穿越沖溝段淺埋偏壓隧道洞口關鍵設計研究

【中圖分類號】：U455.6 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）03-17-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.03.005

Study on Key Design of Shallow Buried Bias Tunnel Entrance Crossing Gully

WAN Zhiwen，ZHOU Jinqiang，YANG Xiong，JING Huaijun （Hunan Provincial Transportation Planning Surveyand Design InstituteCo.Ltd.，Changsha 41OOO8，China）

【Abstract】：Aiming at the problems such as shallow buried pressure，poor geology andrich groundwater when the tunnel crosses the gully section，based Shisaiao TunnelofNanbinHighway inGuangxi，the drainage methodof the tunnel entrance in thegulyarea was studied.Through hydrologiccalculationand analysis，the waterproof and drainage method at the tunnel portal was obtained.At the same time，the deformation of tunnel initial support structures and the selection of support parameters were analyzed and compared in diferent excavation methodsunder shallow buried bias pressre by numerical simulation.The results showed that the reserved core soil method had fewer construction processes，and better construction and deformation control.The shallow buried section in the gullat the tunnel entrance was excavated using the reserved core soil method；Auxiliary construction measures such as advanced large pipe shed，and grouting towards the inner diameter of the tunnel，the initial support is equipped with anchor，stee mesh，and I2Ob steelarches，secondary lining was reinforced with a 50 cm thick reinforced concrete lining structure are adopted.Based on on-site measurement andanalysis，the research on the waterproofing and drainage methods，excavation methods，and support types for shallow buried and bias tunnels crossing gullies can ensure construction and structural safety.

【Key words】： tunnel portal;gully;shallow buried bias；drainage method

隨著我國公路建設的推進，受用地和選線的限制，隧道不可避免穿越淺埋沖溝等不利地形。沖溝由于常年受雨水沖擊容易在溝中形成沖積物積聚，導致沖溝段地質條件較差，地下水發育[＼～3];因此，隧道穿越沖溝地段由于埋深淺，沖溝范圍巖土體松散破碎，強度較低，暗挖時容易引起洞內坍塌甚至冒頂[4＼～10]。

許多專家和學者對隧道淺埋洞口進洞技術進行研究：王偉等依托既有隧道工程，研究洞口淺埋段初支結構支護變形及破壞規律，并提出相應的控制措施；張慧民等2依托復雜地形地質條件下超大斷面隧道工程，通過數值計算分析不同埋深條件與采用多種支護方法加強下隧道洞口圍巖與邊坡的穩定性；楊靈等[3根據北固山隧道洞口地質情況，采取數值模擬，對比模擬了隧道出口段在采用不同開挖方法時圍巖變形和支護受力特征的變化；吳金剛等4根據洞口淺埋段的隧道地質情況、荷載條件，研究了不同支護作用下隧道結構的受力與變形特征，提出了淺埋隧道洞口加襯砌結構加強措施。然而，針對沖溝等不良地形和地質隧道洞口關鍵設計研究還很少；因此，開展穿越沖溝段淺埋偏壓隧道洞口關鍵設計研究顯得尤為重要。

本文結合廣西南賓公路石塞坳隧道的工程特點，采用數值模擬和現場監測等方法，研究淺埋沖溝隧道進洞關鍵技術，分析隧道洞口排水、開挖和支護的合理形式。

1工程概況

石塞坳隧道全長 1245m ，為雙向4車道，設計速度 80km/h 。隧道洞口位于沖溝段，隧道圍巖主要為全、強風化花崗巖，巖體軟～極軟、破碎且地下水發育。隧道埋深約 4～16m ，位于沖溝范圍為淺埋偏壓，長度約 60m 。見圖1。

2沖溝段洞口排水設計研究

隧道出口沖溝段有小型溪流，暴雨季節在山坡凹面、斜坡沖溝等經常出現短暫洪流，對松散堆積體、全強風化巖體有較強的沖刷力。考慮到沖溝段匯水面積較大且隧道洞口位于沖溝內，要對隧道的洞口排水進行針對性研究，保證施工和運營期洞口排水通暢，避免影響行車安全。

2.1沖溝匯水量

石塞坳出口沖溝段匯水面積約 0.06km² 。廣西小流域設計暴雨洪水流量（適用于流域面積 F?500km². ）

Q_p=0.278（S_p/τⁿ-μ）F

式中： Q_p 為洪水流量， m³/s;S_p 為廣西百年一遇最大小時雨量，為 100mm/h;τ 為匯流時間， h;n 為暴雨遞減指數 ;μ 為損失參數， mm/h;F 為沖溝段匯水面積，km² 。

經計算，石塞坳出口沖溝段百年一遇地表水匯流量為 1.6m³/s 。

2.2隧道洞口排水方案

2.2.1施工期排水方案

洞外左側截水溝沿等高線向線路低側排水，施作截水溝 AE，EF 后，接左側路基邊坡第三級平臺，施作平臺排水溝 FG ，最后施作急流槽 GH ，接到路線左側沖溝。洞外右側截水溝沿等高線向線路低側排水，施作截水溝AB、BC，最后兩急流槽 CD ，接到路線右側沖溝。沖溝中設置1道中間排水溝和1道橫向截水溝，用于搜集沖溝內地表水，通過設置路基排水溝，引排至右側沖溝。見圖2。

2.2.2運營期隧道排水方案

洞外左側截水溝沿等高線向往線路低側排水，經過兩段截水溝 AE，EF 后，接左側路基邊坡第三級平臺，通過平臺排水溝 FG ，最后垂直等高線通過急流槽GH，接到路線左側沖溝。洞外右側截水溝沿等高線向線路低側排水，經過截水溝 AB，BC 后，垂直等高線通過急流槽 CD ，接到路線右側沖溝。沖溝中設置1道中間排水溝和1道截水溝，用于搜集沖溝內地表水，排至洞頂水溝，通過洞門墻預埋PVC排水管引排至路基邊溝。見圖3。

2.3隧道洞口截排水溝排水能力驗算

截水溝位于沖溝兩側，分別對兩側山坡地表水進行排水，沖溝左側截水溝對應山體匯水面積 7500m² ，地表水匯流量為 0.2m³/s ;沖溝右側截水溝對應山體匯水面積約 40 000m² ，地表水匯流量為 1.07m³/s 。 AB 段截水溝凈空尺寸為 1m×0.6m ，縱坡 3% ，設計截水溝過流量 1.69m³/s;BC 段截水溝凈空尺寸為 1m×0.6 m ，縱坡 2.5% ，設計截水溝過流量 1.54m³/s;CD 段急流槽，縱坡坡比 1：2：AE，EF 段截水溝凈空尺寸為 0.6m× 0.6m ，縱坡 2% ，設計截水溝過流量 0.69m³/s ;邊坡平臺 FG 段排水溝凈空尺寸為 0.6m×0.6m ，縱坡 1% ，設計排水溝過流量 0.49m³/s 。設計截水溝過流量均滿足排水能力要求。

3隧道開挖和支護方式研究

3.1隧道開挖方式研究

為保證隧道洞口淺埋沖溝段施工安全，對中隔壁法和三臺階預留核心土法開挖方式進行比選。采用數值計算軟件建立地層-結構模型。本構模型為摩爾-庫倫模型，圍巖采用實體單位，支護采用梁單元。見表1和見圖4。

3.2隧道變形分析

中隔壁法施工時，隧道支護結構變形隨著分步開挖的推進而增大，最大累計沉降值為 5.8mm ，出現在拱頂處；最大累計收斂值為 1.4mm ，出現在隧道拱腰。見圖5。

預留核心土法施工時，隧道支護結構最大累計沉降 5.4mm ，出現在拱頂處;最大累計收斂值為 1.1mm ，出現在隧道拱腰。見圖6。

2種工法施工隧道支護變形值控制在安全范圍以內；但考慮到預留核心土法施工工序較少，現場施工控制和變形控制較好，洞口沖溝淺埋段采用預留核心土法開挖。

3.3隧道支護方式

根據規范和類似項目經驗，沖溝淺埋段隧道支護采用復合式襯砌結構，同時考慮到沖溝段埋深淺、地質差、地下水豐富，采用洞內注漿方式對圍巖進行加固，結合超前大管棚、超前雙層小導管、洞內徑向注漿等輔助施工措施，保證施工安全。

初期支護設置錨桿 + 鋼筋網 +120b 工字鋼拱架，二襯采用 50cm 厚鋼筋混凝土襯砌結構對支護進行加強，施工中短進尺，強支護，早封閉，二次襯砌及時緊跟，同時加強監控量測和超前地質預報，保證施工和運營期隧道安全。見圖7。

選取洞口段預留核心土典型S5a襯砌結構進行數值計算分析：最大軸力為 -835.65kN ，在左側拱腰處；最大剪力為 -61.25kN ，在右側拱腰處；最大正彎矩26.38kN?m ，置在左側拱腳處；最大負彎矩 -14.23kN ·m，位置在右側拱腰處。見圖8。

為了定量分析和評價施工階段對隧道支護結構內力的影響，選取拱頂、隧底、兩側拱肩、兩側拱腳共6個特征點，提取內力結果，計算混凝土結構安全系數。S5a襯砌施工階段隧道襯砌的最小安全系數為17.79，滿足規范要求，隧道支護結構處于安全范圍。見表2。

4現場監測

隧道洞口段采用預留核心土法施工，每循環開挖進尺為 0.6m ，及時進行初期支護施作，洞內測點布置見圖9。

選取典型斷面初支變形進行分析。隧道變形隨開挖先急劇增長后緩慢增加，最終累計沉降變形約5.8mm ，累計水平收斂變形 5.07mm 。見圖10。

實測情況與計算結果與基本一致，隧道穿越淺埋偏壓沖溝段采用推薦的開挖和支護方式能夠保證隧道施工安全和結構的穩定。

5結論

1）分段排水同時采用不同形式截水溝和急流槽保證沖溝段大面積匯水的排水通暢。

2）預留核心土和中隔壁法施工，隧道支護結構變形均控制在安全范圍以內；但考慮到預留核心土法施工工序較少，現場施工控制和變形控制較好，洞口沖溝淺埋段采用預留核心土法開挖。

3）采用洞內注漿方式對隧道圍巖進行加固，結合超前大管棚、超前雙層小導管、洞內徑向注漿等輔助施工措施，初期支護設置錨桿 ⁺ 鋼筋網 +I20b 工字鋼拱架，二襯采用 50cm 厚鋼筋混凝土襯砌結構，可以保證隧道施工安全和結構穩定。

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