高速鐵路隧道復雜地質條件下淺埋偏壓洞口設計研究

李懷鑒，馬志富

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概述

我國山區高速鐵路建設中出現了較多的隧道。由于山區地質條件復雜多變，特別是隧道洞口段圍巖一般較為破碎，地質條件差，開挖邊仰坡又破壞了山體原有的平衡，使得洞口工程成為隧道設計和施工的要點之一。其中，又以淺埋偏壓洞口，尤其是巖土條件或巖層走向十分不利于隧道的洞口，設計難度極大，這些洞口往往成為設計和施工過程中控制性的工點。

以滬昆鐵路客運專線長沙至玉屏段設計施工難度極大的上店隧道出口為研究對象。上店隧道出口地形、地質條件極其復雜，自然坡角約31°，形成偏壓，地表第四系殘坡積和強風化厚度大，節理裂隙發育，巖體破碎，層間結合力差。其中表層粗角礫土較厚，最大厚度可達25 m。巖層產狀75°∠62°，中線走向246°。

以上地形、地質因素，加之高速鐵路雙線隧道斷面大等因素，使得上店隧道出口設計難度極大，難點主要在于:(1)進洞困難，洞口暗洞段施工風險大;(2)洞口場地狹窄，洞門施作受限;(3)洞門基底部分懸空且地基承載力不足;(4)洞口明挖段施工風險大，易發生滑坡;(5)明挖段低山側沖溝較深，不利于洞門整體穩定等。

2 洞口暗挖段設計

2.1 選擇合理的進洞位置

上店隧道出口坡面較陡，表層為粗角礫土，穩定性差。設計中遵循“早進晚出”的原則，減少對山體的擾動和破壞，同時也減小洞口邊仰坡的高度，避免形成高陡邊仰坡，以防給隧道的施工和運營留下隱患;然而，考慮過早進洞或過晚出洞造成隧道洞頂覆蓋層過薄，暗洞施工中極易失穩。為此，綜合考慮在DK308+255里程處進洞，具體詳見圖1～圖3。

同時，因DK308+255～DK308+252段拱部為粗角礫土且厚度較薄，暗挖后極不穩定，設計中在該段設置護拱措施，在護拱保護下進行暗洞施做。由于低山側護拱基礎無法落在穩定基巖上，加之為平衡隧道高山側較大土石壓力考慮，隧道低山側采用耳墻結構，護拱兩側拱腳分別落于耳墻和強風化含礫砂巖上，確保護拱在施工期間的穩定，護拱設置具體詳見圖2和圖3。

圖1 洞口平面

圖2 洞口縱斷面(單位:m)

圖3 明暗分界里程DK308+255橫斷面

2.2 平衡洞口暗洞段偏壓措施(圖4)

洞口暗洞結構在受力上存在較嚴重的淺埋偏壓情況，對隧道整體穩定和襯砌結構受力有較大的隱患。

圖4 洞口暗洞段增加錨固樁橫斷面(里程:DK308+242)(單位:m)

為此，在暗洞出口低山側，設置錨固樁平衡高山側的土石壓力，改善隧道結構受力，錨固樁參數:DK308+233～DK308+248段隧道中線外低山側11.50 m處設置4根2.0 m×2.5 m的錨固樁，樁間距5.0 m，具體詳見圖1和圖4。

2.3 暗洞襯砌結構設計

洞口段暗洞因埋深較淺且存在偏壓等情況，采用加強型襯砌，初期支護全環采用30 cm厚C30噴混凝土，拱墻φ8 mm鋼筋網，網格間距20 cm×20 cm，拱部錨桿采用4 m長φ25 mm×7 mm普通中空錨桿，邊墻錨桿采用長4 mφ22 mm砂漿錨桿，初期支護鋼架采用全環I22a鋼架，鋼架間距0.6 m;二次襯砌采用C40鋼筋混凝土，拱墻厚50 cm，仰拱厚60 cm，具體詳見圖5。

圖5 襯砌結構橫斷面(單位:cm)

2.4 超前措施及施工工法

在暗洞段低山側錨固樁施工完成之后，為了進洞的安全，在護拱結束里程DK308+252處向山體方向打設一環大管棚，在管棚的保護下進行暗洞施工，管棚采用熱軋無縫鋼管，參數:拱部150°布置，直徑為108 mm，壁厚5 mm，環向間距0.4 m，長度30 m。

暗洞采用超前小導管注漿措施配合大管棚施工，以作為開挖的超前防護措施，并采用三臺階臨時仰拱法開挖，一起防止開挖過程中掌子面變形過大或發生坍塌。三臺階臨時仰拱法中采用臨時仰拱措施進一步控制變形發展，臨時鋼架采用I18型鋼，并噴10～15 cm厚不等的混凝土;施工時上臺階預留核心土，三臺階臨時仰拱法如圖6所示。

圖6 三臺階臨時仰拱法橫斷面(單位:cm)

3 洞口明挖段設計

3.1 洞門形式

洞口右側地勢較高，形成偏壓，同時表層粗角礫土層較厚，洞口邊坡開挖并回填之后，高山側邊坡會對隧道洞門結構產生較大的土壓力。為平衡高山側地形上的偏壓土石壓力，保證隧道洞門結構的整體穩定，隧道洞門結構采用單壓式明洞門，洞門地勢低側設置耳墻結構，端墻外設置錨固樁結構，確保洞門端墻結構的穩定。

同時，受洞口場地狹窄及洞口表層粗角礫土層地基承載力不足等限制，如果將隧道出口里程放置在能夠達到地基承載力要求的基巖上，則現場無場地施作洞門;同時，也由于邊仰坡表層巖土穩定性較差且坡面較陡，洞門長度過短將增加運營期間的風險，為此適當將隧道出口里程外移，增加明洞長度勢在必行，此時地基也需要處理以滿足洞門基底承載力的要求。設計中將洞門里程設置在DK308+270里程處，洞門設置詳見圖1、圖2和圖7。

圖7 洞口單壓式明洞門橫斷面(里程:DK308+270)(單位:m)

3.2 洞門基底處理

隧道出口里程外移，洞門結構基底坐落在承載力不足的粗角礫土層上以及洞門結構基礎懸空等情況的加劇，設計難度進一步加大。

因此，增加洞門結構基底處理措施以提高地基承載力成為設計要點。經過分析論證，上店隧道出口基底采用樁板結構，將隧道基底受力傳到基巖里，可以有效解決基底地基承載能力不足的問題，樁板結構參數如下:DK308+255～DK308+270段明洞仰拱下設鋼筋混凝土底板，底板厚2.0 m，板下設φ1.5 m鉆孔樁，間距2.8 m×3.4 m(縱×橫)，樁板結構見圖2、圖7和圖8。

圖8 基底樁板結構平面布置(單位:cm)

3.3 平衡洞口明挖段偏壓措施

洞口明挖時，如高山側邊坡從洞門墻腳放坡開挖將增加邊坡高度;同時表層粗角礫土較厚且穩定性較差，需要較平緩的放坡坡率才可能保證邊坡的穩定，將進一步增加邊坡高度，很容易形成高陡邊仰坡，增加了施工期間的風險。因此，在明挖段開挖前，設計采用了在高山側設置錨固樁的方案，減少高山側邊坡的開挖，以保證施工期間的穩定，同時也增加了運營后隧道洞口的安全性。錨固樁參數如下:分別在DK250+263、DK250+258、DK250+253距離線路左線中線5.37 m處各設置1根錨固樁，截面尺寸2.0 m×3.0 m，長度為23 m，樁間采取邊坡注漿加固及網噴混凝土防護措施。

3.4 低山側防護措施

現場低山側坡面較陡且深，洞門基底樁板結構外露較多，兼之洞口段整體偏壓，對洞門整體穩定不利，存在隱患。

為此，采用C20片石混凝土在低山側坡面上反壓處理至洞門耳墻墻趾高程，以保證洞門結構的整體穩定。同時，為保證該反壓的C20片石混凝土的穩定性，在該片石混凝土中增加3根錨固樁，錨固樁長25 m，樁截面2 m×2.5 m，間距6 m。

3.5 邊仰坡防護

洞口明挖段回填后外露坡面為永久邊仰坡，坡面較陡且表層巖土穩定性較差，需對其護坡形式進行加強。邊坡開挖設計如下:坡率為1∶1，每8 m分一級，于分級處設2 m寬平臺。永久邊仰坡采用現澆矩形預應力錨桿框架，框架內掛網噴混植生防護，錨桿為全長粘結型預應力錨桿，錨筋采用直徑為25 mm的PSB1080高強精軋螺紋鋼筋，于框架節點布設，長度為14 m，錨固段長7 m，單孔設計錨固力300 kN，設計錨孔壁與注漿體之間粘結強度不小于0.35 MPa，錨孔直徑110 mm，向下俯傾30°。邊仰坡防護詳見圖2、圖3和圖9。

圖9 DK308+255里程橫斷面

3.6 正面回填措施

DK308+252～DK308+257段耳墻外側C20片石混凝土反壓回填后，在該片石混凝土上方采用土石回填恢復至原地表，以保證該區域縱向山體的穩定，具體見圖3。

3.7 其他措施

洞口段開挖前應施作截水天溝，以防止洞口施工過程中雨水流入并下滲至洞口段，造成洞口坡面穩定性下降，防止邊仰坡開裂變形。

同時，于隧道出口永久邊仰坡防護外設置RXI-200型SNS被動高強金屬防護網，以防止邊仰坡外落石危及正線安全。

4 主要施工工序設計

(1)施作地表截排水系統。

(2)開挖洞口段平衡偏壓的錨固樁樁頂邊坡，形成樁頂平臺，施作錨固樁。

(3)分臺階、分段開挖洞口邊仰坡，分臺階、分段施作護坡，形成洞口段樁板基礎施作平臺。

(4)開挖低山側回填片石混凝土中的錨固樁樁頂邊坡，形成樁頂平臺，施作錨固樁。

(5)反壓回填低山側C20片石混凝土。

(6)明挖段樁板基礎施作。

(7)護拱段分臺階、分段開挖并分臺階、分段施作護坡，基礎換填、外側耳墻及護拱施工，大管棚施工。

(8)施作出口段明洞襯砌、耳墻及明洞門，明洞段、護拱段回填漿砌片石。

(9)DK308+252～DK308+257段耳墻外側C20片石混凝土上方土石堆砌恢復至原地表。

(10)暗洞開挖。

5 主要施工注意事項

(1)施工中做好截排水措施，同時應避免洞頂地表出現滯水地貌及地物。

(2)洞口施工應盡量避開雨季，開挖前應檢查邊仰坡上部山坡穩定情況，清除懸石、處理危石。

(3)邊仰坡加固及防護應在開挖前或隨開挖進行，洞口段邊仰坡施工期間必須進行不間斷監測。

(4)施工期間應對錨固樁變形、位移和開裂等情況進行全過程監測。

(5)洞口段邊仰坡開挖后及時檢查巖層坡面穩定狀況，當出現松軟夾層、順層溜坍、工程滑塌征兆時，應及時采取坡面加固措施或臨時邊坡防護加強措施。

6 結語

復雜地質條件下隧道洞口淺埋偏壓段的處理，一直是設計和施工中的重點。通過對滬昆鐵路客運專線長沙至玉屏段上店隧道出口的研究和分析，總結出設計要點如下。

(1)重視截排水措施的作用，避免雨水下滲造成開挖后邊仰坡穩定性的下降。

(2)應合理明確進出洞位置，遵循“早進晚出”的原則，減少對隧道洞口原始地形地貌的破壞，避免形成高陡邊仰坡。

(3)根據不同隧道洞口地形、地質特點，判明偏壓的嚴重程度，根據偏壓程度的不同，洞口明挖段可以采取錨固樁、擋土墻、反壓回填等平衡偏壓的措施，或采取錨噴支護、地表注漿、預應力錨桿或錨索框架等對高側邊坡進行加強以穩定邊坡，也可采取半明半暗結構等減少對邊坡的擾動后進行邊坡加固處理等措施。

(4)施工過程中，應加強地表的監控量測，反饋設計，進行動態設計，信息化施工。

(5)對于洞口暗洞段淺埋偏壓，應根據具體地形、地質情況，依據“短開挖，強支護，及時密貼，實回填，嚴治水，勤量測”的原則進行設計和施工，同時，也應采取減少對圍巖擾動的工法進行開挖和支護，如雙側壁導坑法、CD法、CRD法、三臺階臨時仰拱法等，從而減小偏壓對暗洞的影響。

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