本發(fā)明屬于施工方法領(lǐng)域，具體涉及一種山區(qū)公路隧道洞口臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)及方法。

背景技術(shù)：

我國修建的部分山區(qū)公路隧道因規(guī)劃要求，需要穿越高陡的臨界邊坡，設(shè)計規(guī)范強調(diào)按新奧法設(shè)計施工，但新奧法隱含適用條件是山體整體穩(wěn)定，僅僅研究圍巖穩(wěn)定性問題。當(dāng)山區(qū)公路隧道因規(guī)劃要求，需要穿越洞口高陡臨界邊坡時，現(xiàn)有的設(shè)計施工往往忽視了洞口高陡邊坡穩(wěn)定性問題，有時造成洞口施工坍塌甚至傷亡事故。目前，有較多邊坡滑坍風(fēng)險的防治方法，如錨桿或錨索加固、抗滑樁支檔、挖除滑移塊卸載加固及延長明洞等。但這些方法都是在出現(xiàn)滑塌征兆或者事故之后才開始采取措施，此時修復(fù)不僅浪費人力財力，還容易引發(fā)二次事故。因此，在隧道修建的同時預(yù)先對洞口進行臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制具有更重要的現(xiàn)實意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決隧道洞口臨界邊坡巖體較差時容易發(fā)生隧道施工坍塌的問題，并提供一種山區(qū)公路隧道洞口臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制方法，防止臨界邊坡設(shè)計與施工力學(xué)之間的穩(wěn)定平衡問題出現(xiàn)偏差。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

山區(qū)公路隧道洞口臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)，在待開挖隧道進出洞口的邊坡背離山體一側(cè)設(shè)置坡腳支護擋墻，在隧道洞頂?shù)钠旅嫔咸钔潦綄?，土石方層一?cè)搭接于坡腳支護擋墻上，由坡腳支擋結(jié)構(gòu)提供側(cè)向山體方向的支撐平衡力；所述的土石方層和/或坡腳支護擋墻底部通過錨桿錨固于山體中；待開挖隧道進出洞口的圍巖中沿著隧道輪廓線外緣間隔打設(shè)有超前管棚，超前管棚中注滿水泥砂漿，在隧道護拱位置處開挖的槽形基礎(chǔ)上澆筑有鋼筋混凝土護拱，超前管棚與護拱結(jié)合成整體作為隧道超前預(yù)支護結(jié)構(gòu)。

高陡的臨界邊坡在隧道開挖過程中，容易造成原有的邊坡力學(xué)平衡體系遭到破壞，而隧道開挖過程中，部分山體被挖除后會導(dǎo)致此處有足夠的力支撐剩余山體的外擴，山體的作用力一方面會造成力學(xué)失穩(wěn)造成邊坡坍塌，另一方面會給長期后續(xù)建造的隧道施加側(cè)向外擴力，久而久之導(dǎo)致隧道護拱等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷甚至坍塌風(fēng)險。本發(fā)明中，在隧道開挖之前通過縱向和側(cè)向兩方面對高陡臨界邊坡進行了預(yù)平衡穩(wěn)定控制：一方面在隧道進出洞口處山體一側(cè)設(shè)置了坡腳支護擋墻，并以坡腳支護擋墻為支撐在洞口上方覆蓋土石方層，由此使土石方層在坡腳支擋結(jié)構(gòu)提供的側(cè)向山體方向的支撐平衡力的作用下，向新建隧道施加了阻止山體外擴的反向支撐力，使隧道處的山體形成力學(xué)平衡體系，控制洞口邊坡滑坍風(fēng)險；另一方面超前管棚+護拱支護零開挖進洞的預(yù)平衡穩(wěn)定控制方案，進一步起到預(yù)先整體穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用。經(jīng)過上述預(yù)平衡穩(wěn)定控制，隧道在開挖過程中即使邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，也能夠保持受力平衡體系，不會出現(xiàn)坍塌風(fēng)險。

作為優(yōu)選，隧道輪廓線內(nèi)的掌子面上開設(shè)有上下臺階，上臺階比下臺階超前，上下臺階均留有核心土；已開挖的隧道中設(shè)置有初期支護，用于承擔(dān)全部圍巖荷載。這種施工方法，使得隧道分部開挖支護施工接近設(shè)計要求的平面力學(xué)問題，減少對洞口高陡臨界邊坡的擾動作用，起到輔助穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用。

作為優(yōu)選，所述的坡腳支護擋墻采用抗滑擋墻或抗滑樁。

作為優(yōu)選，所述的超前管棚外緣以2～10°傾角設(shè)置，鋼管之間的間隔為45～55cm。

作為優(yōu)選，所述的超前管棚直徑為φ108～120mm。

作為優(yōu)選，所述的初期支護包括鋼架支撐以及混凝土層，其中所述的鋼架支撐采用工字鋼，沿隧道縱向每隔50～80cm間隔布設(shè)；所述的混凝土層厚15～30cm，由20～30號混凝土噴射于圍巖表面而成。

作為優(yōu)選，上臺階比下臺階超前1～3m。

作為優(yōu)選，所述的土石方層上鋪設(shè)種植土，用于種植綠化植被。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種山區(qū)公路隧道洞口臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制方法，包括如下步驟：

s1：在待開挖隧道進出洞口的邊坡背離山體一側(cè)設(shè)置坡腳支護擋墻，在隧道洞頂?shù)钠旅嫔咸钔潦綄?，土石方層一?cè)搭接于坡腳支護擋墻上，由坡腳支擋結(jié)構(gòu)提供側(cè)向山體方向的支撐力；所述的土石方層和/或坡腳支護擋墻底部通過錨桿錨固于山體中；

s2：在隧道洞口的圍巖中，沿著隧道輪廓線外緣以2～10°傾角，每隔45～55cm間距，打設(shè)φ108～120mm超前管棚，以5～8pa壓力給在超前管棚注滿20號水泥砂漿；

s3：沿著預(yù)先設(shè)計的隧道護拱位置開挖槽形基礎(chǔ)，預(yù)留洞口山體坡腳支擋，在槽形基礎(chǔ)上澆筑鋼筋混凝土護拱，使其與超前管棚結(jié)合成整體，形成隧道超前預(yù)支護結(jié)構(gòu)；

s4：采用上下臺階法進行開挖且上下臺階均預(yù)留核心土，上臺階比下臺階超前1～3m，上下臺階平均每次進尺為1～2m；

s5：在隧道超前預(yù)支護的保護下，對已開挖的隧道縱向每隔50～80cm及時設(shè)置h180～h200工字鋼作為鋼架支撐并噴射15～30cm厚的20～30號混凝土，形成用于承擔(dān)全部圍巖荷載的初期支護。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，具有以下有益效果：通過在隧道洞口坡腳進行支擋反壓實現(xiàn)力學(xué)平衡，配合超前管棚+護拱支護零開挖進洞的預(yù)平衡穩(wěn)定控制方案，兩者結(jié)合進一步起到預(yù)先整體穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用，避免在隧道開挖過程中產(chǎn)生失穩(wěn)風(fēng)險。另外，采用短臺階預(yù)留核心土近似全斷面施工方法，使得隧道的分部開挖支護施工接近平面力學(xué)問題，與隧道設(shè)計保持一致，在近似全斷面的開挖方式下也能夠保證隧道的圍巖穩(wěn)定。該方法還避免了初期鋼支護中間節(jié)點薄弱環(huán)節(jié)的支護穩(wěn)定性問題。相比于現(xiàn)有的針對臨界穩(wěn)定圍巖隧道開挖的cd/crd法、多臺階法等，本發(fā)明能夠大大提高施工效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中隧道的立面示意圖；

圖2為隧道洞口高陡臨界邊坡支擋反壓的預(yù)平衡穩(wěn)定控制措施示意圖；

圖3為隧道洞口高陡臨界邊坡的超前管棚+護拱支護零開挖進洞的預(yù)平衡穩(wěn)定控制方案；

圖4為短臺階預(yù)留核心土近似全斷面施工方法示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步闡述和說明。

某山嶺隧道全長236m，其設(shè)計方案中需要穿越某坐山體，該隧道的出洞口處邊坡高陡，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，直接開挖容易導(dǎo)致邊坡坍塌。因此，需要在隧道開挖之前進行預(yù)平衡穩(wěn)定控制施工。

為本實施例中，山區(qū)公路隧道洞口臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。在待開挖隧道出洞口的邊坡背離山體一側(cè)設(shè)置坡腳支護擋墻，坡腳支護擋墻可采用抗滑擋墻或抗滑樁，方向與隧道延伸方向平行或垂直，用于與山體共同容納土石方層。坡腳支護擋墻傾斜向山體一側(cè)設(shè)置，土石方層填于隧道洞頂?shù)钠旅嫔?，土石方層一?cè)搭接于坡腳支護擋墻上，靠近坡腳支護擋墻一側(cè)厚度高于靠近山體一側(cè)。土石方層和坡腳支護擋墻底部通過錨桿錨固于山體中，以增強穩(wěn)定性。土石方層上可鋪設(shè)50cm厚的種植土，用于種植綠化植被。坡腳支擋結(jié)構(gòu)可以為土石方層提供朝向山體方向的支撐平衡力。待開挖隧道出洞口的圍巖中沿著隧道輪廓線外緣以與水平面呈2～10°傾角間隔50cm打設(shè)有φ108～120mm超前管棚，超前管棚中注滿水泥砂漿，在隧道護拱位置處開挖的槽形基礎(chǔ)上澆筑有鋼筋混凝土護拱，超前管棚與護拱結(jié)合成一個整體，作為隧道超前預(yù)支護結(jié)構(gòu)。

在上述結(jié)構(gòu)中，隧道頂部覆蓋的土石方層向山體施加了阻止其外擴的壓力，起到了反壓的作用，使得在隧道開挖過程中，邊坡依然能夠保持穩(wěn)定，且隧道建成后也不會長期受到山體外擴力的作用。土石方層的厚度需要通過力學(xué)計算獲得，盡量保證隧道開挖后，其頂部護拱承受豎直向下的壓力，避免受到側(cè)向力。

對于部分穩(wěn)定性較差的隧道，經(jīng)過上述臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制后，在隧道開挖過程中仍然要設(shè)計能夠盡可能保持邊坡穩(wěn)定的洞內(nèi)掘進結(jié)構(gòu)。本實施例中，隧道輪廓線內(nèi)的掌子面上開設(shè)有上下臺階，上臺階比下臺階超前1～3m，上下臺階均留有核心土；已開挖的隧道中設(shè)置有初期支護，用于承擔(dān)全部圍巖荷載。初期支護包括鋼架支撐以及混凝土層，其中鋼架支撐采用工字鋼，沿隧道縱向每隔50～80cm間隔布設(shè)；混凝土層厚15～30cm，由20～30號混凝土噴射于圍巖表面而成。

下面本發(fā)明還提供了一種實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的山區(qū)公路隧道洞口臨界邊坡預(yù)平衡穩(wěn)定控制方法，包括如下步驟：

(1)先采用坡腳支擋反壓的預(yù)平衡穩(wěn)定控制措施，起到穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用，如圖2所示。

該步驟中，首先需要根據(jù)隧道洞口邊坡地質(zhì)勘測資料，確定隧道洞口高陡臨界邊坡的坡腳支擋反壓的預(yù)平衡穩(wěn)定控制措施(包括采用抗滑擋墻還是抗滑樁、土石方層的厚度)以及范圍(平面和立面方向坡腳支護擋墻的尺寸、土石方層的覆蓋區(qū)域等)。然后按照上述確定的參數(shù)進行施工，形成如圖1～3所示的結(jié)構(gòu)，確保預(yù)先起到整體穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用。

(2)再采用超前管棚+護拱支護零開挖進洞的預(yù)平衡穩(wěn)定控制方案，進一步起到預(yù)先整體穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用，如圖3所示。

(2.1)在隧道洞口的圍巖中，按照設(shè)計要求沿著隧道輪廓線外緣以2～10°傾角，每隔50cm間距，打設(shè)φ108～120mm超前管棚，以5～8pa壓力給在超前管棚注滿20號水泥砂漿，形成大管棚支護結(jié)構(gòu)。

(2.2)按照設(shè)計要求沿著隧道護拱位置開挖槽形基礎(chǔ)，預(yù)留洞口山體坡腳支擋，在槽形基礎(chǔ)上澆筑鋼筋混凝土護拱，使其與超前管棚結(jié)合成整體，形成隧道超前強預(yù)支護。

步驟(1)和(2)兩者結(jié)合，進一步起到預(yù)先整體穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用。隧道的出洞口可以考慮設(shè)置抗滑的端墻式洞門。

(3)采用縮短隧道分部開挖支護施工縱向長度的短臺階預(yù)留核心土近似全斷面施工方法，使得隧道分部開挖支護施工接近設(shè)計要求的平面力學(xué)問題，減少對洞口高陡臨界邊坡的擾動作用，起到輔助穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用，如圖4所示。當(dāng)隧道施工過程中掌子面臨界穩(wěn)定，因此本實施例中采用短臺階預(yù)留核心土近似全斷面施工方法，具體施工方法如下：

(3.1)在隧道超前強預(yù)支護的保護下，采用短臺階且上下臺均預(yù)留核心土，上臺階比下臺階超前1～3m，上下臺階循環(huán)掘進，平均每次進尺1～2m。由于每次掘進距離較短，使得隧道分部開挖支護施工接近隧道設(shè)計時的平面力學(xué)問題，在預(yù)平衡穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)上進一步減少了對洞口高陡臨界邊坡的擾動作用，起到輔助穩(wěn)定洞口高陡臨界邊坡作用。

(3.2)在隧道超前強預(yù)支護的保護下，對已開挖的隧道縱向每隔50～80cm及時設(shè)置h180～h200工字鋼作為鋼架支撐并噴射15～30cm厚的20～30號混凝土，形成強初期支護并承擔(dān)全部荷載，確保隧道結(jié)構(gòu)施工過程穩(wěn)定平衡。

本發(fā)明在隧道新建施工前就采用上述3個連環(huán)的預(yù)平衡穩(wěn)定控制步驟，大大增強了洞口高陡邊坡穩(wěn)定性，使得在臨界穩(wěn)定的邊坡中依然可以安全、高效地完成隧道的開挖工作，還避免了初期鋼支護中間節(jié)點薄弱環(huán)節(jié)的支護穩(wěn)定性問題。

以上所述的實施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。