徐容 宋元平

作者簡(jiǎn)介：

徐 容（1981—），工程師，主要從事公路橋涵隧道設(shè)計(jì)工作;

宋元平（1983—），高級(jí)工程師，主要從事地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

為解決山嶺高速公路隧道傳統(tǒng)進(jìn)洞方法長(zhǎng)期存在的一些問題，文章提出山嶺隧道進(jìn)洞設(shè)計(jì)及施工的新方法——引導(dǎo)進(jìn)洞法，分析了引導(dǎo)進(jìn)洞法中護(hù)拱的作用機(jī)理，并結(jié)合廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實(shí)例，介紹了引導(dǎo)進(jìn)洞法的實(shí)踐應(yīng)用情況。這一新的進(jìn)洞方法消除了傳統(tǒng)進(jìn)洞方法中的邊仰坡，在真正意義上實(shí)現(xiàn)零開挖進(jìn)洞，并解決了零開挖進(jìn)洞對(duì)洞口地形的普適性問題。

引導(dǎo)進(jìn)洞法;護(hù)拱;邊仰坡;零開挖進(jìn)洞

U455.4A391335

0 引言

隧道洞口施工往往需要刷坡開挖，當(dāng)隧道洞口位置不佳時(shí)，如洞口位置巖石產(chǎn)狀為順層或偏壓較大等，傳統(tǒng)的隧道開挖進(jìn)洞方法往往會(huì)破壞山體穩(wěn)定、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，而且處治困難，阻礙開挖進(jìn)洞，嚴(yán)重時(shí)可能威脅施工安全，危及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全，并對(duì)環(huán)境造成破壞。開挖卸載過大是洞口處地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的直接的也是主要的誘因，大刷大挖，導(dǎo)致產(chǎn)生了較高的邊坡、仰坡。意識(shí)到這一點(diǎn)，工程界提出了零開挖進(jìn)洞的理念，但是由于傳統(tǒng)進(jìn)洞方法一般是先開挖明洞槽，到適宜的樁號(hào)后（實(shí)質(zhì)上是認(rèn)為洞頂滿足一定覆蓋層厚度的樁號(hào)，便于大管棚等超前支護(hù)實(shí)施）方才進(jìn)入暗洞開挖施工，而明洞槽的開挖不可避免地產(chǎn)生了兩側(cè)的邊坡和暗洞上方的仰坡（暗洞樁號(hào)處開挖端面垂直），當(dāng)洞口位置不好時(shí)，邊仰坡可能就比較高。鑒于此，往往只能通過盡量做到少開挖，而零開挖實(shí)際上必須借助有利的地形才能實(shí)現(xiàn)，如洞口前進(jìn)方向正前方的地形陡峭，這時(shí)可以取消明洞，直接進(jìn)洞，即這種情況下可以實(shí)現(xiàn)零開挖進(jìn)洞。因此，可以看出對(duì)傳統(tǒng)的進(jìn)洞方法（筆者定義為“基槽開挖進(jìn)洞法”）來說，零開挖進(jìn)洞屬于一種理想狀態(tài)，多數(shù)情況下無法實(shí)現(xiàn)。時(shí)至今日，隧道洞口施工時(shí)，滑坡、塌方等災(zāi)害或事故依然時(shí)有發(fā)生，急需探索更加先進(jìn)的進(jìn)洞方法，此即是筆者提出引導(dǎo)進(jìn)洞法的背景和原因所在。

1 引導(dǎo)進(jìn)洞法

為了闡述引導(dǎo)進(jìn)洞法，筆者試圖通過對(duì)一實(shí)際隧道工程的某洞口進(jìn)行對(duì)比設(shè)計(jì)，介紹新的設(shè)計(jì)方法，并剖析其與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的區(qū)別之處。

如圖1所示，洞口處的地形較為典型，進(jìn)洞條件也較好，不存在明顯偏壓，地形坡度較陡，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可選擇端墻式方案，如圖2、圖3所示。為了順利進(jìn)洞，在洞口段設(shè)置6 m長(zhǎng)明洞，而明洞施工首先需要開挖基槽，邊仰坡采用放坡開挖網(wǎng)噴支護(hù)的方法?；坶_挖后，進(jìn)行套拱及超前大管棚施工，然后施工明洞，接著進(jìn)洞開挖施工。傳統(tǒng)進(jìn)洞方法設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于進(jìn)洞樁號(hào)的選擇比較關(guān)鍵，通常在明洞規(guī)模、邊仰坡高度以及暗洞上方的覆蓋層厚度之間取得一個(gè)平衡。但無論如何，明洞基槽的開挖始終會(huì)使得邊仰坡不可避免。

圖4、圖5為引導(dǎo)進(jìn)洞法的設(shè)計(jì)方案，之所以命名為“引導(dǎo)進(jìn)洞法”，是因?yàn)樵摲椒ㄔ诙纯谠O(shè)置護(hù)拱，并在護(hù)拱的防護(hù)和約束下，采用暗挖法進(jìn)洞施工，護(hù)拱的作用可以形象地理解為將隧道的開挖施工從隧道的洞口邊界順利過渡到洞身段。不難看出，從隧道進(jìn)洞施工伊始，隧道自始至終為暗挖法施工，沒有洞外土石方開挖，也就不會(huì)存在邊仰坡，即真正意義上實(shí)現(xiàn)了零開挖進(jìn)洞。為方便比較論述，本方案洞口樁號(hào)與傳統(tǒng)進(jìn)洞方案保持一致，如圖4、圖5所示。

2 護(hù)拱的作用

護(hù)拱在隧道工程中有一些應(yīng)用，如半明半暗工法中的護(hù)拱。在引導(dǎo)進(jìn)洞法中，護(hù)拱的作用將是多方面的，而且是關(guān)鍵的、重要的：

（1）護(hù)拱下方土石方開挖后，采用暗挖支護(hù)形式，即噴錨初襯+注漿錨桿（見圖6），較之明洞槽開挖形成的邊仰坡掛網(wǎng)噴混支護(hù)方式（見圖11）更強(qiáng)、更可靠。在護(hù)拱輔助下開挖面閉合成環(huán)，護(hù)拱下方兩側(cè)開挖面采用噴錨支護(hù)，錨桿的選擇視地質(zhì)情況的好壞而確定，可選擇注漿小導(dǎo)管或藥卷錨桿等，洞口巖土較差時(shí)，可在噴混中設(shè)置鋼架加強(qiáng)支護(hù)。護(hù)拱及其上方的回填素混凝土提供足夠的壓重及約束，確保環(huán)形初襯的有效性。

為驗(yàn)證護(hù)拱的這一重要作用，按照是否考慮護(hù)拱作用，分兩種模式對(duì)引導(dǎo)進(jìn)洞段的初襯支護(hù)進(jìn)行簡(jiǎn)要的對(duì)比計(jì)算分析。初襯結(jié)構(gòu)按照置于彈性地基的結(jié)構(gòu)物考慮，計(jì)算荷載取開挖后護(hù)拱下方兩側(cè)的土石側(cè)壓力，并偏于安全的取拱腳部位的側(cè)壓力，計(jì)算參數(shù)按照《隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（第一冊(cè) 土建工程）》[1]表A.0.7-1取值，洞口按V級(jí)圍巖考慮，γ=19.5 kN/m3，φc=45°，可采用規(guī)范D.0.2-2式進(jìn)行計(jì)算，即式（1）：

e=γHtan2（45-φc2）（1）

式中：e——側(cè)向均布?jí)毫?

γ——巖土容重;

H——洞口段開挖高度;

φc——圍巖計(jì)算摩擦角。

于是得式（2）：

e=19.5×8.9×tan245-452=29.78 kN/m （2）

為便于分析，左右兩側(cè)的側(cè)壓力按對(duì)稱布置（即暫不考慮偏壓的影響）。護(hù)拱及其上方回填以壓重荷載的形式進(jìn)行考慮，取q=25×1.09=27.25 kN/m，地層彈性抗力系數(shù)取k=150 MPa/m。

分析結(jié)果如圖7～10所示：

由圖7～10可知，當(dāng)計(jì)算模型取消護(hù)拱壓重時(shí)初襯最大彎矩達(dá)到M1max=81 kN·m;而在有護(hù)拱作用的工況下，初襯最大彎矩僅為M2max=24 kN·m。計(jì)算結(jié)果表明，護(hù)拱的壓重和約束作用能明顯地改善初襯受力，并能有效控制兩側(cè)開挖面的水平位移。

（2）護(hù)拱引導(dǎo)開挖進(jìn)洞，并作為進(jìn)洞段襯砌澆筑的外模。護(hù)拱的設(shè)置對(duì)進(jìn)洞段的開挖具有引導(dǎo)性，作用類似于豎井井口的鎖口環(huán)梁。同時(shí)，引導(dǎo)進(jìn)洞段的初襯及二襯的施工均離不開護(hù)拱的模板作用。

（3）進(jìn)洞開挖之前，護(hù)拱及其上方的回填重量對(duì)原狀山坡坡腳能起到反壓作用，在一定程度上補(bǔ)償進(jìn)洞開挖的卸載，也就增加了引導(dǎo)進(jìn)洞施工的安全系數(shù)。

（4）設(shè)置護(hù)拱后，洞口段開挖均在護(hù)拱下方進(jìn)行，不受不良天氣的影響，這在雨季施工時(shí)將具有極大的優(yōu)越性。眾所周知，傳統(tǒng)的洞口施工方法在雨季開挖明洞基槽時(shí)，若邊仰坡防護(hù)不及時(shí)、施工質(zhì)量達(dá)不到要求或邊仰坡較高時(shí)，極易因雨水的作用而產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。而引導(dǎo)進(jìn)洞法自始至終都是在暗挖的環(huán)境下施工的，自然能杜絕雨水的影響。

（5）在洞口偏壓較嚴(yán)重的情況下，護(hù)拱及其上方的回填將能平衡并抵御偏壓水平力的作用，促進(jìn)洞口山體的穩(wěn)定，這在偏壓地形洞口設(shè)計(jì)實(shí)例中得到了充分的體現(xiàn)。

3 引導(dǎo)進(jìn)洞法的特點(diǎn)

引導(dǎo)進(jìn)洞法的優(yōu)點(diǎn)或者說其優(yōu)越性是顯而易見的，其優(yōu)點(diǎn)大多建立在護(hù)拱的作用機(jī)理上。具體而言，這種進(jìn)洞方法的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）消除了傳統(tǒng)洞口施工的邊仰坡，徹底實(shí)現(xiàn)零開挖進(jìn)洞，有效普及零開挖進(jìn)洞，其效益以及意義在隧道工程領(lǐng)域?qū)⑹欠浅？捎^的。因?yàn)檫^去邊仰坡開挖而產(chǎn)生的滑坡坍塌等災(zāi)害將能得到有效抑制，工程實(shí)施的安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低了，零開挖進(jìn)洞最大限度地保持了原有地形，更加環(huán)保。

如圖11所示，在典型的地形條件下，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，洞口段邊仰坡高度達(dá)到了17.33 m，暗洞正前方端面為豎直開挖面，需要加強(qiáng)支護(hù)，永久邊仰坡高度則為6.08 m。明洞土石方開挖方量約為1 200 m3，卸載重量見式（3）：

G=γV=19.0×1 200=22 800 kN（3）

開挖卸載位于坡腳，一般該部位為邊坡的阻滑區(qū)段，卸載將導(dǎo)致邊坡阻滑力較大幅度減少。不難看出，傳統(tǒng)進(jìn)洞方法存在大規(guī)模開挖卸載、刷坡，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率大大增加，這是國(guó)內(nèi)乃至世界上隧道工程洞口段事故時(shí)有發(fā)生的根本原因所在。

對(duì)比圖6，可以發(fā)現(xiàn)，引導(dǎo)進(jìn)洞法從一開始就進(jìn)入了洞內(nèi)施工，完美地規(guī)避和杜絕了洞外邊仰坡的開挖，其重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了進(jìn)洞段的暗挖支護(hù)方案的設(shè)計(jì)和施工，在護(hù)拱的作用下，其實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)較之傳統(tǒng)進(jìn)洞方案將小得多。

（2）進(jìn)洞施工不再受到雨季的不利影響，安全及工期均得到了有效的保障。

（3）護(hù)拱及回填能提供反壓荷載，補(bǔ)償進(jìn)洞開挖的部分卸載，有利于山體穩(wěn)定。

（4）對(duì)洞口地形的適應(yīng)性強(qiáng)，地形越復(fù)雜，越能體現(xiàn)該方法的優(yōu)越性。對(duì)于嚴(yán)重偏壓地形，洞口的設(shè)計(jì)施工將同樣變得簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化，這是由引導(dǎo)進(jìn)洞法的本質(zhì)屬性決定的，即其設(shè)計(jì)施工方法的實(shí)質(zhì)乃是暗挖法。

關(guān)于引導(dǎo)進(jìn)洞法的造價(jià)及工期問題，筆者認(rèn)為應(yīng)建立兩個(gè)基本概念：

（1）洞口造價(jià)相對(duì)隧道總體造價(jià)而言，占比非常小，基本不影響隧道總體造價(jià)。如果設(shè)計(jì)合理的話，引導(dǎo)進(jìn)洞法甚至可能較傳統(tǒng)進(jìn)洞法更經(jīng)濟(jì)。

（2）引導(dǎo)進(jìn)洞法在護(hù)拱及超前大管棚施工完成后即進(jìn)入暗洞施工，不需要進(jìn)行明洞槽的開挖和明洞結(jié)構(gòu)的澆筑施工，而且不受雨季施工影響，因此能較大幅度節(jié)省工期，這在廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實(shí)施過程中得到了驗(yàn)證。

4 偏壓地形洞口設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例

在廣西賀州至巴馬高速公路蒙象段一期工程實(shí)施過程中，對(duì)引導(dǎo)進(jìn)洞法進(jìn)行了實(shí)踐。黃洞河二號(hào)隧道右線出口洞口存在嚴(yán)重偏壓，如果采用傳統(tǒng)進(jìn)洞方法將很難實(shí)施，除非能容忍大量開挖，刷高邊坡，否則無法進(jìn)洞。但這不僅容易破壞環(huán)境，還存在極大的滑坡、坍塌等潛在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)杜絕這種方案。如果采用前文提出的引導(dǎo)進(jìn)洞法，將使問題變得簡(jiǎn)單，可以比較滿意地解決這個(gè)問題，實(shí)現(xiàn)零開挖進(jìn)洞。

如圖12所示，偏壓較大的情況下，在護(hù)拱左下角設(shè)置素混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，而擴(kuò)大基礎(chǔ)可起到抑制沉降及抵抗偏壓下滑力的作用。偏壓一側(cè)（圖中左側(cè)）護(hù)拱外側(cè)的素混凝土回填加厚，并以適宜傾角傾斜，其作用相當(dāng)于偏壓擋墻，護(hù)拱、回填素混凝土及擴(kuò)

大基礎(chǔ)共同抵抗偏壓水平力。從圖12中可以看出，采用引導(dǎo)進(jìn)洞法后，直接可以實(shí)現(xiàn)零開挖進(jìn)洞，而護(hù)拱及回填提供了足夠的防護(hù);暗挖進(jìn)洞時(shí)，右側(cè)開挖面可考慮采用預(yù)應(yīng)力錨桿與中空注漿錨桿相結(jié)合的方式加強(qiáng)支護(hù)，初襯中增加設(shè)置型鋼鋼架，可確保安全實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于山嶺鉆爆法隧道，引導(dǎo)進(jìn)洞法較之傳統(tǒng)進(jìn)洞方法具有多項(xiàng)優(yōu)越性，最突出的一個(gè)方面是不需要開挖刷坡即可進(jìn)洞，從真正意義上實(shí)現(xiàn)普適的零開挖進(jìn)洞，既環(huán)保，又能有效避免發(fā)生滑坡及坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，安全性高。此外還具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

（1）隧道洞口施工不受雨季施工影響。

（2）對(duì)地形適應(yīng)性強(qiáng)，可適用于各種復(fù)雜地形，即每一個(gè)洞口都可以做到零開挖進(jìn)洞。特別對(duì)于大偏壓地形，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。

（3）節(jié)省工期，綜合效益好。

綜上所述，引導(dǎo)進(jìn)洞法值得大力推廣應(yīng)用。

[1]JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（第一冊(cè)土建工程）[S].

[2]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2003.