斜交偏壓地形隧道洞口“零開挖”工法研究

李洋溢，黎圣林

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

為滿足我國社會經濟不斷發展以及人們對美好生活更加強烈向往的需求，更多高標準的高速公路和高速鐵路亟待修建。遇水架橋、遇山挖洞已成為高速公路修建中的常態，因此，在我國山嶺較多的西南地區，一大批高速公路隧道不斷誕生。成千上萬的隧道不斷涌現時，無法保證每座隧道均為正交進洞，隨著高速公路不斷向山嶺地區修建，在斜交偏壓地形中設置隧道洞口已較為常見[1-3]。

當今修建隧道，往往遵循“早進洞、晚出洞”的“零開挖”理念[4]，該理念的優點早已在工程界得到廣泛認可。“零開挖”不是不挖而是盡量減少開挖，避免高邊仰坡的形成，從而降低隧道洞口施工風險。不僅如此，減少開挖更能降低對自然環境的破壞，使隧道洞口更加自然美觀，符合綠色環保理念。由于較低的邊仰坡，隧道后期運營過程中出現坡面垮塌事故更少，能降低后期運營維護成本和造成人員傷亡的概率[5-7]。因此，根據不斷改進和摸索，研究斜交偏壓地形條件下隧道洞口“零開挖”理念的施工方法，盡量減少洞口土石方的開挖，避免高邊仰坡的出現，具有現實意義。

1 偏壓地形洞口常規施工方法

1.1 常規施工方法一般過程

在地形偏壓較明顯、隧道中線與地面線交角較小的情況下，若按常規施工方法進洞，往往將暗洞樁號設置在土層能完整覆蓋隧道襯砌的樁號。首先對明洞長度范圍進行開挖刷坡并防護，在暗洞樁號處一般施作套拱，在套拱中預埋孔口管作為超前管棚的導向裝置，孔口管的數量及規格、布置的位置及方位等，均應依設計進行以保證后期管棚施作的質量。從導向裝置中鉆孔到設定距離并施作超前鋼管，形成管棚，待管棚注漿并凝固到一定強度后，在管棚保護下進行暗洞進洞開挖。

1.2 常規工法特點分析

該方法進洞原理相對簡單，技術交底時施工單位容易理解，且對施工單位技術水平要求較低，在空曠的場地施工能提高明洞開挖速度，做好邊仰坡防護即可。但此時必定存在某一邊坡和部分仰坡較高的弊端，這種情況下易出現邊仰坡下滑，造成經濟損失且拖延工程進度。更有甚者，從受力角度而言，明洞槽的開挖破壞了山體坡腳處抵抗坡體滑移的阻力，因此原本自然穩定的山體容易出現滑移，而在地質條件較差或構造條件不利的情況下，坡體一旦出現滑移，坡腳處明洞襯砌由于另一側無山體阻擋作用，僅靠襯砌自身的抗剪強度很難抵抗巨大的山體滑移推力，因此易造成隧道受剪切破壞等重大問題。

2 斜交偏壓地形洞口“零開挖”工法

半拱蓋挖和梯形平衡套拱是兩種基于“零開挖”理念開發實踐的工法。

2.1 半拱蓋挖工法

半拱蓋挖工法往往結合偏壓擋墻一起使用，適合地形存在較明顯偏壓、隧道中線與地面線交角較小的隧道洞口施工。

首先清表，對暗洞樁號和隧道外輪廓進行放樣，在遠離山體側外輪廓位置按照設定尺寸挖槽進行套拱基礎的澆筑，如圖1所示，后用土袋壘出隧道外輪廓，或如圖2所示沿隧道外輪廓弧形立模。架立鋼架時，將鋼架與山體接觸處截斷，同時對山體表面進行修整，挖出覆蓋層，使型鋼嵌入山體強風化層，如圖1中A所示位置。不僅如此，為保證半拱中型鋼的穩定，在其與山體搭接處還應沿合適角度設置≥3.5 m長鎖腳錨管，每處2根，鎖腳錨管與型鋼須焊接牢固。型鋼另一頭落在混凝土基礎上并與鋼筋焊接牢固，混凝土基礎落在堅實地基上。各環向型鋼之間用小號縱向型鋼連接，形成穩定的整體。型鋼上焊接設置孔口管。

圖1 半拱蓋挖工法型鋼布置示意圖(m)

圖2 套拱及偏壓擋墻示意圖

套拱完成后，通常還有偏壓擋墻和套拱頂部素混凝土反壓回填的施作。待套拱、偏壓擋墻、反壓回填(視情況可夯填碎石土等)均完成后，方進行管棚的鉆孔、超前鋼管的安裝和注漿等工序。由于套拱在隧道縱向的不同位置處具有不同的環向長度，因此該類套拱又稱異形套拱。異形套拱的一邊落在套拱基礎上，另一邊通過鎖腳錨桿等措施牢固搭接在山體上。隧道明洞長度范圍內的巖土將在較長的異形套拱保護下進行逐步開挖，襯砌亦將逐步施作，暗洞將在超前大管棚保護下進行開挖和支護。

2.2 梯形平衡套拱工法

梯形平衡套拱工法利用支擋結構(如擋墻)平衡坡體下滑力的水平分力，將常規套拱調整為洞門端垂直于隧道軸線、臨山體端近平行于等高線的梯形套拱以適應地形，減少山體開挖，保證隧道結構及邊仰坡穩定。其中套拱內型鋼采用扇形布設，加強縱向連接，形成格構體系，增強整體受力特性。因此梯形平衡套拱段隧道暗洞結構按常規方式施工即可，如圖3～4所示。此工法于2019-03-15獲得國家知識產權局實用新型專利授權。

圖3 梯形套拱平面布置示意圖

圖4 梯形套拱立面布置示意圖

梯形平衡套拱工法施工步驟具體如下：

(1)沿山體等高線方向對山體進行修整，形成隧道暗洞進洞立面并施工坡面防護。當山體等高線與隧道軸線夾角較小時，宜切坡修整至≥35°。沿套拱結構邊緣平行于隧道軸線開挖基礎并澆筑支擋結構(如擋墻)，澆筑時預埋套拱型鋼可考慮分段澆筑，澆筑完后對支擋結構混凝土進行養護。

(2)以隧道暗洞進洞立面走向與隧道軸線的夾角為起始角(可微調)，平面呈扇形均勻布設套拱內型鋼拱架，直至最后一榀型鋼拱架垂直于隧道軸線。靠反壓結構一側型鋼水平間距大，遠離一側型鋼水平間距小。

(3)靠近山體側型鋼拱架的拱腳采用鎖腳鋼管或錨桿固定，相鄰兩型鋼拱架肋采用環向等距布置的型材焊接形成加強型縱向連接，形成型鋼拱架格構體系，并在鋼拱架外表圓弧上等距固定不同長度的導向鋼管，鋼管末端伸至山體成洞面。

(4)搭設臨時支架，拼裝套拱模板，拉桿固定，保證模板穩定性，隨后從兩端向中心分層澆筑套拱。澆筑時應一體成型，與反壓結構(擋墻)形成整體。

(5)架設套拱模板支架，拼裝套拱模板，拉桿固定，保證模板穩定性，隨后從兩端向中心分層澆筑套拱，澆筑時應一體成型，與支擋結構(如擋墻)形成整體。澆筑完后，對套拱混凝土進行養護。

(6)施作等長管棚并注漿加固，管棚嵌入山體長度與導向管內長度之比宜≥1。套拱及長管棚注漿加固達到設計要求后，按常規隧道暗洞的施工方式進行開挖、初期支護和二襯施工。

2.3 “零開挖”工法優越性分析

半拱蓋挖和梯形平衡套拱這兩種工法因開挖量小，能顯著減少隧道洞口刷坡面積，回填后幾乎無外露邊仰坡，因此都屬于“零開挖”工法。

“零開挖”工法對施工單位技術水平要求相對較高，由于空間受限，明洞部分巖土開挖速度略慢于常規工法的直接開挖，同時對于非規則鋼拱的制作和固定以及反壓平衡支擋結構的施作略微復雜。然而在斜交偏壓地形隧道洞口施工中，這兩種“零開挖”工法有著更多的優點：

(1)將最大程度實現“零開挖”進洞，對環境的破壞大大減少，符合綠色環保理念。

(2)洞口施工周期往往較長，期間出現的雨天更是對邊仰坡安全性有嚴重影響，但“零開挖”工法中明洞的施作是在套拱和反壓支擋結構的保護下進行的，降低了開挖邊仰坡導致的滑塌或滾石等施工及后期運營風險。

(3)山體坡腳所受開挖擾動較小，對其初始平衡狀態影響不大，因此作用在襯砌上的荷載更小。

(4)襯砌遠離山體一側由于設置了混凝土支擋結構且有素混凝土反壓回填作用，在很大程度上提高了隧道結構抵抗山體推力的能力，因此隧道受剪切破壞的風險大大降低。

因此在風險較大的斜交偏壓地形條件下修建隧道洞口，這兩種“零開挖”工法是非常適合推廣應用的。

3 “零開挖”工法案例分析

3.1 半拱蓋挖法工法實例

某高速公路隧道長2 477.5 m，出口端左線洞口樁號為ZK184+390，與左洞錯幅。洞口平面位置如圖5所示。

圖5 隧道洞口位置平面圖

地勘資料顯示：隧道洞口邊仰坡主要由粉質黏土夾雜大小不一的風化巖塊組成，屬于土質邊坡。邊坡土體結構密實度不均，強風化粉砂巖，質地軟，節理裂隙發育，大部分已風化呈碎塊狀、塊狀，其自穩性較差，對坡面較為不利。洞口位于沖溝交匯處，植被茂盛，地形陡斜。

隧道中線與地面斜交，且位于沖溝位置，地形存在較嚴重偏壓，地勘情況亦指出該處邊仰坡穩定性較低，大開大挖易造成滑塌事故。經多方考量，該隧道洞口設計采用“半拱蓋挖法+偏壓擋墻”進行施工進洞，如圖6所示。

圖6 隧道洞口設計圖

為保證套拱強度，鋼拱架采用Ⅰ20b型號工字鋼，用φ22 mm鋼筋連接固定，形成鋼拱架整體。套拱厚60 cm，采用C30混凝土進行澆筑，施作于明洞襯砌輪廓線以外。孔口管規格為φ127×4 mm，預埋于套拱混凝土中，采用φ108×6 mm的熱軋無縫超前管棚。

洞口右側，套拱外2.5 m處，采用C30混凝土澆筑一偏壓擋墻使之與套拱齊高，擋墻與套拱之間采用C15素混凝土反壓回填，使擋墻、回填素混凝土、套拱三者在最后形成一體，保證足夠強度以抵抗洞口左側坡體推力。

以此工法施作，降低了右側位于沖溝偏壓地形洞口的滑塌風險，也不影響左側洞口邊仰坡的施工，同時方便洞口的生態恢復與排水導流。偏壓擋墻的施作及素混凝土的回填反壓，提高了襯砌抵抗坡體推力的強度，為隧道安全施工和運營提供足夠的安全系數。當前隧道已順利貫通。

3.2 梯形平衡套拱工法實例

某高速公路隧道長4 670 m，隧址區巖性主要為泥質粉砂巖和砂巖，圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主。進口端位于半山腰，主要由殘坡積粉質黏土及全～強風化泥質粉砂巖組成，屬巖土組合邊坡，在暴雨季節地表水下滲及人工破壞等觸發因素下，易產生淺層滑坡、崩塌等不良地質現象。其中，右線進口地形偏壓嚴重，左側為沖溝，右側為山體，隧道軸線與等高線交角約為45°，洞口平面位置如圖7所示。

圖7 隧道洞口位置平面圖

該隧道為特長隧道，進口端接特大橋，洞口邊仰坡一旦發生塌方，容易引發隧道及橋梁結構損壞以及交通事故，社會影響不利。經多方考量，該隧道洞口采用梯形平衡套拱工法進行進洞施工。套拱共設置11榀Ⅰ20b型鋼拱架，呈扇形布置，縱向采用Ⅰ14工字鋼加強連接。為平衡山體偏壓力，在套拱左側澆筑厚度≥2 m的C30耳墻。

該洞口采用梯形平衡套拱工法進洞，有效降低了洞口邊仰坡的高度，明洞施工完成后幾乎無外露邊仰坡。該洞口施工完成至今已有3年，期間未出現過塌方，且目前植被已基本恢復原樣，洞口已基本融入周邊的環境。

4 結語

針對斜交偏壓地形隧道洞口施工，本文分析了常規工法和兩種“零開挖”工法各自的特點，接著對兩種工法進行實例分析，主要得出如下結論：

(1)常規工法進洞易導致高邊仰坡的出現，在較大程度破壞自然生態的同時，也存在施工安全隱患。高邊坡對隧道明洞襯砌的推力易導致襯砌受剪切破壞，運營期也存在風險。

(2)“零開挖”工法避免了高邊仰坡的出現，對生態破壞較小，對山體擾動也更小，使洞口施工風險有效降低。偏壓擋墻和反壓回填的施作，讓明洞襯砌受力更合理，襯砌受山體推力破壞的概率有效減小。

(3)實例分析顯示，斜交偏壓地形隧道洞口施工中，“零開挖”工法具有較好的可行性和優越性。本文研究成果對類似地形條件下隧道洞口施工具有一定的指導意義，可為隧道工程從業者提供借鑒。