西部艰险山区隧道进洞技术

姜 波， 卿韦宸， 朱 勇， 喻 渝

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

洞口段不仅是隧道最易受到自然灾害影响的段落，也是施工中最易发生坍方等事故的部位之一，对施工及运营有着至关重要的作用。隧道设计中，洞口的设计经历“晚进早出”，到“早进晚出”的理念转变，一般地段隧道洞门形式趋向于采用与地貌、自然环境相结合的无仰坡洞门形式。

徐前卫等[1]对浅埋偏压隧道进洞施工开展了三维数值模拟，并结合监测数据分析了施工对围岩和支护结构力学特性的影响。达晓伟[2]等建立三维仿真模型，研究了隧道开挖对边、仰坡的影响,优化了隧道进洞方案；余俊[3]等建立隧道开挖三维有限元计算模型, 研究了松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应；张广乾等[4]结合实际工程研究了双层注浆小导管超前支护在隧道洞口施工中作用；陈小勇等[5]结合铁寨子1号隧道工程实例，提出了在浅埋偏压、复杂地质条件下采用明拱暗墙法进洞施工技术。

近年来的设计经验表明，一般的无仰坡进洞已无法满足特殊地质条件下洞口施工及运营安全要求，进洞前往往需要先对洞口坡面进行加固、采用回填暗挖或接长明洞等进行防护和进洞方能保证工程安全。本文以西部艰险山区铁路修建为背景，针对性地给出了穿越高仰边坡和岩堆、滑坡等不稳定体的典型进洞技术。

1 艰险山区隧道洞口地质环境特征

艰险山区一般是指地形切割强烈，重力型不良地质发育区域，往往呈现如下特征：

(1)地形艰险，坡面高陡。艰险山区，强烈的地形切割，地表高差达几百甚至上千米。洞口位置若选在稳定的地层范围，导致边仰坡刷坡会一坡到顶，加之地形偏压，造成洞口进洞困难、防护范围大、洞口施工场地布置受限。

(2)重力型不良地质发育。高陡仰坡段一般受到严重危岩落石影响，因此，在其下部缓坡地段设置的洞口往往处于重力型不良地质影响范围，甚至受岩堆、滑坡等影响。

(3)承载功能多，结构复杂。艰险山区隧线比高，线路出露段短，多种工程往往需在较小的场地范围内集中设置，相邻工程交叉严重，导致隧道洞口承担更多的功能，造成隧道跨度增大、附属构筑物多等，在多种组合及不良地质条件下，对洞口结构设计提出了更高要求。

2 陡坡进洞技术

陡坡地形洞口往往是指隧道洞口设于坡度大于35 °的坡面。隧道在开挖进洞时，难以避免切削山体坡脚，破坏了山体原有平衡。在陡坡地形段，由于开挖临空面更高，极可能造成坡面失稳。根据洞口与地形等高线的相交关系，可以细分为两种类型，一种是正交地形进洞——隧道洞轴基本垂直等高线的，另一种是斜交地形进洞——即洞轴线与等高线呈一定角度相交。两种条件边坡受力有较大不同因此处理措施上也有较大区别。

2.1 正交地形进洞

艰险山区往往自然坡面陡峻，一旦洞口刷坡，往往刷坡高度较高，甚至将整个山头切削。因此，为保护原始地表，尽可能避免仰坡刷坡，宜在零仰坡处设置隧道明暗分界，并且采用以下工程措施：

(1)明暗分界预加固，开挖明暗分界掌子面前，根据边坡稳定性分级，确定开挖坡面防护措施，当围岩软弱时，应对洞口拉槽范围边坡及暗洞范围设置预加固桩。采用预加固桩加固后可以适当提高刷坡坡率，减少开挖范围，保护原始地表。

(2)管棚超前支护，为保证暗洞开挖稳定，洞口段应设置超前大管棚支护，大管棚的导向墙基础可与明暗分界预加固桩固结。

成兰铁路跃龙门隧道出口即属于较为典型的陡坡进洞工点，其所在自然坡面受侵蚀切割形成不对称“V”型谷，隧道选择基本正交等高线进洞，但由于坡面下切极陡，设计采用6根50 m长度的锚索桩对岸坡进行加固，桩截面达到了5.0 m×4.0 m，同时为保证隧道开挖直立面及桥台开挖，还设置了多根预加固桩进行局部防护，从而保证了陡坡切削坡脚开挖时的安全，如图1所示。

图1 典型陡坡进洞方案

2.2 陡坡偏压地形进洞技术

陡坡偏压地形的进洞安全风险较地形正交陡坡洞口相比大，这是由于地形偏压，开挖后洞口段处于半暗半明的开挖状态，一方面，侧边山体失去支撑稳定性差；另一方面，隧道外露支护结构，由于无地层的约束，受力条件差。因此，极端不对称的受力条件使隧道支护结构受力更复杂，而采用全隧暗洞进洞，靠山侧刷坡方量可能非常大。因此偏压地形更应强调零仰坡进洞，而要实现零仰(边)坡进洞就需要创造零仰坡进洞条件，达到既对山体进行支撑又对隧道支护有约束的效果。常见陡坡偏压地形进洞技术主要有护拱进洞，反压回填进洞，斜交进洞等。

2.2.1 护拱进洞

护拱顾名思义就是对于偏压段山外侧隧道外露支护结构设置拱形约束支撑结构。图2为典型护拱断面，设置护拱进洞主要要点如下。

(1)护拱进洞，适合偏压段较短，局部覆盖薄或洞身露背段，若段落过长则会造成暗洞侧超前支护难以设置等问题。

(2)护拱应设置在牢固的地基上，当地基承载力不足时，可采用钢管桩或预加固桩进行加固，提高地基承载力或由桩基承载。

图2 典型护拱断面

(3)设置护拱段，仍不能忽视坡面稳定性问题，必要时应对山体采用预加固桩进行加固。利用预加固桩可以对山侧坡面收坡，减少地表破坏。同时可利用锚杆将护拱锚固于山体，或者设置连接筋将护拱与预加固桩桩身连接。

(4)护拱一般采用混凝土结构，必要时可采用钢筋混凝土结构，护拱与隧道主体支护结构宜分离设置。设置护拱段的隧道，二次衬砌应进行加强，靠山侧初期支护应加强锚固。

2.2.2 反压回填进洞

所谓反压回填进洞，即在偏压地形外侧堆载，通过人造地形改变原偏压地形状态，将明挖进洞调整为暗挖进洞，确保坡面稳定，降低施工风险。只要反压回填具备足够的厚度，不仅能给偏压山体提供足够的支撑，还能与原始山体一起形成自承拱，大大改善偏压地形段隧道结构受力。采用反压回填进洞要点如下：

(1)采用反压回填进洞，一般需放坡回填，因此设置反压回填的洞口外侧坡脚与洞身高程的高差不宜过大，否则回填工程量太大，同时还可能造成回填体自身失稳的问题。

(2)回填材料一般采用水泥土，也可采用浆砌片石等其他方式。回填坡脚应设置挡护措施，并逐层回填压实，一般回填至覆盖隧道拱顶2 m以上高度。

(3)反压回填后，同样不能忽视山体坡面稳定性问题，必要时应对山体采用预加固桩进行加固，以进一步减少山体推力。

(4)采用反压回填时，对地基承载力和稳定性要进行检算评估。必要时应对地基进行补强，注意防止回填土过大或下沉。

(5)回填反压前应做好防排水系统。

(6)反压回填段，隧道初期支护及二次衬砌均应加强。图3为隧道洞口典型反压回填进洞示意图。

图3 典型反压回填进洞方案

2.2.3 斜交进洞技术

当隧道位置与山体坡脚高差大或者临河偏压时，若采用反压回填可能存在填方量极大或回填体将侵占河道等问题；若直接明挖，则靠山侧开挖量极大，可能破坏山体整体稳定性，因此，在地层条件较好，必要时可采用斜交进洞的方式。这时明暗分界、洞门结构与线路斜交，但与山体等高线正交，工程相对简单且能大幅度减少开挖量。采用斜交进洞的方式要点如下：

(1)采用斜交方式进洞，斜交角度(与线路夹角)越小，则斜交段越长，对坡面稳定及结构受力越不利。斜交角度一般不小于45 °。

(2)斜井方式对原山体无反压或支撑效果，对山体稳定性起不到加强效果，应对原山体采用锚杆、注浆或预加固桩进行加固防护。

(3)斜交洞口隧道开挖支护结构应单独设计，对斜交洞口钢架排布一般有斜交间距渐变或者斜交搭接两种方式，如图4所示。两者各有优势，前者钢架可以逐榀成环，受力条件更简单合理，但存在一侧钢架过密给喷混凝土等其他支护设置带来困难，而后者克服了渐变间距的缺点，但需对钢架搭接处进行加强，受力更复杂，工艺要求更高。

图4 斜交洞口两种钢架设置方式

(4)斜交洞口隧道支护结构受力需专门检算，宜将洞口一段的衬砌作为整体检算，检算长度可以根据斜交角度和山体覆盖层厚度确定，一般情况可按二倍斜交段长度确定。

3 穿越不稳定体进洞技术

洞口位于如岩堆、滑坡等不稳定体时，应对隧道洞口稳定性进行分析，并对洞口采取加固措施。

3.1 预加固桩加固方法

在不稳定体中进洞，需要先采取措施保证洞口仰坡稳定再行开挖。图5为洞口预加固桩纵断面图，加固的主要工序及工艺如下：

(1)隧道明洞与暗洞的分界断面设置一排锚固桩保证软弱地层的稳定性，其中洞身范围采用玻璃纤维桩。

(2)开挖施工大管棚导向墙及大管棚。

(3)开挖明洞段，施作明洞并及时施工明洞回填。

(4)明洞段施作完成后，截断玻璃纤维桩暗挖进洞。

图5 预加固桩洞口加固纵断面

3.2 桩基托梁护拱加固方法

当潜在滑动面较深时，可采用桩基托梁护拱加固设计方法。桩基托梁护拱加固法纵断面布置见图6。

该方法主要工序及工艺：

(1)开挖及桩施工，隧道洞口两侧小范围开挖形成桩基施作平台，桩基采用旋挖钻施工，减少噪音及施工振动对周边环境及软弱围岩的影响。桩基顶部采用托梁连接，提高桩梁结构纵向刚度。

(2)导向墙及大管棚，大管棚导向墙基础置于桩基托梁之上，施作大管棚超前支护预加固隧道暗洞前方软弱围岩。桩基托梁顶部设置护拱，护拱后缘顶紧导向墙。

(3)洞口明洞施工，护拱外侧反压回填土石与仰坡坡面平顺连接，为仰坡坡脚提供支撑反力，能有效控制软弱围岩仰坡沿层间下滑，控制仰坡竖向及水平位移。回填反压荷载通过护拱及托梁传递至桩基，由桩基托梁及护拱承载大部分回填荷载，减少了明洞承担荷载比例，保证了明洞沉降要求。

桩基托梁、护拱、明洞及明洞回填施作完成后，方可开挖隧道上半断面暗挖进洞，此时仰坡下滑荷载承担主体由明洞范围内土石转换为桩基托梁、护拱、明洞及明洞回填，完成了洞口支护体系受力转换。

图6 桩基托梁护拱纵断面

3.3 纵横梁加固方法

对于浅层潜在滑动面洞口预加固的另一种有效方法是纵横梁加固方法。隧道洞口纵横梁加固设计方法纵断面图见图7。

图7 纵横梁加固法纵断面

该方法主要工序及工艺：

(1)洞口断面锚固桩。先开挖洞顶锚固桩施作平台，后施作锚固桩并深入基岩。

(2)导向墙及大管棚。设置扩大基础导向墙，必要时对导向墙基础采用注浆等方式进行加固。完成导向墙后施作超前管棚加固前方围岩。

(3)桩顶横梁。锚固桩顶部施作纵横梁，顶压导向墙及仰坡坡脚，为仰坡坡脚提供水平反力，控制仰坡下滑、导向墙挤出。

(4)明洞开挖。进行明洞范围内开挖时，由明洞两侧锚固桩承受因开挖卸载而产生的土体侧向压力，并限制边坡下滑。明洞及明洞回填反压仰坡坡脚，进一步控制仰坡下滑。

4 结论

以成兰铁路为代表的西南艰险山区铁路，大多数隧道洞口地形高陡、重力型不良地质发育、桥隧结构相连，建设难度大。通过广大工程技术人员不断的实践与总结，提出了针对西部艰险山区不同地形的进洞施工方案：

(1)针对陡坡地形，提出了零仰坡进洞、护拱进洞、反压回填进洞、斜交进洞等机动技术。

(2)针对洞口岩堆、滑坡等不稳定体，从反压滑坡体和切断滑动面的角度提出加固设计常见的3种方法，分别为：预加固桩加固方法、桩基托梁护拱加固方法和纵横梁加固方法。

随着新技术、新工艺、新材料、新设备的不断采用，艰险山区的隧道洞口修建技术必将向着更安全、更先进、更可靠的方向发展。