基于“零开挖”理念的高铁隧道进洞方案研究

路美丽

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

一般情况下隧道洞口所处的地质条件较差，岩石破碎、松散、风化严重，传统的进洞方式是洞口边仰坡放坡开挖、防护，达到一定的进洞条件后再进洞施工。这样容易形成较高的临空面，不利于洞口边仰坡的稳定，且使洞口景观、植被和生态环境受到不同程度的破坏。尽管有些洞口采用接长明洞回填绿化的方式加以补救，但对于原生植被的破坏还是比较大，同时还会导致经济成本的增加。

近年来，随着我国高铁建设的快速发展和人们环保意识的增强，基于环保理念的隧道洞口“零开挖”越来越受到工程技术人员的重视和不断的工程实践，其中前置式洞口工法是理想的零开挖形式[1-4]，但其需要具备一定的地形地质等适用条件，同时会增加隧道长度和一定的工程造价。大量工程实践[5-8]进一步丰富了“零开挖”的理念，其核心是根据洞口处山体的自然坡度和地形地质条件，确定最小刷坡线或尽量不刷仰坡，仅在小范围内进行土方开挖后施做护拱和管棚，利用护拱和管棚的拱效应创造进洞条件，实现快速、环保进洞的施工方式。结合安九高铁联络线段龙山1号隧道进出口的地形地质情况，通过进洞方案优化，实现了“零开挖”仰坡进洞的理念。

1 工程概况

新建安庆至九江高铁长196.566km。其中安庆西至庐山段正线设计时速350km，安庆至安庆西联络线段长27.47km，设计时速200km。联络线沿线共设置三座隧道。隧道开工后，为解决征地困难和贯彻建设单位提出的“生态安九，智能建造”的管理理念，减少隧道开挖对坡面原生植被体系的破坏，基于施工单位对隧道浅埋进洞施工技术的掌握水平和“零开挖”理念的进洞方式，对龙山1号隧道两端洞口的进洞方案进行了优化设计。

2 龙山1号隧道进口方案

2.1 地形、地质概况

本隧道洞口地层岩性为三叠系中统铜头尖组(T2t)粉砂岩，紫红色-青灰色，中厚层至厚层，粉砂质结构，钙质胶结。洞口段强风化层厚约2～4m，节理裂隙很发育，岩体破碎，Ⅳ级软石，σ0=600kPa；以下主要为弱风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎，Ⅳ级软石，σ0=1000kPa。有一定程度的偏压。

2.2 原设计进洞方案

结合洞口段地质、地形情况，并考虑减少短路基，本隧道洞口与桥梁相接，桥隧分界里程为ZDK15+428.93。洞口段设59.07m(含19m帽檐斜切式洞门结构长度)长的明洞后进洞，明暗分界里程按洞顶最小覆土厚度不小于2m，暗洞洞身进入弱风化粉砂岩地层的思路确定，明暗分界里程确定为ZDK15+488。明暗分界处设1m厚导向墙配合Φ108超前大管棚进洞施工。

洞口及明洞段临时开挖边坡坡率1∶0.75，最高临时边坡处位于明暗分界处，高约28.3m(含边墙直立边坡)，设三级边坡。临时边仰坡采用锚喷(网)防护，喷C25混凝土10cm厚，钢筋网Φ8，间距25cm×25cm，砂浆锚杆长3.0m，间距1.2m×1.2m。明暗分界断面处永久边仰坡坡率为1∶1，边坡最高约10.4m，仰坡约2.5m，采用拱形骨架护坡。洞口段纵断面及明暗分界进洞处横断面如图1和图2所示。

图1 原设计进口纵断面(单位：cm)

图2 原设计进口明暗分界处横断面(单位：cm)

2.3 优化后进洞方案

现场开工后，由于征地难度较大，结合该隧道洞口的实际地形地质情况，并基于施工单位有处理隧道浅埋进洞的经验，在优化方案中，打破了常规设计中“明暗分界里程按洞顶最小覆土厚度不小于2m”的理念，通过将明暗分界位置向洞外方向合理外移，导向墙长度由1m调整为2m的方式，实现了仰坡“零开挖”进洞的理念。

优化后的明暗分界里程为ZDK15+482.5，明暗分界处临时边坡高19.85m(含边墙直立边坡)。优化后的洞口段纵断面及明暗分界进洞处横断面如图3和图4所示。

图3 优化后进口纵断面(单位：cm)

图4 优化后进口明暗分界处横断面(单位：cm)

2.4 方案比较

相对原设计方案，优化设计方案通过明暗分界里程向洞外调整5.5m，导向墙长度增加1m的优化措施，实现了隧道洞口“零开挖”仰坡进洞的理念。最大临时边坡由原设计的28.3m降低为19.85m，永久仰坡由原设计的2.5m降低为0m，由此挖方量减少1530m3，临时边坡锚喷防护量减少35m3，钢筋网减少1091kg，锚杆长度减少719m；洞口占地由原设计的7.85亩降低为5.24亩。通过方案优化，大大降低了隧道洞口开挖对原生植被的破坏。

3 龙山1号隧道出口方案

3.1 地形、地质概况

本洞口段地形仍存在一定的偏压。勘测阶段因外部环境因素无法进场而造成了勘探遗留，因此原设计进洞方案是基于勘测阶段的推测地质开展的。隧道开工后开展了补充勘察工作，变更设计方案基于补勘后的地质情况并结合现状地形及施工单位的水平基础上开展。

3.2 原设计进洞方案

由于山坡上植被茂密，洞口地层主要是根据坡脚开挖陡坎处地层(闪长岩)出露情况结合物探资料开展的推测性地质填绘，洞口地层主要为基岩出露，出露地层为燕山期闪长岩，由上往下依次为全风化层、强风化层和弱风化层。

由于隧道洞口仰坡较陡且洞口前方为既有矿区道路，结合洞口地形地质情况，本洞口设计与桥梁相接，洞门采用倒切式洞门，桥隧分界里程为ZDK16+179.4。明暗分界里程按洞顶最小覆土厚度不小于2m的思路确定为ZDK16+159，洞口明洞段(即洞门长度)长20.4m。明暗分界处设1m厚导向墙配合Φ108超前大管棚进洞施工。

洞口及明洞段临时开挖边坡坡率1∶0.75，最高临时边坡处位于明暗分界处，高约26.1m(含边墙直立边坡)，设三级边坡。临时边仰坡采用锚喷(网)防护，喷C25混凝土10cm厚，钢筋网Φ8，间距25cm×25cm，砂浆锚杆长3.0m，间距1.2m×1.2m。明暗分界断面处永久边仰坡坡率为1∶1.25，边坡最高约9.9m，仰坡约6.87m，采用拱形骨架护坡。洞口段纵断面及明暗分界进洞处横断面如图5和图6所示。

图5 原设计出口纵断面(单位：cm)

图6 原设计出口明暗分界处横断面(单位：cm)

3.3 优化后方案

为降低施工征地难度，结合补勘后的实际地质情况和洞口实际地形，基于施工单位的施工水平，在洞口变更设计中，打破了常规设计中“明暗分界里程按洞顶最小覆土厚度不小于2m”的理念，通过将明暗分界位置向洞外方向合理外移、洞门回填坡面坡率调整、导向墙长度调整为2m的方式，实现了仰坡“零开挖”进洞的理念。优化后的明暗分界里程为ZDK16+163.4，明暗分界处临时边坡高18.3m。优化后的洞口段纵断面及明暗分界进洞处横断面如图7和图8所示。

图7 龙山1号隧道出口优化后纵断面

图8 龙山8号隧道出口优化后明暗分界处横断面

3.4 方案比较

通过明暗分界里程向洞外调整4.4m，导向墙长度增加1m的优化措施，实现了隧道洞口“零开挖”仰坡进洞的理念。最大临时边坡由原设计的26.1m降低为18.3m，永久仰坡由原设计的6.87m降低为0m，由此挖方量减少2778m3，临时边坡锚喷防护量减少70m3，钢筋网减少2212kg，砂浆锚杆长度减少1459m；洞口用地由原设计的3.51亩降低为2.70亩。通过方案优化，大大降低了隧道洞口开挖对原生植被的破坏。

4 结论

采用“零开挖”进洞理念，对安九高铁龙山1号隧道进出口设计方案进行了优化，顺利实现了仰坡零开挖进洞，降低了洞口边仰坡开挖高度、减少了洞口土方开挖方量和防护工程量及洞口占地，达到了保护环境的目的，通过优化分析得到以下结论：

(1)采用“零开挖”仰坡进洞的方案，可有效降低工程造价，避免建设中的环境破坏和运营过程中的隧道洞口工程病害。

(2)为实现“零开挖”仰坡进洞的理念，可充分利用导向墙的护拱作用，适当调整导向墙的长度，尽可能地将暗洞进洞位置调至无仰坡临界点进洞，以尽可能降低边仰坡高度。

(3)零开挖进洞洞口浅埋段长度增加，施工单位需要对较长段落浅埋暗挖段施工安全的重视。