陡峻山岭公路隧道洞口设计浅析

米东阳

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

近年来，高速公路的建设取得了迅猛的发展，高等级公路建设正从东部平原地区向西部山区延伸。我国地貌的总轮廓是西高东低，形成一个以西藏高原最高，向东逐级下降的阶梯状斜面，可明显分为3个阶梯，中西部地区是第二阶梯（横断山脉以及高原地形），主要由高山、高原和大盆地组成，地势往往比较陡峻，尤其是沿河山岭和黄土高原沟壑地区[1]。

为了改善公路线形，山区公路常常以隧道方式穿越陡峻山岭，当遇到桥隧相接的情况时，为避免桥台基础稳定性不足，发生滑塌事故，隧道洞门的位置宜向山体内侧移。一般陡峻山岭隧道洞口处的地质条件较好，岩层产状完整，但易有软弱夹层，当开挖进洞时，破坏了山体原有的平衡，极易产生坍塌、顺层滑动、落石、掉块等现象。

针对陡峻山岭隧道洞口的特点，常有两种洞口设计形式：短明洞进洞设计方案、贴壁无明洞进洞设计方案，已建成的隧道中两种形式均常见。某高速公路隧道的工程地质条件是典型的陡峻山岭隧道，且有桥隧相接问题，因此，本文将两种设计形式应用于该隧道洞口设计，并对两者的安全、施工、环保以及后期运营养护等进行对比分析。

1 隧道洞口工程地质概况

1.1 隧道洞口地质概况

隧道为分离式双线四车道，净宽10.25 m，净高5.0 m。隧道区主要穿越和尚沟组（T1h）紫红-砖红色砂岩夹紫红色泥页岩，中夹灰紫色中厚层、中薄层细粒长石砂岩、薄板状粉砂岩，砂岩具发育的交错层理、平行层理，具波痕、泥裂；围岩以软岩和较坚硬岩为主，地层呈单斜状，地质构造较为稳定，水文地质条件较为简单；抗震设防对应地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度0.15g。隧道进口端洞口位于黄土覆盖基岩中陡坡上，洞口边坡由上覆残坡积物与三叠系和尚沟组（T1h）砂岩夹泥岩组成，洞口位置自然斜坡坡度约 50°，岩层产状平缓，视倾角约5.9°，且视倾向与自然坡坡向相同，见图1；洞口处的岩体节理裂隙发育，岩体较为破碎。

图1 隧道洞口地质概况

1.2 隧道洞口工程设计内容及难点

隧道洞口工程设计主要包括：洞口段衬砌形式、桥涵、路基支挡、坡面防护、排水工程、施工场地布置及便道引入、弃渣处理、施工干扰以及洞门结构形式等技术要求和工程大小[2]。该隧道工程设计主要有两个难点：隧道进口边坡地形较陡，边坡表层上覆Q3粉土与强风化砂泥岩层，岩层视倾向与自然坡坡向相同，如有软弱夹层，易发生顺层滑动；此外，运营桥梁的震动易引起岩体结构裂隙卸荷，发生层间滑动变形，此时隧道洞门基础应有较好的抵抗变形能力，隧道应采用明洞方案，明洞基础面积长宽比较小，稳定性较好。

隧道洞口设计的另一难点是桥隧紧接，隧道进口与大桥相接，因地形较陡，桥台需要一定的空间，隧道的明洞位置只能往山的内侧移，隧道边仰坡不宜大挖，避免斩断岩脚，发生顺层滑动或塌方，隧道应尽早进洞，采用无明洞贴壁进洞较合适；采用隧道明洞与桥台结合设计，施工难度和造价均较高。综合考虑桥跨与洞口布局，结构处理的整体性以及桥隧施工的相互干扰等因素，桥隧结合方案不适宜。

2 隧道进洞设计方案

2.1 明洞设计方案

由于该隧道进口桥隧相接段桥台位置的要求，隧道洞门墙的位置已经固定，因此，洞口的设计方案着重从边、仰坡设计、明洞基础设计、洞口环境景观设计方面入手，设计方案见图2。明洞进洞设计方案采用5 m短明洞，临时边坡采用1∶0.5坡比，永久边坡采用1∶0.75坡比刷坡，临时仰坡采用1∶0.2坡比，永久仰坡采用1∶0.5坡比刷坡，永久边坡最高约12 m，永久仰坡最高约15 m，永久边、仰坡采用喷锚支护；明洞基础投影长宽比约1∶0.5，重心靠近山体内侧，明洞地基进行换填处理，承载力满足要求即可；隧道洞门端墙的装饰参照周围环境，适当降低端墙亮度，减小车辆进洞时空间收缩感。

图2 短明洞进洞设计方案示意图

2.2 贴壁设计方案

当洞口地形陡峻时，一般建议隧道贴壁进洞，减小仰坡高度[3]。方案二的设计思路是在满足隧道洞口相关构造设计的要求下，尽量减小仰坡的高度；方案较重要的设计有套拱与洞门墙结合、洞门墙地基基底处理、洞门景观设计等，见图3。隧道洞口围岩为Ⅳ级，贴壁进洞采用套拱加短管棚，管棚端头外露1.5 m，浇筑在套拱之中，套拱预留连接钢筋，洞门墙钢筋与套拱预留钢筋相连，整体浇筑；贴壁进洞方案的洞门墙没有明洞的连接，抵抗不均匀沉降和抗震的能力较弱，因而，其地基的设计要从控制沉降变形和承载力两方面考虑，采用换填加短桩加固，短桩基础可以和桥台地基加固一起设计；贴壁进洞方式的仰坡高度小，与自然景观结合较好，洞门墙顶部设置城墙式造型，既可以减缓陡峻山坡造成的压抑感，也可以起到减光的作用。

图3 贴壁无明洞设计方案示意图

3 两种设计方案比较

陡峻山岭隧道采取明洞进洞方案，往往需要多级边坡，边坡一般采用喷锚防护，这些防护措施随着公路运营时间的增加，支护效果逐渐减弱。采取贴壁无明洞进洞方案，边坡高度相对较低，也有利于景观绿化，但是它的施工工艺复杂，明洞基础靠近山体风化层，不均匀沉降风险较高。下面从安全（表1）、施工（表2）和环保（表3）方面分别做比较。

表1 两种方案（安全）比较表

表2 两种方案（施工）比较表

表3 两种方案（环保）比较表

4 结语

洞口工程是整个隧道施工顺利和后期养护的关键部分，陡峻山岭隧道洞口地形陡峭，往往桥隧相连，因此，要结合洞口地形、洞口岩体结构特征、洞口段施工、永久边坡高度和稳定性、洞门地基稳定性、环保等因素，综合分析选择较优的洞门设计方案[4]。

明洞设计方案具有洞门基础安全性高，施工方案较简单，暗洞进洞较容易等优点，但其边仰坡高度较大，后期随着围岩卸荷和桥梁振动易发生滑塌事故；贴壁设计方案具有边仰开挖高度小，洞口自然景观较大保留，洞口弃渣少等优点，它有施工场地较窄、施工工艺复杂、抗震性能一般等缺点。

该隧道的洞口段地形较陡，且与桥梁相接，岩层产状平缓，视倾角约5.9°，且视倾向与自然坡坡向相同，地质条件后期易发生滑塌，如永久边坡较高，后期运营风险较高，所以采用贴壁进洞设计方案较优，在设计上采用加强洞门纵向连接，换填加短桩地基处理等措施，提高洞门结构整体稳定性和抗震性能。