陡峻山嶺公路隧道洞口設(shè)計(jì)淺析

米東陽(yáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年來(lái)，高速公路的建設(shè)取得了迅猛的發(fā)展，高等級(jí)公路建設(shè)正從東部平原地區(qū)向西部山區(qū)延伸。我國(guó)地貌的總輪廓是西高東低，形成一個(gè)以西藏高原最高，向東逐級(jí)下降的階梯狀斜面，可明顯分為3個(gè)階梯，中西部地區(qū)是第二階梯（橫斷山脈以及高原地形），主要由高山、高原和大盆地組成，地勢(shì)往往比較陡峻，尤其是沿河山嶺和黃土高原溝壑地區(qū)[1]。

為了改善公路線形，山區(qū)公路常常以隧道方式穿越陡峻山嶺，當(dāng)遇到橋隧相接的情況時(shí)，為避免橋臺(tái)基礎(chǔ)穩(wěn)定性不足，發(fā)生滑塌事故，隧道洞門的位置宜向山體內(nèi)側(cè)移。一般陡峻山嶺隧道洞口處的地質(zhì)條件較好，巖層產(chǎn)狀完整，但易有軟弱夾層，當(dāng)開挖進(jìn)洞時(shí)，破壞了山體原有的平衡，極易產(chǎn)生坍塌、順層滑動(dòng)、落石、掉塊等現(xiàn)象。

針對(duì)陡峻山嶺隧道洞口的特點(diǎn)，常有兩種洞口設(shè)計(jì)形式：短明洞進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案、貼壁無(wú)明洞進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案，已建成的隧道中兩種形式均常見。某高速公路隧道的工程地質(zhì)條件是典型的陡峻山嶺隧道，且有橋隧相接問(wèn)題，因此，本文將兩種設(shè)計(jì)形式應(yīng)用于該隧道洞口設(shè)計(jì)，并對(duì)兩者的安全、施工、環(huán)保以及后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)等進(jìn)行對(duì)比分析。

1 隧道洞口工程地質(zhì)概況

1.1 隧道洞口地質(zhì)概況

隧道為分離式雙線四車道，凈寬10.25 m，凈高5.0 m。隧道區(qū)主要穿越和尚溝組（T1h）紫紅-磚紅色砂巖夾紫紅色泥頁(yè)巖，中夾灰紫色中厚層、中薄層細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖、薄板狀粉砂巖，砂巖具發(fā)育的交錯(cuò)層理、平行層理，具波痕、泥裂；圍巖以軟巖和較堅(jiān)硬巖為主，地層呈單斜狀，地質(zhì)構(gòu)造較為穩(wěn)定，水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單；抗震設(shè)防對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.15g。隧道進(jìn)口端洞口位于黃土覆蓋基巖中陡坡上，洞口邊坡由上覆殘坡積物與三疊系和尚溝組（T1h）砂巖夾泥巖組成，洞口位置自然斜坡坡度約 50°，巖層產(chǎn)狀平緩，視傾角約5.9°，且視傾向與自然坡坡向相同，見圖1；洞口處的巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較為破碎。

圖1 隧道洞口地質(zhì)概況

1.2 隧道洞口工程設(shè)計(jì)內(nèi)容及難點(diǎn)

隧道洞口工程設(shè)計(jì)主要包括：洞口段襯砌形式、橋涵、路基支擋、坡面防護(hù)、排水工程、施工場(chǎng)地布置及便道引入、棄渣處理、施工干擾以及洞門結(jié)構(gòu)形式等技術(shù)要求和工程大小[2]。該隧道工程設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)難點(diǎn)：隧道進(jìn)口邊坡地形較陡，邊坡表層上覆Q3粉土與強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖層，巖層視傾向與自然坡坡向相同，如有軟弱夾層，易發(fā)生順層滑動(dòng)；此外，運(yùn)營(yíng)橋梁的震動(dòng)易引起巖體結(jié)構(gòu)裂隙卸荷，發(fā)生層間滑動(dòng)變形，此時(shí)隧道洞門基礎(chǔ)應(yīng)有較好的抵抗變形能力，隧道應(yīng)采用明洞方案，明洞基礎(chǔ)面積長(zhǎng)寬比較小，穩(wěn)定性較好。

隧道洞口設(shè)計(jì)的另一難點(diǎn)是橋隧緊接，隧道進(jìn)口與大橋相接，因地形較陡，橋臺(tái)需要一定的空間，隧道的明洞位置只能往山的內(nèi)側(cè)移，隧道邊仰坡不宜大挖，避免斬?cái)鄮r腳，發(fā)生順層滑動(dòng)或塌方，隧道應(yīng)盡早進(jìn)洞，采用無(wú)明洞貼壁進(jìn)洞較合適；采用隧道明洞與橋臺(tái)結(jié)合設(shè)計(jì)，施工難度和造價(jià)均較高。綜合考慮橋跨與洞口布局，結(jié)構(gòu)處理的整體性以及橋隧施工的相互干擾等因素，橋隧結(jié)合方案不適宜。

2 隧道進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案

2.1 明洞設(shè)計(jì)方案

由于該隧道進(jìn)口橋隧相接段橋臺(tái)位置的要求，隧道洞門墻的位置已經(jīng)固定，因此，洞口的設(shè)計(jì)方案著重從邊、仰坡設(shè)計(jì)、明洞基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、洞口環(huán)境景觀設(shè)計(jì)方面入手，設(shè)計(jì)方案見圖2。明洞進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案采用5 m短明洞，臨時(shí)邊坡采用1∶0.5坡比，永久邊坡采用1∶0.75坡比刷坡，臨時(shí)仰坡采用1∶0.2坡比，永久仰坡采用1∶0.5坡比刷坡，永久邊坡最高約12 m，永久仰坡最高約15 m，永久邊、仰坡采用噴錨支護(hù)；明洞基礎(chǔ)投影長(zhǎng)寬比約1∶0.5，重心靠近山體內(nèi)側(cè)，明洞地基進(jìn)行換填處理，承載力滿足要求即可；隧道洞門端墻的裝飾參照周圍環(huán)境，適當(dāng)降低端墻亮度，減小車輛進(jìn)洞時(shí)空間收縮感。

圖2 短明洞進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案示意圖

2.2 貼壁設(shè)計(jì)方案

當(dāng)洞口地形陡峻時(shí)，一般建議隧道貼壁進(jìn)洞，減小仰坡高度[3]。方案二的設(shè)計(jì)思路是在滿足隧道洞口相關(guān)構(gòu)造設(shè)計(jì)的要求下，盡量減小仰坡的高度；方案較重要的設(shè)計(jì)有套拱與洞門墻結(jié)合、洞門墻地基基底處理、洞門景觀設(shè)計(jì)等，見圖3。隧道洞口圍巖為Ⅳ級(jí)，貼壁進(jìn)洞采用套拱加短管棚，管棚端頭外露1.5 m，澆筑在套拱之中，套拱預(yù)留連接鋼筋，洞門墻鋼筋與套拱預(yù)留鋼筋相連，整體澆筑；貼壁進(jìn)洞方案的洞門墻沒有明洞的連接，抵抗不均勻沉降和抗震的能力較弱，因而，其地基的設(shè)計(jì)要從控制沉降變形和承載力兩方面考慮，采用換填加短樁加固，短樁基礎(chǔ)可以和橋臺(tái)地基加固一起設(shè)計(jì)；貼壁進(jìn)洞方式的仰坡高度小，與自然景觀結(jié)合較好，洞門墻頂部設(shè)置城墻式造型，既可以減緩陡峻山坡造成的壓抑感，也可以起到減光的作用。

圖3 貼壁無(wú)明洞設(shè)計(jì)方案示意圖

3 兩種設(shè)計(jì)方案比較

陡峻山嶺隧道采取明洞進(jìn)洞方案，往往需要多級(jí)邊坡，邊坡一般采用噴錨防護(hù)，這些防護(hù)措施隨著公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，支護(hù)效果逐漸減弱。采取貼壁無(wú)明洞進(jìn)洞方案，邊坡高度相對(duì)較低，也有利于景觀綠化，但是它的施工工藝復(fù)雜，明洞基礎(chǔ)靠近山體風(fēng)化層，不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)較高。下面從安全（表1）、施工（表2）和環(huán)保（表3）方面分別做比較。

表1 兩種方案（安全）比較表

表2 兩種方案（施工）比較表

表3 兩種方案（環(huán)保）比較表

4 結(jié)語(yǔ)

洞口工程是整個(gè)隧道施工順利和后期養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵部分，陡峻山嶺隧道洞口地形陡峭，往往橋隧相連，因此，要結(jié)合洞口地形、洞口巖體結(jié)構(gòu)特征、洞口段施工、永久邊坡高度和穩(wěn)定性、洞門地基穩(wěn)定性、環(huán)保等因素，綜合分析選擇較優(yōu)的洞門設(shè)計(jì)方案[4]。

明洞設(shè)計(jì)方案具有洞門基礎(chǔ)安全性高，施工方案較簡(jiǎn)單，暗洞進(jìn)洞較容易等優(yōu)點(diǎn)，但其邊仰坡高度較大，后期隨著圍巖卸荷和橋梁振動(dòng)易發(fā)生滑塌事故；貼壁設(shè)計(jì)方案具有邊仰開挖高度小，洞口自然景觀較大保留，洞口棄渣少等優(yōu)點(diǎn)，它有施工場(chǎng)地較窄、施工工藝復(fù)雜、抗震性能一般等缺點(diǎn)。

該隧道的洞口段地形較陡，且與橋梁相接，巖層產(chǎn)狀平緩，視傾角約5.9°，且視傾向與自然坡坡向相同，地質(zhì)條件后期易發(fā)生滑塌，如永久邊坡較高，后期運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較高，所以采用貼壁進(jìn)洞設(shè)計(jì)方案較優(yōu)，在設(shè)計(jì)上采用加強(qiáng)洞門縱向連接，換填加短樁地基處理等措施，提高洞門結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗震性能。