耳墻蓋挖法在淺埋偏壓隧道洞口段的應(yīng)用研究

張紅日

（山西路橋集團(tuán) 隰吉高速公路有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

黃土地區(qū)由于特殊的地形限制，導(dǎo)致某些隧道洞口必須采用非常規(guī)的進(jìn)洞方式和洞門(mén)結(jié)構(gòu)。同時(shí)黃土地區(qū)特有的溝壑地形，導(dǎo)致大多數(shù)黃土隧道的進(jìn)洞位置處都存在不同程度的偏壓情況，加之洞口段埋深較淺，圍巖風(fēng)化強(qiáng)，極易受降雨和開(kāi)挖擾動(dòng)等影響，自穩(wěn)性差。在淺埋偏壓隧道洞口段施工中，常因施工工法選取不當(dāng)而造成洞門(mén)塌方冒頂、洞口邊仰坡滑塌等工程事故[1]。蓋挖法，兼具明挖法與暗挖法優(yōu)點(diǎn)[2]，能在保證開(kāi)挖支護(hù)安全的前提下明顯降低洞口段邊坡開(kāi)挖高度，與明挖相比，可減少洞口刷方方量，降低工程建設(shè)成本，減少對(duì)洞口植被的影響，是綠色交通倡導(dǎo)的優(yōu)先進(jìn)洞方法[3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在隧道洞口蓋挖法方面進(jìn)行了大量研究，劉傳利等[4]、龐新剛[3]和胡平等[5]結(jié)合不同工程案例研究了蓋挖法在淺埋偏壓、超淺埋偏壓段與洞口段的設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)；伍毅敏等[6]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)半明半暗隧道洞口段力學(xué)特征進(jìn)行了分析；劉傳利等[4]采用數(shù)值模擬方法分析了蓋挖法施工隧道變形受力規(guī)律。

本文依托隰吉高速南嶺塬隧道工程，對(duì)偏壓黃土隧道洞口段蓋挖法設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)蓋挖法施工過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)闡述，提出了耳墻蓋挖法的施工要點(diǎn)，可為類似隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

南嶺塬隧道位于山西省隰縣縣城以東龍泉鎮(zhèn)衛(wèi)家垣村，設(shè)計(jì)為左右分離式，總體走向呈北南向，左線洞身全長(zhǎng)2 210.0 m，右線全長(zhǎng)2 187.0 m，最大埋深136.12 m。

隧址區(qū)地勢(shì)總體上中部較高，南北兩側(cè)低。隧道進(jìn)口位于龍泉鎮(zhèn)古城村古城磚廠南側(cè)一斜坡上，岸坡較陡峭，坡向北，坡角在24°～31°之間；溝底未見(jiàn)基巖出露，洞口及以上溝壁部分為第四系中更新統(tǒng)離石黃土。隧道出口位于龍泉鎮(zhèn)衛(wèi)家垣村銀山溝北岸斜坡上，岸坡較陡峭，坡向南，自然坡度約20°～38°之間；溝底為耕地。

隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，地層由新至老依次有：第四系上更新統(tǒng)粉土、粉質(zhì)黏土（Q3eol、Q3dl），第四系中更新統(tǒng)離石黃土（Q2pl），新近系靜樂(lè)組（N2j）粉質(zhì)黏土夾薄層礫巖。

圖1 南嶺塬隧道洞口概貌

2 耳墻+蓋挖法施工方案的確定

2.1 地形條件

隧址區(qū)地勢(shì)總體上中部較高，南北兩側(cè)低，右線地表高程1 052.10～1 182.00 m，相對(duì)高差129.9 m；左線地表高程1 047.69～1 181.10 m，相對(duì)高差133.41 m，岸坡較陡峭。隧址區(qū)地貌單元屬黃土殘塬區(qū)，洞口以上溝壁部分為第四系中更新統(tǒng)離石黃土。

圖2 南嶺塬隧道右線洞口段地質(zhì)縱斷面圖

2.2 施工方案比選

對(duì)于淺埋偏壓隧道，目前國(guó)內(nèi)外多采用加固處理偏壓邊坡再進(jìn)行洞門(mén)施工，常見(jiàn)措施有：削坡、回填反壓、地表注漿、設(shè)置抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨桿和混凝土擋墻等。各種方案之間經(jīng)濟(jì)效益差別顯著。

削坡和回填反壓是通過(guò)調(diào)整隧道兩側(cè)土體壓力來(lái)降低邊坡偏壓對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。削坡的治理效果與開(kāi)挖范圍密切相關(guān)。如果處治范圍小，無(wú)法起到很好的治理效果，范圍大則經(jīng)濟(jì)性降低且對(duì)周邊環(huán)境的破壞較大。當(dāng)偏壓程度不大時(shí)，采用回填反壓，該方案通常與施作明洞共同使用。

當(dāng)隧道淺埋且地層非常松散破碎，時(shí)常采用地表注漿，該方法是通過(guò)提高土體參數(shù)來(lái)提高圍巖自穩(wěn)能力。但是，注漿量估算和控制比較難以把握。

設(shè)置支擋措施，包括混凝土擋墻、預(yù)應(yīng)力錨桿和抗滑樁等，有時(shí)相互結(jié)合采用。支擋措施的主要作用：抵擋仰坡下滑、削弱山體偏壓力和增強(qiáng)端墻穩(wěn)定性。

山嶺隧道洞口淺埋段施工常采用暗挖法或明挖法進(jìn)行施工。暗挖法需要有足夠的上覆巖土體，且能夠形成承載拱，該工程不適合采用。明挖法因?yàn)橐_(kāi)挖坡體，對(duì)植被環(huán)境破壞較大，故也不采用。

同明挖法相比，蓋挖法減少了開(kāi)挖深度和寬度，故南嶺塬隧道洞口段采用蓋挖法結(jié)合耳墻的支護(hù)方案，既達(dá)到了對(duì)周邊環(huán)境最小限度的干擾，同時(shí)又解決了偏壓的難題。

3 設(shè)計(jì)與施工方法

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中對(duì)隧道拱肩厚度的覆蓋層要求、隧道洞口的地形地貌和邊仰坡的實(shí)際情況，明暗洞交界里程樁號(hào)確定為K21+471，蓋挖拱起點(diǎn)樁號(hào)為K21+471。

3.1 洞口截排水施工

邊仰坡施工前應(yīng)先沿開(kāi)挖邊緣線5～10 m開(kāi)挖并施作洞頂截水天溝，待進(jìn)洞后及時(shí)施作洞門(mén)和兩側(cè)排水溝，與洞頂截水溝相連形成完整的排水系統(tǒng)。

3.2 邊、仰坡開(kāi)挖防護(hù)

按設(shè)計(jì)要求從上至下開(kāi)挖邊仰坡，并及時(shí)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行邊仰坡的防護(hù)。邊仰坡采用噴錨網(wǎng)防護(hù)+窗孔式護(hù)面墻防護(hù)+植生防護(hù)，以防雨水滲入而坍塌。開(kāi)挖高側(cè)臨時(shí)邊坡采用錨、網(wǎng)、噴防護(hù)。鋼筋網(wǎng)間距15×15 cm，C25噴混凝土厚度 10 cm，Φ22 mm水泥砂漿錨桿間距1 m×1 m，呈梅花型布置，一級(jí)邊坡錨桿長(zhǎng)3 m，二級(jí)邊坡錨桿長(zhǎng)8 m。端頭與鋼筋網(wǎng)焊接，以增強(qiáng)坡面防護(hù)的整體穩(wěn)定性。

3.3 明洞段施工

明洞采用明挖法施工，采用挖掘機(jī)分段、分層開(kāi)挖，拱上部采用放坡開(kāi)挖，拱下垂直邊坡開(kāi)挖，必要時(shí)輔以破碎錘開(kāi)挖，人工配合挖掘機(jī)刷邊（仰）坡。

3.4 蓋挖段施工

蓋挖段施工順序?yàn)椋禾坠啊⒍鷫蜕w拱、大管棚施工。

圖3 蓋挖段起點(diǎn)K21+471立面圖

a）蓋拱施工 拱部120°范圍采用C30鋼筋混凝土護(hù)拱，厚80 cm，內(nèi)設(shè)9榀I20a型鋼，鋼架緊貼仰坡放置，間距60 cm。靠山體一側(cè)采用Φ42 mm錨管，管長(zhǎng)5 m，以增強(qiáng)護(hù)拱體系的穩(wěn)定性和安全性。另一側(cè)偏壓耳墻采用C30現(xiàn)澆混凝土，與蓋挖護(hù)拱整體澆筑。護(hù)拱鋼筋設(shè)計(jì)，耳墻設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)配筋圖

b）回填 當(dāng)蓋挖段混凝土套拱達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%后，洞頂回填碎石土。回填碎石土應(yīng)分層夯實(shí)，回填高度可根據(jù)實(shí)際地形作適當(dāng)調(diào)整，其上設(shè)置50 cm厚黏土隔水層，其坡度施工時(shí)根據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行調(diào)整，黏土層表面鋪設(shè)網(wǎng)格植草。

c）大管棚施工 采用Φ108 mm，壁厚6 mm熱軋無(wú)縫鋼管進(jìn)行超前支護(hù)。環(huán)向間距40 cm，外插角1°。施作管棚前，先行施作2 m的套拱，安裝導(dǎo)向管用于管棚精準(zhǔn)定位和導(dǎo)向。注漿采用“單”“雙”號(hào)注漿。

d）洞身開(kāi)挖支護(hù) 蓋挖段采用CD（中隔壁）法分部、分塊施工，盡量采用人工或機(jī)械開(kāi)挖。將隧道分成左右兩部分，每部分又分為上、中、下3個(gè)臺(tái)階，每步開(kāi)挖后，應(yīng)及時(shí)施作錨噴支護(hù)、安設(shè)鋼架、施作中隔壁。中隔壁墻依次分部聯(lián)結(jié)而成。待該側(cè)初期支護(hù)完成，且強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后，再分層開(kāi)挖隧道的另一側(cè)。最后，拆除支護(hù)，施作仰拱及填充、再施作拱墻襯砌。

3.5 暗洞段施工

該隧道洞口為V級(jí)圍巖黃土地質(zhì)段，按設(shè)計(jì)采用預(yù)留核心土法施工。具體施工工序?yàn)椋汗安砍靶?dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)→拱部環(huán)形開(kāi)挖→上半斷面初期支護(hù)→核心土開(kāi)挖→下半斷面開(kāi)挖→下半斷面初期支護(hù)→澆筑仰拱封底。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托南嶺塬隧道工程，通過(guò)分析其洞口段地形地貌及地質(zhì)情況，對(duì)常用的隧道進(jìn)洞方案進(jìn)行了比選，探討了耳墻蓋挖法對(duì)該工程的適用性，并論述了該方案在南嶺塬隧道的具體設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用情況，分析結(jié)果表明：

a）蓋挖法可減少開(kāi)挖面，耳墻可有效提高偏壓側(cè)邊坡的穩(wěn)定性，解決偏壓?jiǎn)栴}，兩者結(jié)合，既達(dá)到了對(duì)周邊環(huán)境最小限度的干擾，同時(shí)又解決了淺埋偏壓的工程難題。

b）耳墻蓋挖法可有效避免邊仰坡失穩(wěn)，減少永久占地，很好地體現(xiàn)了綠色環(huán)保理念，尤其在黃土地區(qū)綠色植被覆蓋率本就不高的條件下，該方案兼具景觀生態(tài)和工程防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在黃土地區(qū)隧道建設(shè)中具有很好的應(yīng)用前景。