浅议黄土公路隧道洞口工程设计施工控制要点

任伟红

（甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州 730050）

1 引言

随着国家高速公路网的快速发展，工程建设面临的工程地质条件愈加复杂，工程工况愈加恶劣。特别是在陇原大地，受狭长地形条件影响，气温、降雨等自然因素的巨大差异形成了丰富而独特的地形地貌和地质特性，给甘肃区域的黄土公路隧道工程设计施工带来了困难和挑战。

2 甘肃区域黄土的特性

2.1 黄土的分布

黄土在世界上分布相当广泛，约占全球陆地面积的1/10，我国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，覆盖面积约为63.1万km²。甘肃地处黄土高原核心区域，中、东部地区均为黄土高原，黄土分布面积约为12万km²，其中兰州市九洲台黄土堆积厚度达到了336m，是黄土覆盖层厚度世界之最。

2.2 黄土的特性

黄土是在距今约200万年左右的第四纪时期形成的土状堆积物，其性质比较疏松、特殊，粒径0.005～0.05mm，是具有多孔性柱状节理的黄色粉性土，质地均一，以手搓之易成粉末，含大量钙质或黄土结核，多孔隙，有显著的垂直节理，无层理，在干燥时较坚硬，一被流水浸湿，通常容易剥落和遭受侵蚀，甚至发生坍陷。所以，在黄土地区进行各种工程建设时，如果相关人员对黄土的特性不了解，往往会给工程带来严重的破坏和损失。

2.3 甘肃区域黄土的分布及特点

甘肃省黄土分布东起甘陕省界，西至乌鞘岭，覆盖兰州、天水、定西、庆阳、平凉、武威、白银、临夏等8个地州市，地域上以六盘山为界，分为陇西黄土和陇东黄土。陇西黄土地区海拔1200～2500m，分为陇西黄土梁、黄土峁区和陇西河谷平原区；陇东黄土地区海拔1200～1800m，分为陕甘黄土梁区和陕甘河谷平原区。

2.3.1 陕甘黄土梁区

陕甘黄土梁区主要发育有第四纪晚更新世Q3和中更新世Q2原生黄土，Q3黄土呈浅灰色或灰褐色，Q2黄土呈浅棕黄色，具有大孔隙性，富含碳酸盐，粉质，质地均匀。Q2黄土结构较密实，空隙随着埋深而减小，垂直节理发育，发育黄土一般130～150m；Q3黄土结构较为松散，大孔隙明显，无垂直节理发育，厚度一般15～25m。

2.3.2 陕甘河谷平原区

陕甘河谷平原区主要指泾河干、支流区域，主要发育着全新世Q4次生黄土，在一、二级阶地上分布，属黄土类亚粘土，黄褐色，大孔隙，结构较为松散，覆盖厚度一级阶地一般4～6m，二级阶地一般8～19m。

2.3.3 陇西黄土梁、黄土峁区

陇西黄土梁、黄土峁区主要发育有第四纪晚更新世Q3原生黄土，浅黄色或者灰黄色，粉质，呈大面积连续覆盖，具有大孔隙性，富含结晶状碳酸盐，结构松散，质地均匀，无垂直节理发育，覆盖厚度约为30～70m。

2.3.4 陇西河谷平原区

陇西黄土梁，黄土峁区一、二级阶地上主要发育着全新世Q4次生黄土。

2.3.5 湿陷性

黄土因其具有大孔隙性，垂直节理发育，在一定压力作用下受水浸泡后结构会迅速破坏而发生显著附加下沉，产生湿陷变形。

3 黄土公路隧道洞门设计现状及建议

近年来，随着黄土公路隧道的大量修建，衬砌开裂、衬砌渗水、仰拱底鼓开裂等问题呈多发频发趋势。隧道洞门边仰坡在施工期间坍塌，运营后严重冲刷、坡面剥落，甚至在强降雨后淤塞洞口，明洞衬砌沉降、开裂等隐患也时有发生，严重影响高速公路网正常运行，存在严重的安全隐患。

依据设计规范，黄土隧道的选线应避免不良地质地段、居民集中区、建筑区和水浇地的原则。线位应选择在稳定的地层中，避免穿行大面积的滑坡、错落、表面坍塌等不良地质。避免通过地形地貌变化复杂、陷穴冲沟发育及偏压严重地段。但在实际线位选择时，常常受各种因素的制约，或者因为沿地形地貌条件的影响，不得不通过各种复杂、恶劣的地质路段，给我们设计及施工人员造成很大困扰和挑战。

3.1 洞门形式的选择

黄土隧道洞门易受雨水冲刷形成冲沟、陷穴，水蚀基底后更容易造成基底塌陷、衬砌结构沉降、开裂等隐患。同时，黄土山体施作隧道后，因边仰坡开挖势必会造成一定的开挖凌空面，后期更易坍塌。受黄土土质特性的影响，若采用削竹式、环框式、翼墙式等形式的洞门结构形式，易受雨水冲刷，在施工及运营期对洞门绿化工程进行施工及养护过程中也容易造成积水、冲刷问题，同时以上几种洞门结构形式对洞口山体没有有效的锁固作用。所以，黄土地区隧道洞门结构形式较适宜采用端墙式洞门，通过洞门墙、套拱及管棚等工程措施，对洞口山体起到锁固作用，有效保障施工期间及后期运营期间的安全。

3.2 洞门结构设计

洞门结构形式及各种工程措施的选择是重中之重，适宜的设计方案是确保工程施工质量和运营安全的保障。设计方案要贴合现场实际地形地貌，在洞门位置的选择、洞门结构基底的处治方案和洞门工程的防排水设施等方面要综合考虑，不但要保证洞门结构稳固，还要保证运营期间的安全性，同时也要考虑到施工的可行性，主要满足以下几个方面的要求。

（1）洞门结构要尽量设置在稳固的原状土山体基面上，并保证具有一定的安全距离。避免设置在填方或半填半挖处，确实无法避开时，必须采取可靠的基底处治措施，使洞门结构位于稳固的地基之上，并设置好防滑塌、防水措施。

（2）洞门结构基底不管原状土承载能力高低，均需采取处治措施，以提高基底的复合承载能力，并设置防排水设施。

（3）科学设置洞门墙沉降缝，避免因不均匀沉降或因洞门结构断面尺寸变化过大或人为设置不合理施工缝等原因造成洞门结构裂缝。

（4）洞门结构尽量采用轻型端墙为宜，端墙结构尺寸不易过大，避免因洞门结构自重过大造成洞口处地基沉降量过大。

（5）采用轻型超薄端墙洞门结构时，可在腰部增设加强层，防止受洞门山体推挤造成洞门受力变形。

（6）洞门结构后设置半刚性回填材料，防止因受空间限制无法采用大型机械有效压实造成后期沉陷、积水等隐患。

（7）洞门结构分部位设置排水设施，确保地面水下渗少，岩体裂隙水不聚集、及时排放。

3.3 边仰坡设计

黄土具有垂直节理发育、孔隙率大、湿陷性等特点，在设计时要尽量发挥黄土的特性，遵循“强腰、固脚、全防护”的原则进行设计。强脚即每级边仰坡的坡脚均应设置护脚墙，防止平台排水沟外溢或飞溅造成坡脚软化、剥落；固腰即指除通过降低台阶单级高度增强坡面稳定性的同时，根据隧址区土质情况，设置合理的工程防护措施，避免坡面受雨水冲刷、浸泡造成剥落、坍塌；全防护指对黄土边仰坡坡面均应采取防护措施，减少雨水冲刷、下渗，形成质量安全隐患，防护措施可以是工程设施支护，也可以是绿化防护。鉴于近年来甘肃地区黄土隧道存在的施工设计问题，在设计时应遵循以下原则。

（1）黄土公路隧道洞口设计时，尽量利用山体台阶地“零开挖”进洞。

（2）隧道洞身在洞口段尽量沿山脊线布设，避免大角度斜角、偏压进洞。

（3）边仰坡台阶高度不宜大于8m，以4～6m为宜，通过降低台阶高度，减少2台阶之间坡面的剥落、坍塌。

（4）边仰坡的坡率应采用陡边坡，减少雨水从黄土垂直节理处下渗造成边坡土体冲蚀，形成陷穴、冲沟，乃至失稳。

（5）边仰坡坡面应全部防护，并设置完善的排水设施，做到“高接远送”。

图1 洞门设计参数控制示意图

4 黄土公路隧道洞门工程施工要点

黄土隧道在施工时必须严格执行《公路隧道施工技术规范》及设计图纸，重视洞口边、仰坡及周围便道施工，合理布设各类临时施工设施和机具，尽量将人员驻地、空压机房、水池等设施设置于远离边仰坡坡口的位置，防止人为破坏山体，造成滑塌、亏坡等问题。同时，根据施工的不同阶段，针对施工特性和面临的风险进行重点管控。

4.1 施工准备

（1）严禁盲目施工，在施工前要对洞门进行准确的放样，对防排水工程依据设计图纸和实际地形进行展布。对设计存在的问题和可优化的设计进行变更，确保设计最适宜。

（2）严格控制施工机械和人员，不能胡乱开挖，特别是边、仰坡开口之外，尽量保证原地形的完整性。

（3）先施做排水工程，在符合施工技术规范和设计图纸的前提下，依据地形设置排水工程的施工缝、沉降缝，各变形缝要多设，间距不易大。

（4）排水工程要尽量一次完成，做到“远送”，避免冲蚀坡面或因排水渠堵塞造成水渠周边塌陷。

4.2 边仰坡施工

（1）避免雨季施工。

（2）边仰坡开挖时要严格控制坡率，机械开挖时预留不小于20cm厚的土体采用人工刷坡，防止机械开挖造成亏坡等问题。

（3）遵循“边开挖边防护”的原则，不得一次开挖成型后再施做防护工程，特别是在降雨频繁或降雨量大的地区。

4.3 洞门施工

（1）高度重视洞门结构基底处治工程的施工，根据实际地形设置，防止工程措施“差、错、漏”问题。

（2）施工期间设置并施做好完善的临时排水设施，防止基底受水浸泡或冲刷。

（3）洞门墙施工期间尽量及时施做墙背回填，确保回填质量，同时施做完善的排渗水设施，防止墙后积水，排水管道堵塞。

5 结语

黄土公路隧道洞门工程除在设计时尽量做到垂直山体零开挖进洞外，在边仰坡的台阶高度、台阶宽度、坡面坡度选择时应遵循“低台阶、陡坡率、适阶宽”的原则，同时坡面防护工程设置要做到“强腰、固脚、全防护”，确保设计方案可靠，工程措施适宜。施工期间对设计方案的落实是重中之重，重视临时排水的通畅，严禁坡面超挖、亏坡，遵循“开挖一级防护一级”的原则，重点做好洞门墙基底的加固处治及周边的永、临防排水设施，避免洞门结构受雨水冲蚀或地面积水等原因造成沉降，为后期运营打好坚实基础。