李怀鉴，马志富

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概述

我国山区高速铁路建设中出现了较多的隧道。由于山区地质条件复杂多变，特别是隧道洞口段围岩一般较为破碎，地质条件差，开挖边仰坡又破坏了山体原有的平衡，使得洞口工程成为隧道设计和施工的要点之一。其中，又以浅埋偏压洞口，尤其是岩土条件或岩层走向十分不利于隧道的洞口，设计难度极大，这些洞口往往成为设计和施工过程中控制性的工点。

以沪昆铁路客运专线长沙至玉屏段设计施工难度极大的上店隧道出口为研究对象。上店隧道出口地形、地质条件极其复杂，自然坡角约31°，形成偏压，地表第四系残坡积和强风化厚度大，节理裂隙发育，岩体破碎，层间结合力差。其中表层粗角砾土较厚，最大厚度可达25 m。岩层产状75°∠62°，中线走向246°。

以上地形、地质因素，加之高速铁路双线隧道断面大等因素，使得上店隧道出口设计难度极大，难点主要在于:(1)进洞困难，洞口暗洞段施工风险大;(2)洞口场地狭窄，洞门施作受限;(3)洞门基底部分悬空且地基承载力不足;(4)洞口明挖段施工风险大，易发生滑坡;(5)明挖段低山侧冲沟较深，不利于洞门整体稳定等。

2 洞口暗挖段设计

2.1 选择合理的进洞位置

上店隧道出口坡面较陡，表层为粗角砾土，稳定性差。设计中遵循“早进晚出”的原则，减少对山体的扰动和破坏，同时也减小洞口边仰坡的高度，避免形成高陡边仰坡，以防给隧道的施工和运营留下隐患;然而，考虑过早进洞或过晚出洞造成隧道洞顶覆盖层过薄，暗洞施工中极易失稳。为此，综合考虑在DK308+255里程处进洞，具体详见图1～图3。

同时，因DK308+255～DK308+252段拱部为粗角砾土且厚度较薄，暗挖后极不稳定，设计中在该段设置护拱措施，在护拱保护下进行暗洞施做。由于低山侧护拱基础无法落在稳定基岩上，加之为平衡隧道高山侧较大土石压力考虑，隧道低山侧采用耳墙结构，护拱两侧拱脚分别落于耳墙和强风化含砾砂岩上，确保护拱在施工期间的稳定，护拱设置具体详见图2和图3。

图1 洞口平面

图2 洞口纵断面(单位:m)

图3 明暗分界里程DK308+255横断面

2.2 平衡洞口暗洞段偏压措施(图4)

洞口暗洞结构在受力上存在较严重的浅埋偏压情况，对隧道整体稳定和衬砌结构受力有较大的隐患。

图4 洞口暗洞段增加锚固桩横断面(里程:DK308+242)(单位:m)

为此，在暗洞出口低山侧，设置锚固桩平衡高山侧的土石压力，改善隧道结构受力，锚固桩参数:DK308+233～DK308+248段隧道中线外低山侧11.50 m处设置4根2.0 m×2.5 m的锚固桩，桩间距5.0 m，具体详见图1和图4。

2.3 暗洞衬砌结构设计

洞口段暗洞因埋深较浅且存在偏压等情况，采用加强型衬砌，初期支护全环采用30 cm厚C30喷混凝土，拱墙φ8 mm钢筋网，网格间距20 cm×20 cm，拱部锚杆采用4 m长φ25 mm×7 mm普通中空锚杆，边墙锚杆采用长4 mφ22 mm砂浆锚杆，初期支护钢架采用全环I22a钢架，钢架间距0.6 m;二次衬砌采用C40钢筋混凝土，拱墙厚50 cm，仰拱厚60 cm，具体详见图5。

图5 衬砌结构横断面(单位:cm)

2.4 超前措施及施工工法

在暗洞段低山侧锚固桩施工完成之后，为了进洞的安全，在护拱结束里程DK308+252处向山体方向打设一环大管棚，在管棚的保护下进行暗洞施工，管棚采用热轧无缝钢管，参数:拱部150°布置，直径为108 mm，壁厚5 mm，环向间距0.4 m，长度30 m。

暗洞采用超前小导管注浆措施配合大管棚施工，以作为开挖的超前防护措施，并采用三台阶临时仰拱法开挖，一起防止开挖过程中掌子面变形过大或发生坍塌。三台阶临时仰拱法中采用临时仰拱措施进一步控制变形发展，临时钢架采用I18型钢，并喷10～15 cm厚不等的混凝土;施工时上台阶预留核心土，三台阶临时仰拱法如图6所示。

图6 三台阶临时仰拱法横断面(单位:cm)

3 洞口明挖段设计

3.1 洞门形式

洞口右侧地势较高，形成偏压，同时表层粗角砾土层较厚，洞口边坡开挖并回填之后，高山侧边坡会对隧道洞门结构产生较大的土压力。为平衡高山侧地形上的偏压土石压力，保证隧道洞门结构的整体稳定，隧道洞门结构采用单压式明洞门，洞门地势低侧设置耳墙结构，端墙外设置锚固桩结构，确保洞门端墙结构的稳定。

同时，受洞口场地狭窄及洞口表层粗角砾土层地基承载力不足等限制，如果将隧道出口里程放置在能够达到地基承载力要求的基岩上，则现场无场地施作洞门;同时，也由于边仰坡表层岩土稳定性较差且坡面较陡，洞门长度过短将增加运营期间的风险，为此适当将隧道出口里程外移，增加明洞长度势在必行，此时地基也需要处理以满足洞门基底承载力的要求。设计中将洞门里程设置在DK308+270里程处，洞门设置详见图1、图2和图7。

图7 洞口单压式明洞门横断面(里程:DK308+270)(单位:m)

3.2 洞门基底处理

隧道出口里程外移，洞门结构基底坐落在承载力不足的粗角砾土层上以及洞门结构基础悬空等情况的加剧，设计难度进一步加大。

因此，增加洞门结构基底处理措施以提高地基承载力成为设计要点。经过分析论证，上店隧道出口基底采用桩板结构，将隧道基底受力传到基岩里，可以有效解决基底地基承载能力不足的问题，桩板结构参数如下:DK308+255～DK308+270段明洞仰拱下设钢筋混凝土底板，底板厚2.0 m，板下设φ1.5 m钻孔桩，间距2.8 m×3.4 m(纵×横)，桩板结构见图2、图7和图8。

图8 基底桩板结构平面布置(单位:cm)

3.3 平衡洞口明挖段偏压措施

洞口明挖时，如高山侧边坡从洞门墙脚放坡开挖将增加边坡高度;同时表层粗角砾土较厚且稳定性较差，需要较平缓的放坡坡率才可能保证边坡的稳定，将进一步增加边坡高度，很容易形成高陡边仰坡，增加了施工期间的风险。因此，在明挖段开挖前，设计采用了在高山侧设置锚固桩的方案，减少高山侧边坡的开挖，以保证施工期间的稳定，同时也增加了运营后隧道洞口的安全性。锚固桩参数如下:分别在DK250+263、DK250+258、DK250+253距离线路左线中线5.37 m处各设置1根锚固桩，截面尺寸2.0 m×3.0 m，长度为23 m，桩间采取边坡注浆加固及网喷混凝土防护措施。

3.4 低山侧防护措施

现场低山侧坡面较陡且深，洞门基底桩板结构外露较多，兼之洞口段整体偏压，对洞门整体稳定不利，存在隐患。

为此，采用C20片石混凝土在低山侧坡面上反压处理至洞门耳墙墙趾高程，以保证洞门结构的整体稳定。同时，为保证该反压的C20片石混凝土的稳定性，在该片石混凝土中增加3根锚固桩，锚固桩长25 m，桩截面2 m×2.5 m，间距6 m。

3.5 边仰坡防护

洞口明挖段回填后外露坡面为永久边仰坡，坡面较陡且表层岩土稳定性较差，需对其护坡形式进行加强。边坡开挖设计如下:坡率为1∶1，每8 m分一级，于分级处设2 m宽平台。永久边仰坡采用现浇矩形预应力锚杆框架，框架内挂网喷混植生防护，锚杆为全长粘结型预应力锚杆，锚筋采用直径为25 mm的PSB1080高强精轧螺纹钢筋，于框架节点布设，长度为14 m，锚固段长7 m，单孔设计锚固力300 kN，设计锚孔壁与注浆体之间粘结强度不小于0.35 MPa，锚孔直径110 mm，向下俯倾30°。边仰坡防护详见图2、图3和图9。

图9 DK308+255里程横断面

3.6 正面回填措施

DK308+252～DK308+257段耳墙外侧C20片石混凝土反压回填后，在该片石混凝土上方采用土石回填恢复至原地表，以保证该区域纵向山体的稳定，具体见图3。

3.7 其他措施

洞口段开挖前应施作截水天沟，以防止洞口施工过程中雨水流入并下渗至洞口段，造成洞口坡面稳定性下降，防止边仰坡开裂变形。

同时，于隧道出口永久边仰坡防护外设置RXI-200型SNS被动高强金属防护网，以防止边仰坡外落石危及正线安全。

4 主要施工工序设计

(1)施作地表截排水系统。

(2)开挖洞口段平衡偏压的锚固桩桩顶边坡，形成桩顶平台，施作锚固桩。

(3)分台阶、分段开挖洞口边仰坡，分台阶、分段施作护坡，形成洞口段桩板基础施作平台。

(4)开挖低山侧回填片石混凝土中的锚固桩桩顶边坡，形成桩顶平台，施作锚固桩。

(5)反压回填低山侧C20片石混凝土。

(6)明挖段桩板基础施作。

(7)护拱段分台阶、分段开挖并分台阶、分段施作护坡，基础换填、外侧耳墙及护拱施工，大管棚施工。

(8)施作出口段明洞衬砌、耳墙及明洞门，明洞段、护拱段回填浆砌片石。

(9)DK308+252～DK308+257段耳墙外侧C20片石混凝土上方土石堆砌恢复至原地表。

(10)暗洞开挖。

5 主要施工注意事项

(1)施工中做好截排水措施，同时应避免洞顶地表出现滞水地貌及地物。

(2)洞口施工应尽量避开雨季，开挖前应检查边仰坡上部山坡稳定情况，清除悬石、处理危石。

(3)边仰坡加固及防护应在开挖前或随开挖进行，洞口段边仰坡施工期间必须进行不间断监测。

(4)施工期间应对锚固桩变形、位移和开裂等情况进行全过程监测。

(5)洞口段边仰坡开挖后及时检查岩层坡面稳定状况，当出现松软夹层、顺层溜坍、工程滑塌征兆时，应及时采取坡面加固措施或临时边坡防护加强措施。

6 结语

复杂地质条件下隧道洞口浅埋偏压段的处理，一直是设计和施工中的重点。通过对沪昆铁路客运专线长沙至玉屏段上店隧道出口的研究和分析，总结出设计要点如下。

(1)重视截排水措施的作用，避免雨水下渗造成开挖后边仰坡稳定性的下降。

(2)应合理明确进出洞位置，遵循“早进晚出”的原则，减少对隧道洞口原始地形地貌的破坏，避免形成高陡边仰坡。

(3)根据不同隧道洞口地形、地质特点，判明偏压的严重程度，根据偏压程度的不同，洞口明挖段可以采取锚固桩、挡土墙、反压回填等平衡偏压的措施，或采取锚喷支护、地表注浆、预应力锚杆或锚索框架等对高侧边坡进行加强以稳定边坡，也可采取半明半暗结构等减少对边坡的扰动后进行边坡加固处理等措施。

(4)施工过程中，应加强地表的监控量测，反馈设计，进行动态设计，信息化施工。

(5)对于洞口暗洞段浅埋偏压，应根据具体地形、地质情况，依据“短开挖，强支护，及时密贴，实回填，严治水，勤量测”的原则进行设计和施工，同时，也应采取减少对围岩扰动的工法进行开挖和支护，如双侧壁导坑法、CD法、CRD法、三台阶临时仰拱法等，从而减小偏压对暗洞的影响。

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