山岭隧道进洞安全的探讨608(定稿) (单栏排版).doc

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1、山岭隧道洞口施工技术优化探讨郝玉强1，赵东平2（1.中铁十七局集团有限公司，太原 030032; 2.中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）摘 要: 结合具体工程实例，阐述了隧道洞口“零开挖”进洞原则。对常规地形的隧道洞口导向墙设计施工提出了优化方案。从保护边坡、地表植被及洞口景观角度出发，对不同形式的偏压隧道进洞方案进行了比较研究，提出了优化方案。根据隧道围岩二次应力调整规律，总结了洞口段初期支护、管棚及锁脚锚杆的施工技术要点，得出的结论为山岭隧道洞口施工提供了有益的参考。关键词: 山岭隧道；洞口；施工技术；优化1 引言隧道的洞口段施工一直是隧道专家、学者及施工人员所强调重视

2、的一个关键环节，“早进晚出”也早已是业界一个共识15。出于安全考虑，现隧道设计的洞门位置都是尽量向外伸展，确保线路结构都处于隧道的安全笼罩范围内。但是隧道进洞施工的安全问题切是屡见不鲜，这里的安全有两层含义，一是施工和结构的安全，另一层是生态环境的安全。经常见隧道洞门将山体植被挖除，形成一大的裸露面，更有甚者是将山体挖成一陡坎，出现塌方或洞口滑塌事故，人为制造出安全隐患。鉴于此，笔者结合多年的隧道施工经验，对隧道进洞的安全谈几点看法。2 零开挖进洞的原则零开挖进洞的说法虽然讲了多年，但一些施工单位仍是有开挖进洞或小开挖进洞，还是没有彻底贯彻零开挖。真正的零开挖笔者认为应该是隧道轮廓面以外的土体

3、都不要动，完好保存，真正实现零扰动或小扰动。众所周知，一个自然山体地形，已存在几百年或上千年，经过自然的搬运推移而形成的结构可以说是最稳定最合理的结构，任何开挖扰动都是对其稳定结构的破坏，都会给植被、环保、水土保持带来影响。尤其是隧道洞口开挖，在一个稳定的山脚下开挖一个缺口，会人为形成一个临空面，而此时洞口往往各种防护还未跟上，就会很容易出现安全问题。3 常规地形进洞方法一般隧道进洞方法，都要按照先支后挖的方法来实施。先支后挖就是利用超前管棚或小导管对洞口土体进行加固后再进行开挖。为使超前管棚能沿着隧道开挖轮廓面均匀布置，还要在洞口设置导向墙，对管棚施工进行导向。3.1 进洞导向墙改进建议现导

4、向墙设计一般是钢筋混凝土内加型钢，支撑强度一般都可满足要求。但现在许多导向墙设计仅设计拱部，边墙及仰拱范围内则没有导向墙，且导向墙多是垂直状态。对此，笔者认为有待改进。主要原因是仅在拱部设导向墙，在施工拱部时往往都没有问题，导向墙和管棚可很好地传力。但在开挖下导时，导向墙拱脚往往会悬空，使导向墙不仅失去支撑作用，而且成为一个多余的负面荷载，往往会造成洞口塌方。即使是大拱脚设计也会因下导的开挖，基础失去侧向约束后面承载力骤然下降的现象。下图为一隧道在上导掘进50多米后，在开挖下导过程中造成洞口坍塌，导向墙折断。虽然有施工原因，但导向墙未直接设到仰拱下部也为一主要原因。图1 某隧道洞口导向墙坍塌实

5、例其次是垂直设计的导向墙，在施工时，必须要将自然坡修凿成一垂直面后才能实施，这样5-6m的陡坎，在没有放坡的情况下是非常危险的，也是事故的隐患所在。如某隧道，在施作洞口导向墙时，未开挖洞身土体，仅开挖洞身范围外土体，也就是导向墙范围的土体，以施工导向墙。洞身土体留作导向墙拱胎用（见图2）。 图2 某隧道洞口导向墙施工现场施工时施工单位为避免过大放坡破坏地表和山体稳定，认为高度较小，就没有放坡开挖，洞口仅开挖出2m多高的陡坎，但仍然引发了安全事故。垂直的导向墙往往会在施工后使隧道上方形成一个小陡坎，给洞口景观形成一道败笔。如图3所示，整个洞口开挖还是比较成功的，山体破坏较少，植被保护也较好，但在

6、施工导向墙时，对洞口土体适量开挖，形成一陡坎，且在施工后没有回填到位，使洞口形成一抹不去的伤疤。图3 某隧道洞口山体外露有鉴于此，建议导向墙的设计应结合地形，设计成倾斜状（如图4所示），与自然坡面平行，同时导向墙要一步做到仰拱底部，甚至低于仰拱底部，使其即使在开挖仰拱时也不会受到扰动。与自然坡面平行的好处是在施作导向墙时，直接就可在坡面上立模浇筑混凝土，不需作任何开挖，不仅保护了环境植被，减少许多扰动和不安全因素，同时也实现了真正的“零开挖”进洞。与自然坡平行的导向墙开挖台阶水平管棚图4 隧道洞口导向墙改进方案示意图图5为一“零开挖”进洞的隧道，施工完毕后洞口与山体基本没什么台阶，非常顺接自然

7、。图5 某隧道零开挖进洞的成功案例3.2 洞口大管棚施工洞口大管棚在洞口开挖过程中起到一个分配梁的作用，是非常重要的。在施工过程中，管棚的连接强度，管棚的实际长度，管棚内的砂浆饱满度，都会关系到洞口施工的安全。所以说要在施工过程中要高度重视管棚的施工质量。为保证安全，现设计经常会在管棚内增加钢筋笼骨架，与水泥砂浆、管棚共同起作用，这是一个非常好的做法。4 偏压隧道进洞原则偏压隧道洞口是隧道施工工经常遇见的一种情形。偏压有以下几种情况：是地形偏压，整个洞身还在山体内，洞顶土体较厚，土体有形成自然拱的条件，这里简称全埋式；是洞身虽然在山体内，但已非常接进山体边缘，拱部土体已不能形成自然拱，简称半全

8、埋式；是一侧洞身在山体内，另一侧已露在山体外，简称半埋式。4.1 洞口全埋式进洞方法位于全埋式地形中的隧道洞口，以往会有加载平衡法。即在偏压的对侧加载来平衡偏压；也有减载卸压法，即将偏压侧土体挖除，加载到对称侧。前一种方法，一般因地理环境限制，加载都比较困难，且加载后改变地形，必然后形成新的问题。减载卸压的方法多会对地表形成大的破坏，严重破坏环境，也多不可取。对该种隧道的进洞方式，仍采用先加固后开挖的方式。但加固方式值得研究。如若在偏压侧采用抗滑桩加固的方式，因隧道全在山体内，偏压侧的土体一定较厚，再加上洞身高度和桩的锚固深度，桩长一定较长，施工难度、进度可能都会受限。对该种地形，建议采用锚索

9、加固山体，增加偏压侧土体的整体性，减小偏压荷载，如图6所示。加固后进洞方式仍按先支后挖的程序，逐步加固后进洞。洞内支护措施仍要按偏压加强支护。洞口二次衬砌要尽早实施。锚索加固4.2 洞口半全埋式进洞方法该种洞口的进洞方式，传统的做法可能是将偏压侧挖除，使隧道整个变成明洞来实施。该种做法虽然可以实施，但对环境的破坏是非常大的，偏压侧会放坡很高。图7为一典型的半全埋式洞口，采用大开挖式放坡施工，施工后的效果很差。图6 全埋式偏压隧道进洞方案传统开挖边坡线锚杆或锚索图7 半全埋式偏压隧道放坡开挖进洞方案对该地形，如若采用抗滑桩的形式在偏压侧预加固，会极大地减少边坡开挖。但因洞顶上方土体无法成拱，仍要

10、挖除，在隧道正上方仍会形成一开挖面。更好的办法是在侧向垂直偏压坡面，施工一些锚桩，锚桩间可设横向连接，利用锚桩来支撑偏压土体，同时在上侧增设一些锚索，来减小锚桩的荷载。在洞口顺自然坡面设斜交导向墙，并设置预埋钢板，将偏压侧的支护拱架对应焊接于导向墙内的预埋钢板上，形成支撑体系，见图8。锚桩4.3洞口半埋式进洞方法图8 半全埋式偏压隧道洞口导向墙改进方案洞口斜交导向墙半埋式洞口边坡，建议仍采用零开挖的方式。加固方式根据偏压侧土体的多少，可采用抗滑桩、锚桩等形式，或采用侧向锚杆、管棚等加固形式，设置斜交导向墙，逐步开挖逐步支护，确保边坡不受破坏，植被不遭毁坏，具体如图9所示。抗滑桩4.4偏压洞口仰

11、坡与路基顺接方式图9 半埋式偏压隧道进洞方案偏压隧道洞口往往与路基相接。而路基边坡一般较缓，开口较大，这样就会与隧道仰坡形成一个交叉面，隧道仰坡也要跟着向上放坡。因洞口处地形较高，仰坡高度也必然增加，这样就会在洞口处形成一大的开挖面，见图10。图10 某隧道洞口与路基接合部如何避免该种情况？一是建议是将隧道尽量多地向外延伸，二是建议在洞口段路基增加桩板墙，避免路基放坡而引起洞口仰坡的开挖。5 洞口段洞身的施工5.1 洞口段受力分析原始状态区洞口段洞身的施工对隧道洞口的安全是非常重要的。因洞口段开挖后的支护与洞身段的支护受力是完全不同的。低应力区高应力区在洞身段，隧道开挖后，取其中一段作分析，该

12、段围岩由于受前后围岩的夹制作用，围岩只会因开挖临空面而形成一个松弛区，也就是低应力区，而在松弛区外则会形成一个高应力区，即形成自然拱受力，高应力区外则是原始状态区。围岩越好，则松弛区越小。开挖后的支护受力主要来自低应力松弛区，如图11所示。图11 隧道洞身围岩应力分布示意图而在洞口段，因土体本身就有一个山坡临空自由面，洞身上方土体可能全是低应力区。在隧道开挖后，洞身上方土体的大部分荷载会传到洞身的初期支护上，当支护不足以抵抗洞口土体荷载时，则会出现洞口下沉，洞口上部土体开裂，严重时会洞口坍塌，甚至出现滑坡体等次生病害。把洞口土体看成是一个单元体，则洞口段力学模型示可用图12来表示。开挖台阶与自

13、然坡平行的导向墙水平管棚MF图12 隧道洞口段力学模型示意图从几何的角度可判断出，洞口的微小下沉，也会在洞顶地表产生较大的裂缝。为了严格控制洞口下沉，避免洞口土体形成向下的旋转弯矩，有必要对洞口段支护进行加强设计。5.2 洞口段初期支护洞口段在开挖过程中，在初期支护拱架未安装前，开挖临空的土体荷载主要依靠其上部超前管棚来支撑，待初期支护拱架安装后，则变成超前管棚与初期支护共同受力，管棚相应变成一个连续梁的受力模型。这就有几个问题要注意：5.2.1初支与管棚的密贴程度当初期支护未与管棚密贴，存在一定的间隙，管棚受力就会增大，管棚发生挠度变形就会增大，直至管棚变形与初期支护接触后，初期支护才真正起

14、到支护作用；如初期支护背后空隙很大，则管棚弯曲变形就会加大，就可能造成地表沉降开裂。这就要求初期支护背后一定要密实，才能很好地传递荷载，否则就存在安全隐患。比较好的做法是超前管棚采用打孔花管，预先注浆加固土体，使开挖后管棚与初支间的土体能固结成环，减少管棚下土体的掉块，对局部掉块部分，必须用喷射混凝土填补密实，不可塞其它虚软东西来代替喷射混凝土。5.2.2初期支护的支撑强度根据受力分析可得出，拱架与管棚是综合受力，但最终的力是全部传到拱架上。由于某一榀拱架的下沉或顶部不密实，可能会将本该其承受的荷载通过管棚转移到相临的拱架上，故建议对拱架的强度设计留够一定的安全系数。5.2.3锁脚导管或锚杆的

15、施工在拱架未闭合之前，拱架的受力全部靠系统锚杆和锁脚锚管来支撑。一般洞口围岩都较差，在三台阶法开挖时，拱部系统锚杆由于角度因素，对拱架受力所起作用较小，只有两侧拱脚的锚杆或锁脚导管处于受剪状态，对拱架的支撑起主要作用，也是整个施工过程最关键的环节。 这就要求锁脚导管或锚杆的抗剪、抗弯能力要满足要求，否侧在开挖中台阶时可能会造成拱架下沉，引起前后相临拱架受力的突然改变，尤其是前方相临拱架，其拱脚土体已受到扰动，极有可能因受力过大而沉降而侵入限界。5.2.4初期支护的封闭台阶法开挖，在初期支护未封闭之前，拱架受力始终是在锁脚锚杆及系统锚杆的作用下被动受力，起不到主动受力效果。只有将初支拱架形成闭合

16、环时，拱架才起到主动受力结构，由锚杆的点受力状态转变为拱架的线受力状态，才能极大地改善初期支护的受力状况。所以建议在具备条件时，及时将洞口初支封闭，形成闭合受力结构，洞口段才具备一定的安全条件。5.2.5初期支护的净空预留由初支的受力分析可以推理出，拱架在施工过程中，始终是一个被动受力结构，每一施工环节，其受力都是按由小到大的情况变化着，拱架的沉降也是按从小到大的趋势变化着。故洞口段拱架安装时，必须留够一定的沉降量，确保在初支拱架闭合后能满足净空要求。6 结束语洞口的环境保护决定着整个线路的美观程度，洞口边坡的稳定决定着整座隧道的安全，洞口段的施工安全决定着整座隧道的施工安全。故每一个施工者，

17、都应结合地质、地貌特征，合理选择进洞方式，支护参数，采用科学的开挖方法，来保证洞口施工的安全，做到少扰动、不破坏，悄悄进洞，悄悄出洞，达到建设与自然环境的和谐协调。参考文献:1 黄金旺，水平层状岩体隧道零开挖进洞施工技术J. 公路工程，2011，36（3）：1081122 陈赤，赵家岩隧道进口进洞施工技术J. 山西建筑，2010，36（34）：3323333 张力 公路隧道洞口工程相关问题分析探讨J. 山西交通科技，2010，36（34）：8184 4 王雪霁，尹冬梅 严重偏压地形下隧道半明半暗进洞技术探讨J. 隧道建设，2010，30（3）：2462515 李道欣，忻阜高速公路凤凰岭隧道进洞方法设计优化J. 山西交通科技，2010，204（3）：9093