山区公路隧道洞口临界边坡预平衡稳定控制结构及方法与流程

本发明属于施工方法领域，具体涉及一种山区公路隧道洞口临界边坡预平衡稳定控制结构及方法。

背景技术：

我国修建的部分山区公路隧道因规划要求，需要穿越高陡的临界边坡，设计规范强调按新奥法设计施工，但新奥法隐含适用条件是山体整体稳定，仅仅研究围岩稳定性问题。当山区公路隧道因规划要求，需要穿越洞口高陡临界边坡时，现有的设计施工往往忽视了洞口高陡边坡稳定性问题，有时造成洞口施工坍塌甚至伤亡事故。目前，有较多边坡滑坍风险的防治方法，如锚杆或锚索加固、抗滑桩支档、挖除滑移块卸载加固及延长明洞等。但这些方法都是在出现滑塌征兆或者事故之后才开始采取措施，此时修复不仅浪费人力财力，还容易引发二次事故。因此，在隧道修建的同时预先对洞口进行临界边坡预平衡稳定控制具有更重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决隧道洞口临界边坡岩体较差时容易发生隧道施工坍塌的问题，并提供一种山区公路隧道洞口临界边坡预平衡稳定控制方法，防止临界边坡设计与施工力学之间的稳定平衡问题出现偏差。

本发明所采用的具体技术方案如下：

山区公路隧道洞口临界边坡预平衡稳定控制结构，在待开挖隧道进出洞口的边坡背离山体一侧设置坡脚支护挡墙，在隧道洞顶的坡面上填土石方层，土石方层一侧搭接于坡脚支护挡墙上，由坡脚支挡结构提供侧向山体方向的支撑平衡力；所述的土石方层和/或坡脚支护挡墙底部通过锚杆锚固于山体中；待开挖隧道进出洞口的围岩中沿着隧道轮廓线外缘间隔打设有超前管棚，超前管棚中注满水泥砂浆，在隧道护拱位置处开挖的槽形基础上浇筑有钢筋混凝土护拱，超前管棚与护拱结合成整体作为隧道超前预支护结构。

高陡的临界边坡在隧道开挖过程中，容易造成原有的边坡力学平衡体系遭到破坏，而隧道开挖过程中，部分山体被挖除后会导致此处有足够的力支撑剩余山体的外扩，山体的作用力一方面会造成力学失稳造成边坡坍塌，另一方面会给长期后续建造的隧道施加侧向外扩力，久而久之导致隧道护拱等结构出现损伤甚至坍塌风险。本发明中，在隧道开挖之前通过纵向和侧向两方面对高陡临界边坡进行了预平衡稳定控制：一方面在隧道进出洞口处山体一侧设置了坡脚支护挡墙，并以坡脚支护挡墙为支撑在洞口上方覆盖土石方层，由此使土石方层在坡脚支挡结构提供的侧向山体方向的支撑平衡力的作用下，向新建隧道施加了阻止山体外扩的反向支撑力，使隧道处的山体形成力学平衡体系，控制洞口边坡滑坍风险；另一方面超前管棚+护拱支护零开挖进洞的预平衡稳定控制方案，进一步起到预先整体稳定洞口高陡临界边坡作用。经过上述预平衡稳定控制，隧道在开挖过程中即使边坡处于临界稳定状态，也能够保持受力平衡体系，不会出现坍塌风险。

作为优选，隧道轮廓线内的掌子面上开设有上下台阶，上台阶比下台阶超前，上下台阶均留有核心土；已开挖的隧道中设置有初期支护，用于承担全部围岩荷载。这种施工方法，使得隧道分部开挖支护施工接近设计要求的平面力学问题，减少对洞口高陡临界边坡的扰动作用，起到辅助稳定洞口高陡临界边坡作用。

作为优选，所述的坡脚支护挡墙采用抗滑挡墙或抗滑桩。

作为优选，所述的超前管棚外缘以2～10°倾角设置，钢管之间的间隔为45～55cm。

作为优选，所述的超前管棚直径为φ108～120mm。

作为优选，所述的初期支护包括钢架支撑以及混凝土层，其中所述的钢架支撑采用工字钢，沿隧道纵向每隔50～80cm间隔布设；所述的混凝土层厚15～30cm，由20～30号混凝土喷射于围岩表面而成。

作为优选，上台阶比下台阶超前1～3m。

作为优选，所述的土石方层上铺设种植土，用于种植绿化植被。

本发明的另一目的在于提供一种山区公路隧道洞口临界边坡预平衡稳定控制方法，包括如下步骤：

s1：在待开挖隧道进出洞口的边坡背离山体一侧设置坡脚支护挡墙，在隧道洞顶的坡面上填土石方层，土石方层一侧搭接于坡脚支护挡墙上，由坡脚支挡结构提供侧向山体方向的支撑力；所述的土石方层和/或坡脚支护挡墙底部通过锚杆锚固于山体中；

s2：在隧道洞口的围岩中，沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔45～55cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力给在超前管棚注满20号水泥砂浆；

s3：沿着预先设计的隧道护拱位置开挖槽形基础，预留洞口山体坡脚支挡，在槽形基础上浇筑钢筋混凝土护拱，使其与超前管棚结合成整体，形成隧道超前预支护结构；

s4：采用上下台阶法进行开挖且上下台阶均预留核心土，上台阶比下台阶超前1～3m，上下台阶平均每次进尺为1～2m；

s5：在隧道超前预支护的保护下，对已开挖的隧道纵向每隔50～80cm及时设置h180～h200工字钢作为钢架支撑并喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成用于承担全部围岩荷载的初期支护。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：通过在隧道洞口坡脚进行支挡反压实现力学平衡，配合超前管棚+护拱支护零开挖进洞的预平衡稳定控制方案，两者结合进一步起到预先整体稳定洞口高陡临界边坡作用，避免在隧道开挖过程中产生失稳风险。另外，采用短台阶预留核心土近似全断面施工方法，使得隧道的分部开挖支护施工接近平面力学问题，与隧道设计保持一致，在近似全断面的开挖方式下也能够保证隧道的围岩稳定。该方法还避免了初期钢支护中间节点薄弱环节的支护稳定性问题。相比于现有的针对临界稳定围岩隧道开挖的cd/crd法、多台阶法等，本发明能够大大提高施工效率。

附图说明

图1为本发明中隧道的立面示意图；

图2为隧道洞口高陡临界边坡支挡反压的预平衡稳定控制措施示意图；

图3为隧道洞口高陡临界边坡的超前管棚+护拱支护零开挖进洞的预平衡稳定控制方案；

图4为短台阶预留核心土近似全断面施工方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

某山岭隧道全长236m，其设计方案中需要穿越某坐山体，该隧道的出洞口处边坡高陡，处于临界稳定状态，直接开挖容易导致边坡坍塌。因此，需要在隧道开挖之前进行预平衡稳定控制施工。

为本实施例中，山区公路隧道洞口临界边坡预平衡稳定控制结构如图1～3所示。在待开挖隧道出洞口的边坡背离山体一侧设置坡脚支护挡墙，坡脚支护挡墙可采用抗滑挡墙或抗滑桩，方向与隧道延伸方向平行或垂直，用于与山体共同容纳土石方层。坡脚支护挡墙倾斜向山体一侧设置，土石方层填于隧道洞顶的坡面上，土石方层一侧搭接于坡脚支护挡墙上，靠近坡脚支护挡墙一侧厚度高于靠近山体一侧。土石方层和坡脚支护挡墙底部通过锚杆锚固于山体中，以增强稳定性。土石方层上可铺设50cm厚的种植土，用于种植绿化植被。坡脚支挡结构可以为土石方层提供朝向山体方向的支撑平衡力。待开挖隧道出洞口的围岩中沿着隧道轮廓线外缘以与水平面呈2～10°倾角间隔50cm打设有φ108～120mm超前管棚，超前管棚中注满水泥砂浆，在隧道护拱位置处开挖的槽形基础上浇筑有钢筋混凝土护拱，超前管棚与护拱结合成一个整体，作为隧道超前预支护结构。

在上述结构中，隧道顶部覆盖的土石方层向山体施加了阻止其外扩的压力，起到了反压的作用，使得在隧道开挖过程中，边坡依然能够保持稳定，且隧道建成后也不会长期受到山体外扩力的作用。土石方层的厚度需要通过力学计算获得，尽量保证隧道开挖后，其顶部护拱承受竖直向下的压力，避免受到侧向力。

对于部分稳定性较差的隧道，经过上述临界边坡预平衡稳定控制后，在隧道开挖过程中仍然要设计能够尽可能保持边坡稳定的洞内掘进结构。本实施例中，隧道轮廓线内的掌子面上开设有上下台阶，上台阶比下台阶超前1～3m，上下台阶均留有核心土；已开挖的隧道中设置有初期支护，用于承担全部围岩荷载。初期支护包括钢架支撑以及混凝土层，其中钢架支撑采用工字钢，沿隧道纵向每隔50～80cm间隔布设；混凝土层厚15～30cm，由20～30号混凝土喷射于围岩表面而成。

下面本发明还提供了一种实现上述结构的山区公路隧道洞口临界边坡预平衡稳定控制方法，包括如下步骤：

(1)先采用坡脚支挡反压的预平衡稳定控制措施，起到稳定洞口高陡临界边坡作用，如图2所示。

该步骤中，首先需要根据隧道洞口边坡地质勘测资料，确定隧道洞口高陡临界边坡的坡脚支挡反压的预平衡稳定控制措施(包括采用抗滑挡墙还是抗滑桩、土石方层的厚度)以及范围(平面和立面方向坡脚支护挡墙的尺寸、土石方层的覆盖区域等)。然后按照上述确定的参数进行施工，形成如图1～3所示的结构，确保预先起到整体稳定洞口高陡临界边坡作用。

(2)再采用超前管棚+护拱支护零开挖进洞的预平衡稳定控制方案，进一步起到预先整体稳定洞口高陡临界边坡作用，如图3所示。

(2.1)在隧道洞口的围岩中，按照设计要求沿着隧道轮廓线外缘以2～10°倾角，每隔50cm间距，打设φ108～120mm超前管棚，以5～8pa压力给在超前管棚注满20号水泥砂浆，形成大管棚支护结构。

(2.2)按照设计要求沿着隧道护拱位置开挖槽形基础，预留洞口山体坡脚支挡，在槽形基础上浇筑钢筋混凝土护拱，使其与超前管棚结合成整体，形成隧道超前强预支护。

步骤(1)和(2)两者结合，进一步起到预先整体稳定洞口高陡临界边坡作用。隧道的出洞口可以考虑设置抗滑的端墙式洞门。

(3)采用缩短隧道分部开挖支护施工纵向长度的短台阶预留核心土近似全断面施工方法，使得隧道分部开挖支护施工接近设计要求的平面力学问题，减少对洞口高陡临界边坡的扰动作用，起到辅助稳定洞口高陡临界边坡作用，如图4所示。当隧道施工过程中掌子面临界稳定，因此本实施例中采用短台阶预留核心土近似全断面施工方法，具体施工方法如下：

(3.1)在隧道超前强预支护的保护下，采用短台阶且上下台均预留核心土，上台阶比下台阶超前1～3m，上下台阶循环掘进，平均每次进尺1～2m。由于每次掘进距离较短，使得隧道分部开挖支护施工接近隧道设计时的平面力学问题，在预平衡稳定控制的基础上进一步减少了对洞口高陡临界边坡的扰动作用，起到辅助稳定洞口高陡临界边坡作用。

(3.2)在隧道超前强预支护的保护下，对已开挖的隧道纵向每隔50～80cm及时设置h180～h200工字钢作为钢架支撑并喷射15～30cm厚的20～30号混凝土，形成强初期支护并承担全部荷载，确保隧道结构施工过程稳定平衡。

本发明在隧道新建施工前就采用上述3个连环的预平衡稳定控制步骤，大大增强了洞口高陡边坡稳定性，使得在临界稳定的边坡中依然可以安全、高效地完成隧道的开挖工作，还避免了初期钢支护中间节点薄弱环节的支护稳定性问题。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。