基于“零開挖”理念的高鐵隧道進洞方案研究

路美麗

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

一般情況下隧道洞口所處的地質條件較差，巖石破碎、松散、風化嚴重，傳統的進洞方式是洞口邊仰坡放坡開挖、防護，達到一定的進洞條件后再進洞施工。這樣容易形成較高的臨空面，不利于洞口邊仰坡的穩定，且使洞口景觀、植被和生態環境受到不同程度的破壞。盡管有些洞口采用接長明洞回填綠化的方式加以補救，但對于原生植被的破壞還是比較大，同時還會導致經濟成本的增加。

近年來，隨著我國高鐵建設的快速發展和人們環保意識的增強，基于環保理念的隧道洞口“零開挖”越來越受到工程技術人員的重視和不斷的工程實踐，其中前置式洞口工法是理想的零開挖形式[1-4]，但其需要具備一定的地形地質等適用條件，同時會增加隧道長度和一定的工程造價。大量工程實踐[5-8]進一步豐富了“零開挖”的理念，其核心是根據洞口處山體的自然坡度和地形地質條件，確定最小刷坡線或盡量不刷仰坡，僅在小范圍內進行土方開挖后施做護拱和管棚，利用護拱和管棚的拱效應創造進洞條件，實現快速、環保進洞的施工方式。結合安九高鐵聯絡線段龍山1號隧道進出口的地形地質情況，通過進洞方案優化，實現了“零開挖”仰坡進洞的理念。

1 工程概況

新建安慶至九江高鐵長196.566km。其中安慶西至廬山段正線設計時速350km，安慶至安慶西聯絡線段長27.47km，設計時速200km。聯絡線沿線共設置三座隧道。隧道開工后，為解決征地困難和貫徹建設單位提出的“生態安九，智能建造”的管理理念，減少隧道開挖對坡面原生植被體系的破壞，基于施工單位對隧道淺埋進洞施工技術的掌握水平和“零開挖”理念的進洞方式，對龍山1號隧道兩端洞口的進洞方案進行了優化設計。

2 龍山1號隧道進口方案

2.1 地形、地質概況

本隧道洞口地層巖性為三疊系中統銅頭尖組(T2t)粉砂巖，紫紅色-青灰色，中厚層至厚層，粉砂質結構，鈣質膠結。洞口段強風化層厚約2～4m，節理裂隙很發育，巖體破碎，Ⅳ級軟石，σ0=600kPa；以下主要為弱風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎，Ⅳ級軟石，σ0=1000kPa。有一定程度的偏壓。

2.2 原設計進洞方案

結合洞口段地質、地形情況，并考慮減少短路基，本隧道洞口與橋梁相接，橋隧分界里程為ZDK15+428.93。洞口段設59.07m(含19m帽檐斜切式洞門結構長度)長的明洞后進洞，明暗分界里程按洞頂最小覆土厚度不小于2m，暗洞洞身進入弱風化粉砂巖地層的思路確定，明暗分界里程確定為ZDK15+488。明暗分界處設1m厚導向墻配合Φ108超前大管棚進洞施工。

洞口及明洞段臨時開挖邊坡坡率1∶0.75，最高臨時邊坡處位于明暗分界處，高約28.3m(含邊墻直立邊坡)，設三級邊坡。臨時邊仰坡采用錨噴(網)防護，噴C25混凝土10cm厚，鋼筋網Φ8，間距25cm×25cm，砂漿錨桿長3.0m，間距1.2m×1.2m。明暗分界斷面處永久邊仰坡坡率為1∶1，邊坡最高約10.4m，仰坡約2.5m，采用拱形骨架護坡。洞口段縱斷面及明暗分界進洞處橫斷面如圖1和圖2所示。

圖1 原設計進口縱斷面(單位：cm)

圖2 原設計進口明暗分界處橫斷面(單位：cm)

2.3 優化后進洞方案

現場開工后，由于征地難度較大，結合該隧道洞口的實際地形地質情況，并基于施工單位有處理隧道淺埋進洞的經驗，在優化方案中，打破了常規設計中“明暗分界里程按洞頂最小覆土厚度不小于2m”的理念，通過將明暗分界位置向洞外方向合理外移，導向墻長度由1m調整為2m的方式，實現了仰坡“零開挖”進洞的理念。

優化后的明暗分界里程為ZDK15+482.5，明暗分界處臨時邊坡高19.85m(含邊墻直立邊坡)。優化后的洞口段縱斷面及明暗分界進洞處橫斷面如圖3和圖4所示。

圖3 優化后進口縱斷面(單位：cm)

圖4 優化后進口明暗分界處橫斷面(單位：cm)

2.4 方案比較

相對原設計方案，優化設計方案通過明暗分界里程向洞外調整5.5m，導向墻長度增加1m的優化措施，實現了隧道洞口“零開挖”仰坡進洞的理念。最大臨時邊坡由原設計的28.3m降低為19.85m，永久仰坡由原設計的2.5m降低為0m，由此挖方量減少1530m3，臨時邊坡錨噴防護量減少35m3，鋼筋網減少1091kg，錨桿長度減少719m；洞口占地由原設計的7.85畝降低為5.24畝。通過方案優化，大大降低了隧道洞口開挖對原生植被的破壞。

3 龍山1號隧道出口方案

3.1 地形、地質概況

本洞口段地形仍存在一定的偏壓?？睖y階段因外部環境因素無法進場而造成了勘探遺留，因此原設計進洞方案是基于勘測階段的推測地質開展的。隧道開工后開展了補充勘察工作，變更設計方案基于補勘后的地質情況并結合現狀地形及施工單位的水平基礎上開展。

3.2 原設計進洞方案

由于山坡上植被茂密，洞口地層主要是根據坡腳開挖陡坎處地層(閃長巖)出露情況結合物探資料開展的推測性地質填繪，洞口地層主要為基巖出露，出露地層為燕山期閃長巖，由上往下依次為全風化層、強風化層和弱風化層。

由于隧道洞口仰坡較陡且洞口前方為既有礦區道路，結合洞口地形地質情況，本洞口設計與橋梁相接，洞門采用倒切式洞門，橋隧分界里程為ZDK16+179.4。明暗分界里程按洞頂最小覆土厚度不小于2m的思路確定為ZDK16+159，洞口明洞段(即洞門長度)長20.4m。明暗分界處設1m厚導向墻配合Φ108超前大管棚進洞施工。

洞口及明洞段臨時開挖邊坡坡率1∶0.75，最高臨時邊坡處位于明暗分界處，高約26.1m(含邊墻直立邊坡)，設三級邊坡。臨時邊仰坡采用錨噴(網)防護，噴C25混凝土10cm厚，鋼筋網Φ8，間距25cm×25cm，砂漿錨桿長3.0m，間距1.2m×1.2m。明暗分界斷面處永久邊仰坡坡率為1∶1.25，邊坡最高約9.9m，仰坡約6.87m，采用拱形骨架護坡。洞口段縱斷面及明暗分界進洞處橫斷面如圖5和圖6所示。

圖5 原設計出口縱斷面(單位：cm)

圖6 原設計出口明暗分界處橫斷面(單位：cm)

3.3 優化后方案

為降低施工征地難度，結合補勘后的實際地質情況和洞口實際地形，基于施工單位的施工水平，在洞口變更設計中，打破了常規設計中“明暗分界里程按洞頂最小覆土厚度不小于2m”的理念，通過將明暗分界位置向洞外方向合理外移、洞門回填坡面坡率調整、導向墻長度調整為2m的方式，實現了仰坡“零開挖”進洞的理念。優化后的明暗分界里程為ZDK16+163.4，明暗分界處臨時邊坡高18.3m。優化后的洞口段縱斷面及明暗分界進洞處橫斷面如圖7和圖8所示。

圖7 龍山1號隧道出口優化后縱斷面

圖8 龍山8號隧道出口優化后明暗分界處橫斷面

3.4 方案比較

通過明暗分界里程向洞外調整4.4m，導向墻長度增加1m的優化措施，實現了隧道洞口“零開挖”仰坡進洞的理念。最大臨時邊坡由原設計的26.1m降低為18.3m，永久仰坡由原設計的6.87m降低為0m，由此挖方量減少2778m3，臨時邊坡錨噴防護量減少70m3，鋼筋網減少2212kg，砂漿錨桿長度減少1459m；洞口用地由原設計的3.51畝降低為2.70畝。通過方案優化，大大降低了隧道洞口開挖對原生植被的破壞。

4 結論

采用“零開挖”進洞理念，對安九高鐵龍山1號隧道進出口設計方案進行了優化，順利實現了仰坡零開挖進洞，降低了洞口邊仰坡開挖高度、減少了洞口土方開挖方量和防護工程量及洞口占地，達到了保護環境的目的，通過優化分析得到以下結論：

(1)采用“零開挖”仰坡進洞的方案，可有效降低工程造價，避免建設中的環境破壞和運營過程中的隧道洞口工程病害。

(2)為實現“零開挖”仰坡進洞的理念，可充分利用導向墻的護拱作用，適當調整導向墻的長度，盡可能地將暗洞進洞位置調至無仰坡臨界點進洞，以盡可能降低邊仰坡高度。

(3)零開挖進洞洞口淺埋段長度增加，施工單位需要對較長段落淺埋暗挖段施工安全的重視。