高速鐵路偏壓隧道高邊坡零開挖進洞施工技術研究

劉保成

(中鐵二十二局集團第四工程有限公司 天津 301700)

高速鐵路在山區多以隧道方式通過[1]，但是受線路選線位置、山區地形、地質情況等多方面因素的影響，隧道洞口段的差異較大。隧道洞口段是高風險區域，選擇合理的進洞方案是確保隧道安全高效快速進洞的關鍵[2]。在洞口高邊坡地段，放坡開挖進洞方案不可避免地會產生“大挖大刷”問題，不僅會造成新的邊坡穩定隱患，更不符合環保要求。“零”開挖進洞技術逐漸體現出優勢[3]。

1 工程概況

杭溫鐵路設計時速350 km，西安隧道全長2 021.28 m，起訖里程DK244＋764.72～DK246＋786，為雙線單洞結構，跨度較大。隧址區地貌為低山地貌，地形起伏較大，溝谷發育，海拔在295～714 m。進口段為山坡麓斜坡地形，坡度20°～40°。山體植被發育，地表水豐富，地下水為第四系松散巖類孔隙水，主要賦存在殘坡積土層中。

隧道進口邊坡陡峭，地質條件較差，隧道洞軸線與洞口等高線斜交，既有山體與軌道面交點在DK244＋776位置，洞口偏壓嚴重，洞口地貌如圖1所示。

圖1 西安隧道進洞段現場地貌

2 進洞施工技術方案

2.1 工程地質特點

2.1.1 偏壓嚴重

線路緊貼山腳，隧道軸線與洞口等高線斜交，洞口偏壓嚴重，線路周邊坡腳施工會導致上部巖體失去支撐，誘發滑移趨勢，致使線路周邊的山體應力急劇增加，容易造成坍塌和巖體失穩滑坡[4]。

2.1.2 埋深淺，地質結構復雜

隧道埋深淺，周邊巖體在垂直節理裂隙面上分布有大量的弱面，這些弱面大部分由節理和裂隙的切割形成，且由于自身的特性導致弱面被開挖工序的擾動明顯，巖體在重力作用下很難形成結構，表現為下沉變形量大、應力釋放明顯、結構破壞具有突然性等顯著特點[5]，是塌方事故的高發地區。施工不當，容易引起工程滑坡[6]。

2.1.3 地下水位高，對施工影響大

隧道位于沖溝邊，溝內常年有流水存在。因山體裂隙多，裂隙中會儲存大量的地表水，此地表水是地下水的有效補充，導致地下水位高。在雨季，降水及其他來源的水會通過裂隙圍繞在隧道的四周，在滲透壓力作用下不斷地涌入隧道內。降低圍巖的力學性能，導致隧道出現塌方冒頂事故[7]。

隧道內各工序循環是緊密配合的，當涌水隨著裂隙進入洞內后，會擾亂已經流暢的施工工序，且滲水在隧道底板上形成較厚點的污泥漿液，不僅導致人員通行困難，而且機械設備的施工效率明顯降低[8]。

工序時間拉長，洞內圍巖長時間暴露在外界的空氣中，很容易導致圍巖失穩和坍塌[9]。

2.2 方案優缺點分析

西安隧道洞口在現有偏壓、高邊坡特征的基礎上，計劃采用如下進洞方案。

2.2.1 放坡開挖進洞方案

常規放坡開挖進洞法，通常采取邊仰坡刷坡和加固后進洞方法，該方案施工技術起點低[10]，工藝簡單但施工存在如下困難:

(1)若對洞口段邊仰坡進行常規刷坡，開挖線需翻越原山脊，出現“大挖大刷”現象。

(2)常規刷坡會導致形成新的高陡邊坡，容易誘發地質災害事故，不利于山體的穩定，容易導致后期運營修復工作復雜。

(3)洞口的原有植被勢必會遭到毀滅性的破壞。

2.2.2 “零開挖”進洞方案

“零開挖”進洞法可以利用山體既有的穩定邊坡結構，減少對洞口植被破壞[11]，施工存在如下困難:

(1)隧道洞口植被茂密，皆為淺層表土，偏壓條件下的淺層表土無法自穩，施工不當容易導致塌方、冒頂等多種安全事故。

(2)進洞需要穿過山體的巖石風化表層，這些巖石的風化程度高，自身強度低，容易產生滑坡問題。

(3)施工安全風險極大，圍巖容易發生大變形，支護結構容易開裂、嚴重時會導致支護體系整體失穩。

2.3 進洞技術方案

經過綜合對比分析，根據實際情況，最終采用“零開挖”進洞方案，通過抗滑樁防偏壓、護拱補強、超前管棚預支護和注漿等施工手段，實現洞外護拱與山體合為一體，在預支護體系內進入山體腹部進行洞內施工，實現“零開挖”進洞的目標，過程中監測淺埋段地表沉降觀測、護拱沉降及位移監測、抗滑樁水平及豎向位移監測等項目。

2.3.1 洞外施工方案

(1)DK244＋770～DK244＋781段洞口右側設置2根抗滑樁，采用C35混凝土現澆，樁截面長度2.5 m，寬度2.5 m。樁間距5 m，樁長24 m，樁體外露9 m。洞口及明洞段右側邊坡采用錨桿框架梁結合客土植生防護，錨桿長10 m，間距長度3 m，寬度3 m，水平方向夾角15°。

(2)DK244＋770～DK244＋781段洞外施作護拱結構，護拱采用C35鋼筋混凝土一次澆筑成型，預留200 mm變形量。為保證護拱拱腳穩定，兩端拱腳處設置兩排φ89鋼管錨固，鋼管長5 m，縱向間距0.5 m。護拱混凝土強度達到100%后，進行洞頂10%水泥土反壓回填，表層為50 cm厚黏土隔水層。

(3)DK244＋770～DK244＋800段(即洞外11 m護拱段和洞內19 m暗洞段)采用30 m超前大管棚預支護措施，管棚在護拱混凝土內插入巖體，將護拱與既有山體連成整體。管棚采用φ108 mm熱軋無縫鋼管，壁厚6 mm，中心間距40 cm，外插角1°。管棚內放入鋼筋籠并用M30水泥砂漿填充密實。

洞外護拱及回填施工如圖2所示。

圖2 洞外護拱及回填施工示意

2.3.2 洞內施工方案

管棚施工完成后，暗洞自DK244＋776位置采用三臺階臨時仰拱法施工，鋼架采用 22a鋼架，間距0.6 m，施工中采取監控措施。支護參數見表1。

表1 西安隧道進口施工參數

2.3.3 水害解決方案

水害治理按照防水為主、排水為輔的原則，做好疏水、堵水、排水三項工作。

(1)進洞前階段

山體地表處理時間避開雨季，線路左側開挖線外5 m處設置一道截水溝截排山體匯水。

(2)隧內階段

施工前用地質雷達探明掌子面前方是否有水，水壓大小及補給水源的分布情況。結合超前水平鉆孔的實測資料制定隧道內的水害治理方案。

開挖前做好超前支護措施，用管棚和小導管做好超前支護。

隧道開挖時，設置好臨時排水溝，疏導掌子面滲水和附近積水[12]。

隧道每循環開挖后，盡快用噴射混凝土封閉裸露圍巖。

隧道二襯施工前，采用防水板和土工布滿鋪、排水板間隔鋪設的原則，防水板外側采用環向和縱向滲水盲管引流地下滲水。

2.4 施工流程

危巖落石處理→洞口截水天溝→洞口錨固樁施工→洞口邊坡清理及臨時防護→護拱施作→長管棚施工及注漿→暗洞施工→護拱段回填→洞口永久邊坡防護。

預加固樁整體施工方案以人工挖孔為主，輔以水磨鉆配合成孔。

樁孔護壁襯砌及時緊跟開挖面，確保樁體的施工質量。

預加固樁達到設計強度，確保山體穩定后方可進行護拱邊仰坡開挖與防護和拱頂施工，護拱整體預留20 cm變形量，采用模板一次澆筑法施工。

護拱強度滿足設計要求后可進行土石方反壓工序，反壓土石的頂部設置防水層和排水溝，防止雨水下滲。

3 監控量測分析

3.1 監測項目

監測項目包含淺埋段地表沉降觀測、護拱沉降及位移監測、抗滑樁水平及豎向位移監測等項目。

3.1.1 淺埋段地表沉降觀測

分別在 DK244＋778、DK244＋780、DK244＋790三個斷面布置沉降觀測斷面。

3.1.2 護拱沉降及位移監測

沿線路方向在護拱頂部的線路中線及左右各3 m處布置 3條沉降變形監測線，在 DK244＋771、DK244＋775、DK244＋779三個斷面布置位移觀測斷面。

3.1.3 抗滑樁水平及豎向位移監測

分別在兩根抗滑樁頂部布置2個監測點，監測樁體的水平和豎向位移。

3.2 監測結果分析

根據監控量測資料分析，暗洞施工期間山體穩定，淺埋段地表沉降速率遠低于0.2 mm/d。地表最大累計沉降量為13.4 mm，出現在DK244＋785斷面拱頂上方，地表無明顯的裂紋。

護拱結構在暗洞上臺階和中臺階施工期間處于穩定狀態，無明顯變形，在暗洞下臺階及仰拱開挖后，沉降值急劇增長，增幅高峰值為0.9 mm/d，而后趨于穩定，整體變形值滿足設計要求，護拱在水平方向無明顯變形值。

護拱結構在DK244＋779斷面的沉降變形值明顯高于DK244＋771斷面，但二者的變形趨勢基本相同。

抗滑樁的豎向位移值較小，基本無變化，但水平位移存在明顯的階段性，在仰拱開挖后存在明顯的增幅，增幅高峰值為0.7 mm/d，仰拱施作后逐漸趨于穩定。

分析數據表明:

(1)“護拱＋長管棚注漿”預支護措施可以達到防止淺埋段山體圍巖過量變形，控制隧道變形的目的。

(2)暗洞施工期間，在管棚預支護體系下部的噴射混凝土、鋼拱架、錨桿形成的臨時支護體系對整個隧道的變形起到了有效的抑制作用。

(3)長管棚的一端固定在護拱上，另一端固定在巖體上，在進行暗洞施工時，管棚可以將圍巖的部分載荷傳遞到護拱結構上，減輕暗洞圍巖的負荷。

(4)暗洞開挖會放大山體的偏壓效應，抗滑樁對山體偏壓段的處理效果較好。

4 結論

西安隧道進口自2020年9月份采用“零開挖”進洞以來，通過抗滑樁防偏壓、護拱補強、超前管棚預支護和注漿等措施，實現洞外護拱與山體合為一體，達到了安全高效施工的目的。

零開挖進洞方案可在保證山體穩定、支護結構安全的前提下，避免洞口“大挖大刷”的問題，減少植被破壞，保證洞口的安全。