隧道洞口預(yù)加固抗滑樁研究

易震宇，鄭國(guó)榮，陳建軍

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙 410008; 2.湖南省吉茶高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南吉首 416000)

0 前言

隧道建設(shè)中洞口是整個(gè)隧道的薄弱環(huán)節(jié)之一，洞口部位一般來(lái)說(shuō)，地形和地質(zhì)條件都是相對(duì)差，由于偏壓地形、地表節(jié)理裂隙、地下水、降雨等條件，施工時(shí)易引發(fā)隧道洞口區(qū)域失穩(wěn)現(xiàn)象，出現(xiàn)地表面開(kāi)裂、滑動(dòng)、下沉、掌子面崩塌、突出等病害，一旦病害發(fā)生，要根治這些病害，工期長(zhǎng)，投入大、同時(shí)影響壞。如何在復(fù)雜地質(zhì)條件下，采取有效的措施，避免洞口失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生，是設(shè)計(jì)中要預(yù)先考慮的問(wèn)題。

1 隧道洞口應(yīng)力分析

隧道洞口病害產(chǎn)生的主要原因是由于隧道洞口開(kāi)挖，改變了地表形態(tài)，形成路塹、洞口邊坡、仰坡，從而改變了洞口區(qū)域的巖土內(nèi)力分布，引起應(yīng)力重調(diào)整，導(dǎo)致臨空面應(yīng)力松弛，土石間粘聚力降低，對(duì)于覆蓋層薄、基巖出露且風(fēng)化程度低的洞口，一般不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，但對(duì)于覆蓋層厚、土石混雜的復(fù)雜地質(zhì)地段，就可能會(huì)導(dǎo)致邊仰坡的坍塌，誘發(fā)滑坡等地質(zhì)病害。

目前隧道洞口設(shè)計(jì)貫徹“不破壞是對(duì)環(huán)境最大的保護(hù)”的思想，依據(jù)洞口地形條件與洞口地形協(xié)調(diào)，保護(hù)自然環(huán)境的原則，按照“早進(jìn)洞、晚出洞”的理念進(jìn)行，以減少洞口開(kāi)挖面積，來(lái)減少病害的發(fā)生。但是公路隧道本身就斷面大，盡管設(shè)計(jì)中采用洞口錨桿加固、提早施作明洞襯砌或洞門(mén)結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)防，在實(shí)際施工中，洞口坍塌、滑坡的現(xiàn)象仍也經(jīng)常出現(xiàn)。如圖1，80 km/h時(shí)速高速公路隧道，洞口地質(zhì)較差情況，洞口臨空面一般有260 m2(含隧道暗洞開(kāi)挖斷面100 m2)，存在較大失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 隧道洞口掌子面開(kāi)挖斷面示意圖

一般來(lái)說(shuō)，隧道洞口，包括地質(zhì)條件特別復(fù)雜或巖土力學(xué)性質(zhì)極差的洞口，在施工前，地表是處于穩(wěn)定狀態(tài)，只是由于施工開(kāi)挖形成臨空面，失去支撐，才存在引起滑坡、大坍塌的可能，在未開(kāi)挖前或擾動(dòng)前，山體是穩(wěn)定的，安全系數(shù)大于1，如果能夠采用某種形式，將要挖除土體的作用力補(bǔ)償上去，使臨空面得到支撐，理論上可以恢復(fù)施工前的穩(wěn)定水平。采用預(yù)加固抗滑樁基形式是提前進(jìn)行補(bǔ)償、是最可行的方式(如圖2)。

2 隧道洞口普通抗滑樁與預(yù)加固抗滑樁受力機(jī)理

預(yù)加固抗滑樁與抗滑樁一樣，結(jié)構(gòu)形式基本相同(如圖3)，都用力承受土體作用力，兩者區(qū)別在于所需要承受的土體作用力大小、性質(zhì)與要達(dá)到的效果不同，其對(duì)比見(jiàn)表1。

圖2 隧道洞口預(yù)加固樁布置示意圖

采用抗滑樁結(jié)構(gòu)，先假定隧道洞口自然山坡土體處于極限平衡狀態(tài)，反推出巖土C、φ值，再根據(jù)開(kāi)挖后斷面，計(jì)算出樁后坡體下滑推力，選擇合適尺寸抗滑樁，抵抗下滑推力。

圖3 隧道洞口預(yù)加固樁受力示意圖

采用預(yù)加固抗滑樁結(jié)構(gòu)，首先考慮樁體在土中樁前樁后兩側(cè)對(duì)稱(chēng)受力平衡，山體是穩(wěn)定的，當(dāng)洞外明洞土體開(kāi)挖后，樁前上部臨空面失去支撐力，兩側(cè)受力出現(xiàn)不平衡，差值由預(yù)先設(shè)置的預(yù)加固抗滑樁承受。

表1 普通抗滑樁與預(yù)加固抗滑樁對(duì)比表

普通抗滑樁由于理論假定限制，一但確定采用，所用就尺寸較大，特別是隧道開(kāi)挖邊仰坡后山體逐漸升高，計(jì)算下來(lái)，推力驚人，工程量巨大，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中非地質(zhì)勘察有明確結(jié)論，一般不主動(dòng)采用。施工中若出現(xiàn)山體發(fā)生滑動(dòng)等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，巖土C、φ值可以反推計(jì)算，抗滑樁受力十分明確，以設(shè)置樁基后邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不低于1.35控制抗滑樁設(shè)置，確定抗滑樁尺寸和鋼筋配置，還可采用抗滑樁對(duì)滑坡進(jìn)行分段阻滑時(shí)，每段宜以單排布置為主，若彎矩過(guò)大，可采用預(yù)應(yīng)力錨拉樁。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，隧道洞口不宜設(shè)在滑坡、崩坍、巖堆、危巖落石、泥石流等不良地質(zhì)地段。在設(shè)計(jì)階段，隧道洞口直接位于滑坡體內(nèi)情況發(fā)生機(jī)率小，自然邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在1以上，具體是多少，無(wú)法定量，只能定性判斷，且盲目性較大。預(yù)加固抗滑樁理論則剛好填補(bǔ)了空白，不需要判斷自然邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，只需要研究要挖除的土體的靜止土壓力，其研究的對(duì)象明確，力學(xué)計(jì)算理論完善，參數(shù)取值簡(jiǎn)單，其誤差對(duì)工程影響小，方便適用。預(yù)加固樁開(kāi)挖后其受力形式為樁后局部范圍主動(dòng)土壓力，地形由坡度所形成的分力，視為通過(guò)山體巖石間的內(nèi)摩擦力抵消。在隧道進(jìn)洞輔助施工措施如管棚施工完成后，受力減小，當(dāng)洞外明洞施工完成后，其上反壓回填土，則加固樁受力進(jìn)一步減少。

3 隧道預(yù)加固抗滑樁動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

預(yù)加固抗滑樁設(shè)計(jì)須貫徹動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)是預(yù)設(shè)計(jì)及后續(xù)施工服務(wù)校對(duì)設(shè)計(jì)兩部分組成。預(yù)設(shè)計(jì)按照土體平衡理論計(jì)算預(yù)加固抗滑樁尺寸及配筋，開(kāi)挖土體的靜土壓力系數(shù)可提高1.5考慮。由于各隧道洞口開(kāi)挖的土體有限，可取樁前開(kāi)挖土體地面線為水平(正常情況為降低)、最大的靜土壓力按各種土體中的最不利情況計(jì)算，由此可形成適用范圍較廣的隧道洞口預(yù)加固抗滑樁。計(jì)算表明，1.5 m×2.0 m尺寸是預(yù)加固抗滑樁定型圖的合理尺寸。

通過(guò)有限元計(jì)算表明，一次性掌子面開(kāi)挖到位，按補(bǔ)償平衡設(shè)計(jì)的隧道預(yù)加固抗滑樁樁后一定范圍外，開(kāi)挖完成后坡體受力與自然山體受力基本一致，但臨近掌子面附近，由于洞口左右兩樁間距影響，土拱效果不明顯，仍存在一定的應(yīng)力松弛區(qū)域。設(shè)計(jì)中此區(qū)域的防護(hù)通過(guò)預(yù)留核心土體，在洞口管棚、套拱施工完成后再挖除的施工步驟解決，模擬分析表明應(yīng)力松弛區(qū)域大為減小。

由于隧道預(yù)加固抗滑樁實(shí)質(zhì)是定性設(shè)計(jì)、預(yù)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)文件中必須有監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)方案，要求隧道及路基施工期間必須對(duì)樁體進(jìn)行持續(xù)位移和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，如果監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)變形無(wú)法穩(wěn)定，土體滑移趨勢(shì)明顯，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果增加預(yù)加固樁設(shè)置，或補(bǔ)充其他輔助加固措施，避免突發(fā)工程災(zāi)害。

4 隧道預(yù)加固抗滑樁應(yīng)用

由于隧道預(yù)加固抗滑樁是設(shè)置在對(duì)于自然穩(wěn)定，受施工影響，易出現(xiàn)滑塌的隧道洞口，必須先行施工，才能有預(yù)防塌方效果。研究建議預(yù)加固樁施工步驟如下:①隧道洞口區(qū)域先開(kāi)挖預(yù)加固樁頂面標(biāo)高以上部分的邊、仰坡;②開(kāi)挖預(yù)加固樁，隨挖隨支，做好護(hù)壁，保持干燥狀態(tài);③開(kāi)挖到底后，下鋼筋籠，澆筑混凝土;④樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到90%后，才可進(jìn)行洞口成洞面開(kāi)挖。洞口成洞面開(kāi)挖分上下臺(tái)階預(yù)留核心土進(jìn)行，上臺(tái)階開(kāi)挖后，澆筑管棚套拱，施工管棚，期間必須確保套拱基礎(chǔ)穩(wěn)定，否則應(yīng)采取措施將套拱與預(yù)加固樁橫向連接，防止套拱下沉變形。下臺(tái)階及上臺(tái)階核心土開(kāi)挖后應(yīng)盡快完成洞口區(qū)域仰拱澆筑，形成預(yù)加固抗滑樁、管棚套拱、仰拱一個(gè)較完整的受力體系。

對(duì)于需要施作預(yù)加固抗滑樁的隧道洞口，作好邊、仰坡防排水，是防止邊、仰坡小型跨塌的關(guān)鍵。除了邊、仰坡外施工截水溝外，應(yīng)注意明確:①邊、仰坡除掛網(wǎng)噴混凝土外，必須施做排水孔;②排水孔長(zhǎng)度應(yīng)超過(guò)錨桿長(zhǎng)度，上密下疏，間距不小于2 m;③邊仰坡特別破碎含水及滑塌兆頭明顯地段，應(yīng)考慮設(shè)置支撐滲溝。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于施工過(guò)程中可能出滑塌的隧道洞口，提前施作預(yù)加固抗滑樁是一個(gè)理想方案，由于預(yù)加固抗滑樁基于補(bǔ)償機(jī)制設(shè)計(jì)，造價(jià)低，減少巖(土)體的滑移和坍塌效果明顯，能有效保證洞口的穩(wěn)定和施工安全，避免施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念在工程中的新運(yùn)用，可供工程設(shè)計(jì)人員參考。

［1］JTG D70－2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］關(guān)寶樹(shù).隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］JTG F60－2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范［S］.