复杂地形地质条件下隧洞进洞方案设计与施工

，， ，毅驰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳，550081)

复杂地形地质条件下隧洞进洞方案设计与施工

李志伟，秦晓亮，张涛，张毅驰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳，550081)

水利工程中经常遇到复杂条件下隧洞进洞难问题，由于洞口围岩风化严重，承载力较差，再加上降水等不利因素，隧洞进洞方案非常关键。基于安全、环保理念，本文提出“明洞暗进”隧洞进洞方案，相比传统方案，该方案降低了施工难度、减少了土石开挖、缩短了施工工期，有效地解决了隧洞进洞难问题，对类似工程有借鉴意义。

隧洞 复杂地形 明洞暗进 水利工程

1 引言

水利工程中隧洞洞口处的地质、地形条件往往较差，埋深较浅，围岩风化严重，围岩承载能力差，所以，隧洞进洞方案非常关键。随着社会的发展，我国的设计理念相比以前有所转变，设计人员坚持“最大限度的保护、最小程度的破坏、最强力度的恢复”的原则，使隧洞工程与自然环境相和谐[1]。

传统的进洞方案主要为明挖方案和半明半暗隧洞方案。明挖方案即将洞口不良地质仰坡开挖、防护，待地形条件满足进洞要求时进洞，明挖方案形成高边坡，对边坡的开挖破坏原山体的自然环境，再加上防护不及时、降水等因素的影响，很可能导致开挖边坡坍塌，虽然明挖方案的造价较低，但其对山体自然环境破坏较大，因此隧洞进洞方案已基本不采用这种大填大挖方案；半明半暗隧洞方案主要优点是开挖量少，对山体破坏小，可有效控制临时边坡高度，保证山体稳定，但是，其施工的工序较多，工期较长。

根据区域工程地质特点，隧址洞口地形条件复杂，为避免安全事故发生，减少自然环境破坏，且满足工期要求，本文提出一种基于安全、环保理念的进洞方案。

2 隧洞进洞设计方案

洞口受风化、卸荷作用影响，挂口区域岩体裂隙发育、完整性较差，地基承载力较差[2]，可以考虑采用明洞暗进方案。其主要特点是施工工序少，操作简单，安全性高，对原山体基本无破坏作用，同时采用明洞段和管棚措施，确保了暗洞开挖时山体的稳定，特别是在较破碎的全、强风化的围岩段，效果非常明显。

2.1 明洞暗进方案

明洞暗进方案，解决了复杂地形条件下隧洞进洞施工难问题。洞口边坡设置挡墙，并在进洞前修建一段明洞，形成整体的支挡结构，明洞穿过挡墙直抵洞口边坡，挡墙及明洞对复杂地形边坡起到保护作用，为确保洞口段开挖安全，沿拱顶布置一排大管棚超前支护。该方案结构如下图所示。

图1 隧洞挂口正视

图2 明洞段纵剖面

图3 外侧挡墙纵剖面

2.2 施工步骤

隧洞进洞方案主要包括挡墙、明洞段和管棚，挡墙紧贴山体边坡，挡墙分2次浇筑，明洞外侧挡墙先浇筑，并预留外侧挡墙与明洞结合处的插筋，与明洞相交内侧挡墙后浇筑，明洞段施工不宜一次性开挖，应错开挖槽施工，确保复杂地形条件下边坡的安全。隧洞进洞方案采用明洞暗进方案，与传统的明挖方案和半明半暗隧洞方案相比降低了施工难度、减少了土石开挖、缩短了施工工期。

施工步骤如下：

(1)首先浇筑明洞外侧挡墙，每仓浇筑前对仓面进行凿毛处理，确保挡墙结合完整，预留外侧挡墙与明洞结合处的插筋；

(2)明洞段内侧洞壁挖槽，土石开挖弃渣回填外侧未开挖边坡处压脚，浇筑该侧明洞段洞壁；

(3)明洞段外侧洞壁挖槽，浇筑该侧明洞段洞壁；

(4)明洞段两侧洞壁施工完成后，浇筑明洞拱顶和与明洞相交内侧挡墙；

(5)明洞段内部掏槽开挖，浇筑底板，明洞段及挡墙施工完成后，挂口位置管棚开始施工，最后隧洞开始进洞。

3 隧洞进洞安全分析

保证洞口段安全进洞，是整座隧洞顺利掘进的前提。由于洞口的围岩地质条件较差，采用管棚进行超前支护，管棚强度是否达到要求是隧洞进洞方案成败的关键。结合某工程隧洞的明洞暗进进洞方案，本文介绍一种校核管棚强度的方法。

3.1 围岩基本情况

某隧洞进、出口边坡岩体主要为薄～中厚层砂岩、粉砂岩，下部为(含)炭质粉砂岩、泥岩，受构造影响，挂口区域岩层倒转倾向上游，且由于倾倒作用而倾角变缓，岩层整体缓倾洞内，挂口区域岩体裂隙发育、完整性较差，岩体为Ⅳ类围岩。根据地质提供的地层参数，重度γ=26kN/m3；内摩擦角φ=38°；隧洞宽度B=8.89m；隧洞高度H=6.65m；隧洞埋深hm=0～21m；地面荷载q=0；粘聚力c=5kPa。为确保洞口段开挖安全，沿拱顶104.43°范围布置一排大管棚超前支护，35根直径φ108mm钢管，壁厚8mm，长20m，环向间距30cm，外插角1°～3°；挂口点内侧管棚洞段20m范围内钢支撑加密为0.5m，钢支撑之间设联系筋Φ22，间距0.5m。

3.2 管棚强度校核

由于管棚仅为隧洞超前支护，后期主要由C25钢筋混凝土衬砌承载，因此计算时仅考虑施工工况，其计算模型简化如图4所示。Ⅳ类围岩洞身段施工主要步骤：①上台阶开挖，上台阶初期支护；②下台阶开挖，下台阶两边墙处初期支护，底板衬砌，全断面边墙及拱部二次衬砌。顶拱部位开挖台阶高度约h=2.0m。

图4 管棚强度计算模型

(1)管棚最不利受力段长度L

式中各参数如图4所示。

(2)围岩压力及管棚最大弯矩计算

管棚在钢支撑上，钢支撑看作为铰支座，管棚计算简化为多跨梁计算模型，模型如图5。根据《公路隧道设计规范》围岩压力计算公式[3]，经计算，单根钢管所承受的围岩压力分别为：q5=44.12kN/m；q4=41.16kN/m；q3=40.36kN/m；q2=39.06kN/m；q1=38.12kN/m。

图5 管棚计算模型

图中：节点之间荷载按线性分布；1～5表示节点编号；0.5、1.97表示单元长度；(1)～(4)表示单元编号。

经计算，管棚弯矩图如图6所示。

图6管棚弯矩图

从弯矩图中可知，管棚最大弯矩Mmax=15.34kN·m。

(3)管棚强度校核

隧洞钢管选用φ108×8，间距30cm。钢管材料选用Q345b，钢管的屈服强度[σs]=345/1.111=310MPa。钢管采用无缝钢管，钢管内注M30水泥砂浆。计算不考虑钢管内注浆。由材料力学可知，钢管抗弯截面模量公式如下：

式中：D——钢管外径，D=108mm；

d——钢管内径，d=108-8×2=92mm；

经计算钢管抗弯截面模量W=58.52cm3。

4 结论

(1)明洞暗进隧洞进洞方案与传统方案相比，降低了施工难度、减少了土石方开挖、缩短了施工工期，该方案优点显著，能够有效地解决复杂地形地质条件隧洞进洞难问题；

(2)通过管棚强度校核对隧洞进洞安全分析，结果表明，管棚强度满足要求，隧洞进洞方案能够满足安全性要求；

(3)该方案采用明洞段及挡墙支护，隧洞挂口位置拱顶布置管棚，降低隧道掘进风险，该方案已成功应用于工程中，对类似工程有一定借鉴意义。

〔1〕张双茁.偏压地形条件下隧道进洞方案设计[J].交通标准化，2009(01)：59-63.

〔2〕庞小冲，袁永新.复杂地形地质条件下隧道进洞方案研究[J].水利与建筑工程学报，2016(02)：189-192.

〔3〕重庆交通科研设计院主编，公路隧道设计规范[M].北京：人民交通出版社，2004.

〔4〕杨 曌.特殊地质地段隧道进洞方案研究[D].湖北：华中科技大学，2013.

〔5〕徐俏东.隧道明洞暗做法在特殊环境下的应用[J].上海铁道科技，2011(01)：85-87.

〔6〕姜同虎，霍三胜，叶 飞，等.浅埋软弱破碎围岩隧道进洞施工技术研究[J].现代隧道技术，2011(03)：117-122.

〔7〕杨立波.复杂地形地质条件下隧道进洞施工技术[J].山西建筑，2012(03)：180-181.

TV554

B

2095-1809(2017)05-0061-03

■