挖”進洞。

（2）隧道洞身在洞口段盡量沿山脊線布設，避免大角度斜角、偏壓進洞。

（3）邊仰坡臺階高度不宜大于8m，以4～6m為宜，通過降低臺階高度，減少2臺階之間坡面的剝落、坍塌。

（4）邊仰坡的坡率應采用陡邊坡，減少雨水從黃土垂直節理處下滲造成邊坡土體沖蝕，形成陷穴、沖溝，乃至失穩。

（5）邊仰坡坡面應全部防護，并設置完善的排水設施，做到“高接遠送”。

圖1 洞門設計參數控制示意圖

4 黃土公路隧道洞門工程施工要點

黃土隧道在施工時必須嚴格執行《公路隧道施工技術規范》及設計圖紙，重視洞口邊、仰坡及周圍便道施工，合理布設各類臨時施工設施和機具，盡量將人員駐地、空壓機房、水池等設施設置于遠離邊仰坡坡口的位置，防止人為破壞山體，造成滑塌、虧坡等問題。同時，根據施工的不同階段，針對施工特性和面臨的風險進行重點管控。

4.1 施工準備

（1）嚴禁盲目施工，在施工前要對洞門進行準確的放樣，對防排水工程依據設計圖紙和實際地形進行展布。對設計存在的問題和可優化的設計進行變更，確保設計最適宜。

（2）嚴格控制施工機械和人員，不能胡亂開挖，特別是邊、仰坡開口之外，盡量保證原地形的完整性。

（3）先施做排水工程，在符合施工技術規范和設計圖紙的前提下，依據地形設置排水工程的施工縫、沉降縫，各變形縫要多設，間距不易大。

（4）排水工程要盡量一次完成，做到“遠送”，避免沖蝕坡面或因排水渠堵塞造成水渠周邊塌陷。

4.2 邊仰坡施工

（1）避免雨季施工。

（2）邊仰坡開挖時要嚴格控制坡率，機械開挖時預留不小于20cm厚的土體采用人工刷坡，防止機械開挖造成虧坡等問題。

（3）遵循“邊開挖邊防護”的原則，不得一次開挖成型后再施做防護工程，特別是在降雨頻繁或降雨量大的地區。

4.3 洞門施工

（1）高度重視洞門結構基底處治工程的施工，根據實際地形設置，防止工程措施“差、錯、漏”問題。

（2）施工期間設置并施做好完善的臨時排水設施，防止基底受水浸泡或沖刷。

（3）洞門墻施工期間盡量及時施做墻背回填，確保回填質量，同時施做完善的排滲水設施，防止墻后積水，排水管道堵塞。

5 結語

黃土公路隧道洞門工程除在設計時盡量做到垂直山體零開挖進洞外，在邊仰坡的臺階高度、臺階寬度、坡面坡度選擇時應遵循“低臺階、陡坡率、適階寬”的原則，同時坡面防護工程設置要做到“強腰、固腳、全防護”，確保設計方案可靠，工程措施適宜。施工期間對設計方案的落實是重中之重，重視臨時排水的通暢，嚴禁坡面超挖、虧坡，遵循“開挖一級防護一級”的原則，重點做好洞門墻基底的加固處治及周邊的永、臨防排水設施，避免洞門結構受雨水沖蝕或地面積水等原因造成沉降，為后期運營打好堅實基礎。