舒東利,楊建民,楊 波

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

近年來,我國(guó)鐵路建設(shè)快速推進(jìn),隨著行車速度的提升,隧道受空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)影響,為了獲得更好的舒適度,隧道斷面面積會(huì)相應(yīng)增大。鐵路雙線隧道跨度大,斷面積一般大于90 m2。

以新建成都至昆明鐵路(以下簡(jiǎn)稱“新建成昆鐵路”)和西安至成都高鐵(以下簡(jiǎn)稱“西成高鐵”)為例：新建成昆鐵路速度160 km/h,雙線隧道洞口開挖跨度達(dá)13 m,開挖面積達(dá)122.5 m2；西成高鐵速度250 km/h,雙線隧道洞口開挖跨度達(dá)14.5 m,開挖面積達(dá)145 m2。西南山區(qū)隧道洞口地質(zhì)條件一般較差,圍巖較破碎,由于選線限制,洞口也會(huì)遇到滑坡、巖堆體等不良地質(zhì)。這些隧道洞口開挖易滑塌,暗挖進(jìn)洞十分困難,設(shè)計(jì)難度較大。

目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)隧道洞口穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行了一定研究。劉莉[1]分析了馬嘴隧道洞口淺埋段穩(wěn)定性,并采用間距5 m抗滑樁加固洞口；韓華軒、馬志富[2]采用護(hù)拱加耳墻的方式較好地解決了高陡偏壓隧道洞口的進(jìn)洞問題；何信[3]采用數(shù)值模擬手段分析抗滑樁隧道穩(wěn)定性的影響,并提出了最佳抗滑樁間距。蔣楚生等[4]對(duì)樁間土拱效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)分析,并提出了考慮土拱效應(yīng)的邊坡土壓力計(jì)算方法。李懷鑒[5]基于滬昆高鐵上店隧道,對(duì)偏壓隧道洞口加樁設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；袁森林[6]基于湘潭昭山大道虎形山隧道,對(duì)偏壓隧道口耳墻式護(hù)拱支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究和優(yōu)化改進(jìn)；張敏[7]結(jié)合渝懷鐵路大板溪隧道洞口特殊地段的處理,對(duì)復(fù)雜地形、地質(zhì)情況下大跨度洞口段設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)；石先火等[8]結(jié)合云南麻昭高速公路趙家屋巖堆體隧道工程實(shí)例,提出了巖堆體隧道洞口淺埋段開挖進(jìn)尺的計(jì)算公式。楊長(zhǎng)京[9]總結(jié)了長(zhǎng)琿高速公路老爺嶺隧道快速進(jìn)洞的施工技術(shù)；李豐果[10]基于高陽(yáng)寨隧道、賽里木湖隧道等山體偏壓隧道,提出了不宜卸載、先施作深埋側(cè)導(dǎo)洞等施工技術(shù)；林三國(guó)[11]結(jié)合贛龍鐵路馬蹄經(jīng)隧道因滑坡體垮塌工程,提出了相應(yīng)的滑坡綜合整治方案。白國(guó)權(quán)、劉建中等[12-15]對(duì)偏壓隧道進(jìn)洞施工方法進(jìn)行了研究探討。

采用錨索加固洞口隧道內(nèi)輪廓范圍內(nèi)開挖困難,僅采用錨固樁加固其樁間距已不能達(dá)到加固大斷面隧道的要求。軟弱地層隧道洞口開挖極易塌方,采用傳統(tǒng)的施工方法已不能滿足大斷面隧道洞口修建要求,針對(duì)大跨度鐵路隧道洞口加固設(shè)計(jì)的研究較為缺乏。結(jié)合新建成昆鐵路及西成高鐵大跨度雙線隧道洞口設(shè)計(jì)與施工,對(duì)軟弱地層大斷面隧道洞口進(jìn)洞方法展開研究分析。

2 軟弱地層隧道洞口穩(wěn)定性分析

以新建成昆鐵路前家山隧道進(jìn)口為例對(duì)仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。該隧道進(jìn)口采用擋墻式洞門,臨時(shí)邊仰坡采用噴錨支護(hù),噴射C25混凝土厚12 cm,φ22砂漿錨桿長(zhǎng)4 m,按間距1 m×1 m梅花形布置,前家山隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)見圖1?；跇O限平衡法的瑞典法對(duì)前家山隧道進(jìn)口仰坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。

圖1 前家山隧道進(jìn)口設(shè)計(jì)(單位：cm)

瑞典條分法的計(jì)算原理為：首先假定出可能的圓弧形的滑裂面,然后將滑坡劃分為一塊一塊的條狀土條,并且將土條重力沿滑坡滑動(dòng)面法線方向進(jìn)行分解,由此計(jì)算出邊仰坡的安全系數(shù),見圖2。

圖2 瑞典條分法計(jì)算圖示

如果不考慮側(cè)面上的作用力,則土條上的作用力有土條自重及土條底面反力。

(1)土條自重

Wi=γibihi

(1)

式中,γi為土的重度；bi,hi分別為土條寬度和平均高度。把Wi引至分條滑動(dòng)面上,分解為通過滑弧圓心的法向力Ni和與滑弧相切的剪切力Ti。θi表示該土條底面中點(diǎn)的法線與豎直線的交角,其余符號(hào)意義詳見圖2。

(2)土條底面法向反力

(2)

(3)

式中，F(xiàn)s為安全系數(shù)；li為土條底面長(zhǎng)度；ci、φi分別為土條底面的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

(3)力矩平衡

把整個(gè)土體內(nèi)各土條對(duì)滑動(dòng)面圓心取力矩平衡,則有

(4)

由此可以得到安全系數(shù)的計(jì)算公式為

(5)

基于瑞典條分法分析了前家山隧道開挖上臺(tái)階和開挖至路基面仰坡的穩(wěn)定性,仰坡滑動(dòng)破裂情況見圖3,其中開挖上臺(tái)階時(shí)仰坡安全系數(shù)為0.643,開挖至路基面時(shí)仰坡的安全系數(shù)為0.563,安全系數(shù)均小于1,仰坡不能夠自穩(wěn),易滑動(dòng)破壞。

圖3 前家山隧道進(jìn)口仰坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果(單位：cm)

西成高鐵和新建成昆鐵路多個(gè)隧道在洞口開挖時(shí)均出現(xiàn)了不同程度的滑塌。

前家山隧道進(jìn)口施作導(dǎo)向墻后仰坡出現(xiàn)多條長(zhǎng)度8～13 m,寬3～5 cm裂縫,進(jìn)口土層發(fā)生滑移,導(dǎo)向墻開裂,見圖4。

楊家灣隧道進(jìn)口在施工大管棚時(shí),洞頂以上位置出現(xiàn)多條裂縫,最大裂縫寬度達(dá)25 cm,且裂縫一直在發(fā)展,存在極大滑塌風(fēng)險(xiǎn)；隧道洞身右側(cè)65 m處山坡上灌溉水池裂縫發(fā)展為一條貫通的裂縫(裂縫寬約5 cm)將水池切斷,水池周圍地表出現(xiàn)多條新裂縫,最大縫寬5 cm,并持續(xù)發(fā)展到25 cm,楊家灣隧道進(jìn)口洞頂裂縫詳見圖5。

圖4 前家山隧道進(jìn)口仰坡及導(dǎo)向墻裂縫

石梯子隧道進(jìn)口在完成截水天溝施工并開始洞口清表刷仰坡的過程中,遇連續(xù)降雨,現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)中斷,降雨過后在隧道進(jìn)口上方洞身方向地表發(fā)現(xiàn)4條裂縫,洞身地表坡體出現(xiàn)大范圍蠕動(dòng)滑移及地表隆起。施作大管棚時(shí),裂縫繼續(xù)發(fā)展,洞頂上方土體滑移,導(dǎo)向墻變形,見圖6。

圖5 楊家灣隧道進(jìn)口洞頂裂縫

圖6 石梯子隧道進(jìn)口滑塌施工現(xiàn)場(chǎng)

基于隧道洞口穩(wěn)定性分析,隧道仰坡滑塌必然存在潛在滑動(dòng)面,滑坡治理或洞口加固設(shè)計(jì)應(yīng)以滑動(dòng)面為核心,應(yīng)從反壓洞口滑坡體和切斷滑動(dòng)面的角度提出加固設(shè)計(jì)方案,基于該設(shè)計(jì)理念提出了軟弱地層隧道洞口加固設(shè)計(jì)的3種方法,分別為玻璃纖維鉆孔樁加固方法、樁基托梁護(hù)拱加固方法和縱橫梁加固方法。3種方法的適用條件、經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 3種隧道洞口加固設(shè)計(jì)方法對(duì)比

注：深層滑動(dòng)滑坡體厚度25～50 m,中層滑動(dòng)滑坡體厚度10～25 m,淺層滑動(dòng)滑坡體厚度10 m以下。

3 玻璃纖維鉆孔樁加固方法

3.1 設(shè)計(jì)理念

玻璃纖維鉆孔樁加固設(shè)計(jì)方法的核心是在隧道明洞與暗洞的分界斷面設(shè)置1排玻璃纖維樁,于隧道兩側(cè)設(shè)置錨固樁,保證軟弱地層的穩(wěn)定性。開挖后明洞段及明洞回填及時(shí)施作,對(duì)軟弱地層形成反壓,增加仰坡的穩(wěn)定性。待明洞段施作完成后方可截?cái)嗖ＡЮw維樁,暗挖進(jìn)洞,玻璃纖維樁洞口加固設(shè)計(jì)方法橫縱斷面見圖7和圖8。

圖7 玻璃纖維樁洞口加固縱斷面

圖8 玻璃纖維樁洞口加固橫斷面

3.2 隧道洞口施工方法

采用玻璃纖維鉆孔樁加固方法時(shí)洞口段施工工序很重要,如果處理不當(dāng),可能同樣會(huì)造成洞口滑塌,該方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作錨固樁。在滑坡體范圍由上到下依次施工錨固樁,錨固樁施工完畢后可結(jié)合地層巖性增設(shè)輔助加固措施,如地表旋噴樁、鋼花管注漿等。然后施工隧道明暗分界處洞身范圍內(nèi)的鉆孔樁,鉆孔樁配筋采用玻璃纖維。

(2)施作導(dǎo)向墻及大管棚。在完成隧道所有錨固樁、玻璃纖維樁和輔助加固措施之后,開挖隧道上半斷面,施作洞口導(dǎo)向墻、大管棚、小導(dǎo)管。

(3)施作明洞及洞門結(jié)構(gòu)。進(jìn)洞措施施工完成后,及時(shí)施作洞門及洞口明洞,待混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后,及時(shí)施作明洞段回填土石。洞門、明洞及回填土石形成整體結(jié)構(gòu),對(duì)正面邊坡形成反壓,抑制仰坡下滑趨勢(shì)。

(4)截樁進(jìn)洞。待明洞、洞門部分完工后,纖維錨固樁的臨時(shí)加固作用就已經(jīng)結(jié)束,已經(jīng)完成了坡腳加固受力體系的轉(zhuǎn)換,此時(shí)即可采用破碎錘等非爆破設(shè)備鑿除纖維錨固樁,暗挖進(jìn)洞。

3.3 工程應(yīng)用實(shí)例

西成高鐵設(shè)計(jì)為時(shí)速250 km的高速鐵路,石梯子隧道位于廣元—?jiǎng)﹂T關(guān)區(qū)間,設(shè)計(jì)為雙線隧道,隧道跨度14.32 m,高13.28 m,全長(zhǎng)1 050 m,隧道進(jìn)口采用帽檐斜切式洞門加斜切延伸段。洞口地表上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積層(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土、上更新統(tǒng)(Q3al+pl)粉質(zhì)黏土、卵石土,下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組上段(J2s2)泥巖夾砂巖。洞口地表水主要為溝水和坡面暫時(shí)性流水,地下水為第四系土層孔隙水及基巖裂隙水。

石梯子隧道進(jìn)口滑坡體位于洞口線路范圍200 m左右,工程滑坡段原為土質(zhì)斜坡,洞口邊仰坡開挖后,切割坡腳,導(dǎo)致斜坡失穩(wěn),坡體前緣隆起,局部出現(xiàn)剪切裂縫,坡體上距洞口55 m處出現(xiàn)張裂縫,并產(chǎn)生明顯的錯(cuò)壁,錯(cuò)壁高約40 cm,滑坡體長(zhǎng)約220 m,寬約160 m,厚5～10 m,體積約為26.4萬m3。堆積物以粉質(zhì)黏土為主,局部為卵礫石。

石梯子隧道于隧道進(jìn)口布設(shè)4排錨固樁,第一排錨固樁設(shè)置于隧道明暗分界處,洞身范圍內(nèi)采用玻璃纖維鉆孔樁,其余采用人工挖孔樁,現(xiàn)場(chǎng)玻璃纖維樁布置見圖9。其余3排錨固樁縱向間隔布置于滑坡體范圍內(nèi)。按上述施工方法順序施工,順利完成隧道進(jìn)洞施工。

圖9 錨固樁、玻璃纖維樁及導(dǎo)向墻施作

玻璃纖維鉆孔樁加固方法應(yīng)用于石梯子隧道,減少了邊仰坡刷坡,減少了對(duì)周邊環(huán)境的破壞,保證了洞口滑坡體的穩(wěn)定性,并確保了隧道洞口的施工安全,較好地解決了隧道洞口進(jìn)洞的難題。

4 樁基托梁護(hù)拱加固方法

4.1 設(shè)計(jì)理念

樁基托梁護(hù)拱加固設(shè)計(jì)方法的核心是于隧道洞口段設(shè)置樁基托梁及護(hù)拱。樁基下穿潛在滑動(dòng)面,抵抗軟弱地層的滑動(dòng)。托梁上設(shè)護(hù)拱,待護(hù)拱和護(hù)拱兩側(cè)及頂部回填施作完成后可進(jìn)行隧道開挖,護(hù)拱結(jié)構(gòu)對(duì)正面仰坡形成反壓,保持正面的穩(wěn)定性。樁基托梁護(hù)拱加固法縱、橫斷面設(shè)計(jì)見圖10和圖11。

圖10 樁基托梁護(hù)拱縱斷面

圖11 樁基托梁護(hù)拱橫斷面(單位： cm)

4.2 隧道洞口施工方法

采用樁基托梁加護(hù)拱方法洞口段施工工序同樣重要,如果處理不當(dāng),也不能起到良好的防護(hù)效果。為確保洞口施工期間安全,施工時(shí)應(yīng)避開雨季。該方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作洞口段地表排水系統(tǒng),并夯填處理地表裂縫及水池,減少雨水下滲弱化土層對(duì)山體穩(wěn)定性的影響。

(2)施作洞口段輔助加固措施,如地表鋼花管注漿加固淺層土質(zhì)圍巖,旋噴樁、大管棚、防護(hù)工程等,加固洞口段圍巖使其具有一定的穩(wěn)定性及承載能力。

(3)明洞段樁基及托梁開挖及澆筑,灌注樁基至設(shè)計(jì)高程,待樁基達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施作托梁,然后施作護(hù)拱,樁基、托梁、護(hù)拱鋼筋相互接茬,保證結(jié)構(gòu)具有整體性,保證整體結(jié)構(gòu)在縱向及橫向具有一定的剛度。

(4)護(hù)拱襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,回填C20混凝土及土石至實(shí)際回填線,對(duì)正面仰坡形成反壓,防止仰坡滑塌。

(5)護(hù)拱內(nèi)明洞開挖,并及時(shí)施作明洞襯砌、洞門及洞口相關(guān)附屬設(shè)施,洞口明洞及洞門形成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)正面仰坡形成反壓。

(6)施作明暗分界處導(dǎo)向墻、大管棚等,暗挖進(jìn)洞。

4.3 工程應(yīng)用實(shí)例

新建成都至昆明鐵路設(shè)計(jì)為時(shí)速160 km的客貨共線鐵路,楊家灣隧道位于峨眉—米易區(qū)間,設(shè)計(jì)為雙線隧道,跨度12.52 m,高11.29 m,全長(zhǎng)3 230 m,隧道進(jìn)口采用臺(tái)階式洞門。

洞口上覆土層為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)粉質(zhì)黏土、坡殘積層(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土及坡崩積層(Q4dl+col)粉質(zhì)黏土、粉土、角礫土、碎石土及塊石土,下伏基巖主要為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖(P2β)。地表水主要為溝水,地下水主要為第四系孔隙水潛水和基巖裂隙水,主要受大氣降水補(bǔ)給。

洞口開挖造成巖堆體上部邊坡產(chǎn)生多條弧形裂隙,并有下滑的趨勢(shì),形成工程滑坡。該滑坡主軸與線路相交于距洞口30 m附近,與線路夾角約為53°,主軸方向約為N9°E,主軸長(zhǎng)約120 m,前緣寬約50 m,后緣寬約30 m。該滑坡屬工程活動(dòng)引起的中層堆積體滑坡,滑體物質(zhì)成分較簡(jiǎn)單,以粉質(zhì)黏土為主,局部地段為碎石土、塊石土,厚度為2～15 m。滑坡面積約4 800 m2,滑坡體積約5.0×104m3,屬中型、中深層牽引式滑坡。地表出現(xiàn)多條弧形張拉裂隙,裂隙長(zhǎng)5～30 m,裂隙寬2～25 cm,下錯(cuò)2～20 cm?；聝蓚?cè)邊界明顯,地貌形態(tài)呈一圈椅狀長(zhǎng)條地形。

楊家灣隧道進(jìn)口先施作3排錨固樁,治理工程滑坡。再按上述樁基托換加護(hù)拱施工方法,于隧道洞口段施作樁基托梁護(hù)拱結(jié)構(gòu),保證隧道邊仰坡穩(wěn)定,現(xiàn)場(chǎng)樁基托梁護(hù)拱施工見圖12,保證了隧道洞口施工安全,避免了滑坡體坍塌。

圖12 施工現(xiàn)場(chǎng)樁基托梁加護(hù)拱結(jié)構(gòu)

5 縱橫梁加固方法

5.1 設(shè)計(jì)理念

縱橫梁加固方法的核心是于隧道洞口樁基頂部布置縱橫梁,能夠有效抵抗地層滑移。樁基下穿潛在滑動(dòng)面,抵抗軟弱地層的滑動(dòng)?？v橫梁形成框架結(jié)構(gòu)正面抵擋仰坡,防止仰坡滑塌。隧道洞口縱橫梁加固設(shè)計(jì)方法的縱、橫斷面設(shè)計(jì)見圖13和圖14。

圖13 縱橫梁加固法縱斷面

圖14 縱橫梁加固法橫斷面

5.2 隧道洞口施工方法

采用縱橫梁加固法施工洞口段,施工工序也極為重要,如果施工工序不合理,也起不到有效的加固效果。該方法洞口段施工工序如下所述。

(1)施作洞口段地表排水系統(tǒng),并夯填處理地表裂縫,減少雨水下滲弱化土層對(duì)山體穩(wěn)定性的影響。

(2)施作明洞段兩側(cè)樁基及底縱梁,灌注樁基至設(shè)計(jì)高程,待樁基達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后施作底縱梁。樁基下穿潛在滑動(dòng)面,抵抗地層滑移,樁基和底縱梁形成整體結(jié)構(gòu)擋護(hù)邊坡,防止邊坡滑塌。

(3)待樁基和底縱梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之后,開挖并施作明暗分界處大管棚導(dǎo)向墻,為暗挖進(jìn)洞做好準(zhǔn)備。

(4)大管棚導(dǎo)向墻施作完成之后,澆筑頂縱梁及橫梁?？v橫梁頂住大管棚導(dǎo)向墻,限制導(dǎo)向墻的擠出位移,同時(shí)對(duì)正面仰坡形成反壓,防止仰坡滑移、傾覆。

(5)待洞口段加固結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,暗挖進(jìn)洞。

5.3 工程應(yīng)用實(shí)例

新建成都至昆明鐵路楊家灣隧道出口采用擋墻式洞門。隧道出口段基礎(chǔ)位于穩(wěn)定性較差的第四系中、上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(弱～中等膨脹土)之中,厚10～20 m,呈硬塑狀,下伏地層為第三系上統(tǒng)昔格達(dá)組砂巖夾泥巖、頁(yè)巖全風(fēng)化層及二疊系上統(tǒng)輝長(zhǎng)巖全風(fēng)化層。

雨季當(dāng)?shù)赝唤当┯?雨量較大,雨水滲入土層,土體被水軟化,導(dǎo)致洞口開挖時(shí)局部發(fā)生坍塌。洞口段位于穩(wěn)定性較差的中、上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土中,該土屬弱～中等膨脹土,具遇水膨脹、軟化、崩解,失水急劇收縮、開裂、硬結(jié)等特點(diǎn),并能產(chǎn)生往復(fù)脹縮變形。

楊家灣隧道出口與隧道兩側(cè)分別布置10根錨固樁,按上述縱橫梁加固施工方法,靠近明暗分界處采用縱橫梁框架結(jié)構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)縱橫梁施工見圖15,對(duì)邊仰坡滑塌形成了良好的擋護(hù),有效地控制了隧道洞口的局部坍塌。

圖15 縱橫梁加固法施工現(xiàn)場(chǎng)

6 結(jié)論與建議

依托新建成昆鐵路及西成高鐵軟弱地層大斷面隧道工程,通過對(duì)軟弱地層隧道洞口加固設(shè)計(jì)方法的探討分析,得出以下結(jié)論。

(1)通過對(duì)軟弱地層隧道洞口仰坡穩(wěn)定性分析,得出隧道上半斷面開挖以及開挖至路基面時(shí),仰坡安全系數(shù)均小于1,如果不采取相應(yīng)加固措施,洞口極易發(fā)生滑塌。

(2)根據(jù)隧道開挖及滑動(dòng)面特性,提出了玻璃纖維鉆孔樁加固、樁基托梁護(hù)拱加固、縱橫梁加固3種隧道洞口進(jìn)洞施工方法,保證隧道范圍內(nèi)的正常開挖,并形成對(duì)正面仰坡的反壓,控制滑動(dòng)面下滑,已成功應(yīng)用于西成高鐵石梯子隧道和新建成昆鐵路楊家灣隧道,洞口段加固效果顯著,工程得以順利實(shí)施。

(3)玻璃纖維鉆孔樁加固方法施工工期短,工程投資相對(duì)較高,質(zhì)量控制難度大,加固效果最好,適用于大斷面隧道洞口淺、中、深層滑坡處理。

(4)樁基托梁護(hù)拱加固方法施工工期相對(duì)較長(zhǎng),工程投資較高,加固效果好,適用于大斷面隧道洞口淺、中層滑坡處理。

(5)縱橫梁加固方法,施工工期最短,工程投資最小,加固效果較好,特別適用于大斷面隧道洞口淺層滑坡處理。