高陡边坡隧道斜交进洞技术研究

郭 瑞

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 引言

随着国民经济的发展，各种交通设施的建设越来越多，特别是高速铁路、客运专线、高速公路的建设。为确保速度，对线路要求越来越高，部分隧道的进洞条件也变得愈加复杂，高陡边坡条件下的斜交进洞［1-3］施工也越来越多。特别是黄土地质条件下，自然边坡较陡，在隧道施工作用下，极易发生坍塌、滑坡等事故。支护条件又较差，采用锚索、锚杆、抗滑桩等措施，往往工程造价较高，但效果却不佳。本文对黄土地质条件的高陡边坡斜交进洞技术展开探讨。

2 工程概况

2.1 地形地貌

宝兰客专南山堡隧道出口与董家庄隧道进口之间为“V”字深切冲沟，V形沟与隧道斜交55°，沟底与坡顶高差97 m，山体综合坡率约1∶0.5～1∶0.9。轨顶标高与坡顶高差85 m。工程位置关系如图1所示。

图1 工程位置关系

2.2 地质条件

沟心处地表层为（Q4）砂质黄土，厚3～8 m，具四级自重湿陷；下部为第三系强风化、弱风化泥岩。董家庄隧道进口、南山堡出口地层自上而下为第三系砂质黄土（Q3）、第三系弱风化泥岩。隧道洞口段洞身位于砂质黄土范围内。

2.3 工程设置

南山堡隧道全长3 472m，董家庄隧道全长285.7m，净空采用设计时速为250 km的标准隧道断面。隧道开挖支护采用Ⅴe断面，最大开挖宽度14.9 m，最大开挖高度12.6 m。两隧道之间设计为长28 m的路基，隧道与路基斜交。为确保高铁运营安全，预防落石，在路基顶上设置40 cm厚钢筋混凝土明洞。

2.4 工程特点

（1）隧道仰坡坡度较大，属于高陡边坡，且坡面为第三系砂质黄土，边坡稳定性差。

（2）隧道与冲沟交角较大，按照设计图纸采用斜交进洞，进洞条件极其恶劣。

3 处理方案研究与实施

3.1 备选方案

针对以上不良地质条件及环境，为确保隧道安全进洞，先后对三种方案进行比选。

3.1.1 方案一——钢筋混凝土洞门配抗滑桩、锚杆框格梁进行综合治理

（1）洞顶自然坡面略作修整，采用锚杆框格梁进行防护。因洞顶覆盖层以第四系泥岩为主，边仰坡的自稳能力较差，锚杆应能满足隧道开挖条件下沉降造成的失稳，锚杆长度应按照土质边坡加安全系数进行计算。为确保边坡稳定，局部需采用预应力锚索进行加固［4］。

（2）洞口两侧各设置2根矩形抗滑桩，抗滑桩截面为2.5m×3.5m。由于地面坡度较大，抗滑桩位于隧道左右侧，净距达25 m，很难有效约束桩间土体变形滑动，而桩间土体在隧道正上方，变形最大。

（3）隧道斜交进洞，洞口135°范围内施作混凝土套拱作为进洞φ108大管棚超前支护导向墙，采用双侧壁导坑法暗挖进洞［5-6］。

（4）考虑边仰坡较陡，为防止局部土体剥落至线路上方影响高铁运营安全，两隧道间路基工程上部采用拱形防护明洞覆盖。

（5）洞门处设置加强型钢筋混凝土端翼墙进行防护。

3.1.2 方案二—— 刷坡、拱形骨架

（1）自隧道仰拱顶面起，按照1∶1.25向边仰坡方向放坡，8 m设置一级平台，平台宽2 m。平台顶设置排水沟，坡面采取拱形骨架进行防护。为加快进度，进洞前，坡面采取锚喷网临时防护，该段二次衬砌完成后，逐步拆除锚喷支护，施作拱形骨架，开挖轮廓线外设置截水沟。

（2）隧道正交进洞，洞口135°范围内施作混凝土套拱作为进洞φ108大管棚超前支护导向墙，采用台阶法暗挖进洞［7］。

3.1.3 方案三——加强套拱明暗结合方式

（1）对隧道坡面进行整理，局部严重失稳地段采用锚杆框格梁和锚喷网进行防护［8］。

（2）在洞外设置加强套拱，套拱起拱线以上部分为拱形钢筋混凝土。根据地质情况，为确保提供足够反力，套拱起拱线以下部分采用钻孔灌注桩基础，兼做墙部防护结构。为保证受力均匀，上部采用冠梁连接。套拱紧贴坡面，与线路斜交，套拱采用C30钢筋混凝土，套拱内设置永久明洞（后施工）。套拱采用钻孔桩基础［9］，套拱按照纵向60 cm设置 25C型钢拱架（斜交段后期与暗挖拱架连为一体），拱架位于混凝土内侧。

（3）洞口两侧各设置2根2.5 m×3.5 m矩形抗滑桩抵消坡面压力。

（4）隧道采用明暗结合方式正交进洞，φ108大管棚作为超前支护，套拱内大管棚与工字钢拱架焊接牢固，并通过大管棚将套拱和暗挖隧道连为一体［10］。套拱右侧回填反压，用土体反力抵消部分坡面压力。

（5）套拱及洞口段初期支护完成后，适时施作明洞及二次衬砌。

3.2 方案比选

方案一由于坡面地质主要为砂质黄土，坡面构造虽然单一，但锚杆框格梁较难发挥锚杆的抗拔力，需要较长锚杆或者锚索［11］；辅助抗滑桩虽然对该地质条件有较强的针对性，但对于隧道洞身范围内没有约束作用，且洞身因斜交影响范围较大，针对性依然不足；洞门墙采用较厚钢筋混凝土结构，自身抗剪能力较强，但抗滑能力较弱。因此本方案费用较高，且施工风险较大。一旦坡面或者洞内发生沉降超标、收敛超限等情况，无法采取有效措施。

方案二采用逐级刷坡，方案简单，安全风险低，但土方开挖量极大，边坡防护量大，且土方开挖后，弃方量较大，需另行选定弃渣场并进行挡护、绿化，造价高，工期较长。

方案三利用边坡的自稳能力，在洞口位置设置临时明洞（套拱），套拱与围岩顶死。套拱下设置钻孔桩，钻孔桩与套拱之间用纵向钢筋混凝土连接，套拱既利用自重和钻孔桩反力在开挖范围内持续提供一定的反力作为边仰坡稳定的条件，又将临时明洞（套拱）与暗挖支护结构连成一体，在特殊条件下实现正交进洞［12］。安全风险得到控制，造价和工期都得到较好地控制。

各方案造价及优缺点对比见表1。

表1 方案优缺点对比分析

经过对成本、工期、施工安全、质量保证、后期运营等方面进行认真对比分析，选定方案三作为最终施工方案。

3.3 方案原理及实施关键

由于黄土具有垂直节理发育自身稳定条件比较差，在一定外力作用的条件下，常用的高陡边坡加固措施（如锚索等加固手段）效果不明显。因此在隧道施工过程中如何充分利用自稳作用变得尤为重要，尤其是在隧道与山体斜交的情况下。

针对这种情况，采用套拱作为临时明洞及洞顶回填土来抵消土体推力，通过套拱将上部荷载传递到套拱底部的钻孔桩上，避免了隧道进洞条件下，无法设置挡墙的弊端。并通过套拱及长管棚在开挖隧道周围形成有效的三维反力系统，为隧道的开挖支护形成良好的条件。在开挖过程中，将支护中的钢拱架和套拱中钢拱架进行有效连接，使暗挖隧道能有效形成整体，将荷载传递到套拱上，控制了暗挖风险，见图2～图4。

图2 套拱平面布置

图3 半明半暗断面

图4 套拱示意

3.4 施工顺序

局部坡面处理及防护→抗滑桩施工→套拱钻孔桩及冠梁施工→套拱钢拱架施工→φ108大管棚施工→套拱钢筋混凝土施工→套拱右侧土方回填→暗挖施工→明洞及二衬施工。

3.5 施工工艺

（1）边坡局部处理

搭设脚手架，对局部自然条件下不稳定的边坡进行处理。处理以清除突出土体和局部锚喷支护为主，如局部坡度大于1∶0.5，适当整修坡面后，采用锚杆框格梁进行防护（框格采用喷射混凝土）。

（2）钻孔灌注桩施工

平整场地，钻机就位，在套拱基础处施工钻孔灌注桩，桩径1.2m，间距2.4m。钻孔采用旋挖钻进行。

（3）冠梁施工

凿除桩头，绑扎冠梁钢筋，浇筑冠梁混凝土，混凝土内预埋拱架连接钢板，并预留套拱钢筋。

（4）安装套拱拱架、打设管棚。

采用 25钢拱架，冠梁侧与预埋钢板连接牢固，靠近山体一侧顶紧山体，用4根6 m长φ42锁脚锚管将拱架端头固定牢固。

半明半暗段拱架安装完毕后，打设暗挖隧道φ108管棚，管棚长度L＝30 m。为提高强度及刚度，管棚设置钢筋笼。管棚打设完成后，继续安装明洞段拱架，拱架安装完成后，与管棚连接牢固。

（5）浇筑套拱混凝土

绑扎套拱钢筋，与冠梁内预留钢筋按照规范要求进行连接，钢筋保护层厚度5 cm。钢筋绑扎完毕后，挂模浇筑混凝土。混凝土浇筑完成后，对管棚进行注浆。

（6）反压回填

混凝土达到一定强度后，在套拱右侧及右侧山体进行反压回填。反压回填需逐级压实，并按照1∶1放坡，坡面采用土袋堆码。

（7）暗洞开挖

三台阶七步法进行开挖，开挖时要尽快封闭成环，特别是左侧拱脚，要加强锁脚，以避免变形过大，暗挖拱架与明洞预留拱架连接牢固。开挖过程要做好监控量测及数据分析，特别是左侧周边位移收敛。施工过程中要做好加固的应急准备，加固宜采用临时横撑及临时仰拱。

（8）明洞及二衬施工

初支变形稳定后，及时施作二次衬砌及套拱下明洞。施工采用液压台车进行。

4 监控量测数据分析

施工过程中，按要求对南山堡隧道出口进行洞内周边位移观测、地表沉降观测（数据见表2～表3，仅列举典型断面拱顶沉降、周边收敛）。

表2 沉降监测数据

表3 端点坐标监测数据（周边位移收敛）

5 结论

对于高陡边坡条件下黄土隧道斜交进洞采取钻孔桩基础的临时明洞加明暗结合的方法，可以顺利实现正交进洞，有利于隧道受力条件的转换。临时明洞既可以有效抵抗边坡土体压力，又能实现正交进洞，是一种值得推荐的高陡边坡进洞方案。