复杂地形条件下桥隧相连隧道洞口结构设计研究

来源：SCI期刊网 分类：建筑论文 时间：2022-04-14 09:26 热度：

　　摘要: 蒙华铁路坪桥 1 号隧道进口洞顶基岩外凸、洞顶以下岩面高且直立、洞顶上部地形偏压高陡，地形条件极其复杂。营盘山大桥与坪桥 1 号隧道进口紧密相连，存在桥台与隧道洞门结构相互干扰以及边坡防护、隧道出洞和洞口场地布置等一系列难题，设计难度极大。为解决这些难题，通过对现场实际地形、地质情况进行研究，对比分析“整体式”与“分离式”桥隧相连结构的优缺点，提出桥台与隧道相结合的“整体式”桥隧相连结构方案; 同时，针对地形偏压高陡，提出非对称结构设计方案，实现了隧道“零”仰坡出洞，解决了洞口边坡防护的难题; 最后，提出架立临时贝雷梁的方案，解决了隧道出洞及洞口场地布置的难题。

　　关键词: 桥隧相连; 隧道洞口; 整体式; 分离式; 边坡防护; 砂岩

　　0 引言

　　随着我国铁路、公路等陆上交通事业在山岭地区的蓬勃发展，交通线路中的桥梁、隧道占比越来越重，桥隧相连现象越来越普遍。国内对桥隧相连的研究多集中在桥隧相连结构型式、理论研究和工程案例等方面。铁路方面，赵志明等[1]根据地形特点的不同，将桥隧相接分为缓坡桥 + 路基 + 隧道、陡坡桥 + 隧道直接相连 2 种形式; 李冬生等[2]根据桥梁台尾与隧道洞口或缺口之间的关系，将桥隧相连工程分为串接和对接 2 类，并提出了分离式桥隧串接洞门型式的概念; 张剑[3]对西成客专桥台伸入隧道的桥隧相连结构及排水系统设计等概况进行了介绍。公路方面，王晓宇[4]总结了山区公路桥隧相接工程适用条件: 高差悬殊、地质构造复杂、山体陡峭和场地受限等。王晓宇[4]、白浩等[5]将桥隧相接结构分为桥梁伸入隧道、隧道洞口进行桥台处理、隧道采用反削竹式洞门支撑于桥梁等型式。张文涛[6]、薛杰[7]等对桥台伸入隧道的桥隧相连段进行了施工力学研究。施成华等[8]对隧道洞口段桥隧相连结构静动力特性的影响因素进行了分析。曹校勇等[9]、王正辉[10]等对具体桥隧相连实施情况进行了技术总结，提出了实施过程中出现的问题、难点和教训。李兵兵[11]、唐卫华[12]等从桥台施工、隧道爆破开挖和坡体长期风化 3 方面入手，分析了洞口高边坡稳定性的影响机制，并提出了相应的防护措施。

　　虽然我国在铁路、公路桥隧相连设计、施工中取得了长足进步，但对地形条件更加复杂的山岭地区桥隧相连的设计和施工研究得还不是很充分，仍然存在着一定局限性，对于地形极其复杂且特殊的山岭地区适用性相对较小，也很少对桥隧相连段落在相连结构、隧道进出洞、边坡防护、排水系统和施工情况等方面进行较为系统的深入研究。同时，桥隧相连也未引起广大设计和施工人员的足够重视，造成复杂桥隧相连段落施工过程中发生了较多不应有的困难。本文通过对地形条件极其复杂的山岭地区桥隧相连进行系统设计研究，以期提高对同类地形条件下桥隧相连工程设计的认知水平。

　　1 工程概况

　　新建蒙西至华中铁路煤运通道工程坪桥 1 号隧道全长 1 427. 6 m，为单洞双线隧道，设计行车时速 120 km / h，最大埋深约 177 m。

　　该隧道位于陕北黄土高原梁峁区，沿线冲沟发育，地形起伏较大，地表植被发育。

　　坪桥 1 号隧道进口自地表以下地层依次为第四系上更新统风积( Qeol 3 ) 砂质新黄土、白垩系下统洛河组全—强风化( K1 l) 砂岩，节理裂隙发育，为软岩，岩层产状平缓。

　　隧道进口处基岩陡峭，隧道上部岩体外凸，正面呈 “负”地形，发育危岩，洞顶以下山体近似直立，洞顶距沟底高差 35 ～ 40 m; 洞口等高线与线路斜交，地形偏压，地势左高右低。

　　营盘山大桥三门峡端桥台伸入“负”地 形 山 体中，与坪桥 1 号隧道进口桥隧相连，桥台台尾里程为 DK281 + 866. 50，承台尺寸 10. 6 m × 14. 6 m( 横向 × 纵向) ，高 3. 0 m，承台底部设置 1. 5 m 钻孔灌注桩基础。

　　坪桥 1 号隧道进口地形陡峭且偏压，为保证隧道运营安全，隧道结构应尽可能向洞外方向延长，将营盘山大桥桥台包含在隧道结构以内，形成桥隧相连结构。

　　桥隧相连段桥台地形及纵断面如图 1 和图 2 所示。

　　2 桥隧相连结构型式比选

　　目前，常规桥隧相连结构型式主要分为“整体式” 和“分离式”2 种[2]，以本洞口为例，分别进行断面设计，具体如图 3 和图 4 所示。

　　从图 3 和图 4 可以看出，“分离式”桥隧相连结构型式采取明挖法施工，桥台和隧道结构互不干扰，隧道衬砌结构施作在桩基冠梁上部; 而“整体式”桥隧相连结构型式采取暗挖法施工，隧道结构断面加宽加高，并将桥梁承台兼作隧道底板使用，承台底部桥梁桩基保留。

　　根据坪桥 1 号隧道进口桥隧相连段现场地形和地质条件，对比分析“整体式”与“分离式”2 种桥隧相连结构型式，可知:

　　1) “分离式”桥隧相连方案中，隧道衬砌、桥台结构以及隧道结构底部桩基冠梁平台，均需“明挖”。由于仰坡土体为松散风积砂质新黄土及全风化砂岩，地层稳定性较差，洞口放坡开挖后，仰坡极其高陡，且开挖仰坡相当于破坏砂质新黄土和全风化砂岩坡脚，易引起山体溜塌或滑坡，施工及运营期间安全问题难以保证; 整体式桥隧相连结构为暗挖施工，不扰动隧道洞口周边山体，达到“零”仰坡进出洞，保持山体坡面的自然稳定性。

　　2) “分离式”桥隧相连结构方案施工时，明暗分界处直立面较高，达到 12. 4 m，不利于洞口施工时山体稳定，存在较大安全隐患; 而“整体式”桥隧相连结构方案通过洞内分部开挖施工，不存在明暗分界直立面问题。

　　3) 受洞口地形限制，洞顶地形陡峭，施工便道开辟极其困难，“分离式”桥隧相连结构方案施工机械难以进入，边仰坡开挖及防护等施工困难，而“整体式” 桥隧相连方案不扰动边仰坡，无此施工困难。

　　因此，根据以上分析，坪桥 1 号隧道进口与营盘山大桥桥台采取“整体式”暗挖方案。

　　“整体式”桥隧相连主要结构措施及参数如下:

　　1) 桥台伸入隧道内，且桥梁承台兼作隧道底板。隧道断面加宽加高，调整断面后隧道二次衬砌内净空横向最大跨度为 13. 3 m，竖向最大净高为 13. 85 m。

　　2) 扩大断面暗洞结构采用双层初期支护，外层初期支护厚 35 cm，采用 H230 格栅钢架; 内层初期支护厚 25 cm，采用 H180 格栅钢架。2 种钢架交替布置。

　　3) 初期支护边墙砂岩范围设自进式锚杆，锚杆长 6 m，间距 1. 5 m × 1. 5 m，梅花形布置。

　　4) 二次衬砌拱墙厚度 70 cm，底板按照桥梁承台 3 m 厚度考虑。

　　5) “整体式”桥隧相连结构详见图 4。

　　3 洞口处理措施

　　洞口桥隧相连结构断面大，且地形高陡且偏压，为保证隧道施工安全，采用出口单口掘进，进口作为隧道出洞洞口。

　　3. 1 洞口结构设计

　　为保证隧道出洞不刷边仰坡，隧道出口采取护拱暗挖法施工。

　　由于洞口横向地形偏压，隧道底部为近似直立的强风化砂岩岩面，为保证隧道结构基底不出现悬空现象，同时也为了避免洞口左侧不刷坡，隧道结构横向两侧端头伸出隧道长度在线路方向上应不对称设置，由于左侧地形伸出山体较右侧多，因此，洞口左侧结构向洞外方向延伸长度较多。

　　隧道二次衬砌底板兼作桥梁承台，因隧道基底地层为强风化砂岩，为软岩，地基承载力为 400 kPa，因此承台底部仍采取钻孔灌注桩加固。

　　结合以上分析，隧道洞口段采取以下结构措施:

　　1) DK281 + 849. 98 ～ + 860 段采用护拱暗挖法施工。其中，为防止洞顶水直接排入隧道洞口，DK281 + 854. 77 ～ + 855. 77 段初期支护外设置 1 m × 1 m( 宽 × 高) 帽檐结构，帽檐与护拱同时施作; 同时洞顶局部滞水地貌采用混凝土回填并引排的方式处理。

　　2) DK281 + 851. 77 ～ + 869. 37 段，共 17. 6 m，采用扩大断面的“整体式”桥隧相连结构。其中，DK 281 + 854. 77 ～ + 869. 37 段共 14. 6 m 结构横断面为对称结构; DK281 + 849. 98 ～ + 854. 77 为斜交结构，以防止洞口左侧边坡刷方。

　　3) 为便于施工操作，扩大断面与标准断面衔接处设置 3 m 渐变段，DK281 + 869. 37 ～ + 872. 37 段开挖轮廓线及初期支护由标准断面逐渐变为扩大断面，二次衬砌采用标准隧道结构断面形式，初期支护与二次衬砌间空隙采用等级相同的混凝土填充。

　　4) 施作桥台桩基础时，需破除初期支护底板局部钢架，破除的钢架端头纵向采用型钢钢架连接，拆除后形成矩形封闭钢架结构; 桩基础结构边缘预留 10 cm 操作空间。

　　5) 扩大暗洞与正常暗洞交汇处设置钢筋混凝土堵头墙，堵头墙纵向宽度 1 m，施作于扩大暗洞范围内。洞口结构设计详见图 5—7，初期支护底板破除详见图 8。

　　3. 2 施工工法

　　桥隧相连段埋深较浅，洞顶砂质新黄土及白垩系砂岩均为软弱围岩，洞内施工工法应尽量减小对地表地层的扰动，减少地表下沉。

　　桥隧相连扩大断面暗洞段采用交叉中隔壁法施工。施工前，需在掌子面拱部 120°范围和上导中间部位施作超前小导管，小导管采用 42 mm、厚 3. 5 mm 的钢管，环向间距 40 cm，单根长 3. 5 m，纵向每 1. 8 m 施作一环。

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　　交叉中隔壁法共设置 4 级台阶，第 1、2 级台阶设置临时仰拱，隧道中间设置临时中隔墙，临时仰拱及中隔墙均采用 I22a 型钢，钢架纵向结合外层初期支护钢架设置，喷射 28 cm 厚 C25 混凝土。

　　交叉中隔壁法具体如图 9 所示，图中依次按照 ①—⑧的顺序开挖并及时进行初期支护、临时仰拱及临时中隔壁的施工。

　　3. 3 洞口排水

　　坪桥 1 号隧道进口为隧道低端洞口，隧道内水汇集到桥台台后洞口检查井后，通过横向检查通道及纵向排水暗管引出洞外。洞外排水暗管采用 0. 3 m PVC 排水管，紧贴崖壁按台阶状迂回设置，外层包裹橡塑保温板保温，排水暗管采用弧形钢筋网固定于崖壁，外表面喷射混凝土包裹。

　　3. 4 坡面防护

　　桥台下部为深冲沟，为防止桥台底部砂岩风化以及受坡面流水侵蚀，桥台底部自然裸露坡面采用锚网喷防护封闭，锚杆采用 22 砂浆锚杆，长度 6 m，间距 1. 5 m × 1. 5 m，梅花形布置; 喷射混凝土采用 15 cm 厚 C25 网喷混凝土; 钢筋网采用 8 mm 钢筋，网格间距 25 cm × 25 cm。

　　桥台下部冲深沟常年有水，为避免河水冲刷沟底坡面，沿沟底平行坡面施作 1 排 1. 0 m 防护桩，防护桩与山体坡面间采用混凝土填充。

　　3. 5 施工场地布置

　　营盘山大桥浩方台—3# 墩现浇梁浇筑完毕，在 3# 墩至三方台搭设贝雷梁钢管支架，一端搭设在 3# 墩承台支架上，一端搭设在三方台台前防护墙双排钢管立柱上。贝雷梁上铺设工字钢，间距 40 cm，在其上铺设 6 mm 钢板，通过爬梯上下人，形成通往洞口平台，该平台只负责过人，不允许上大型设备。

　　坪桥 1 号隧道进口洞外施工，通过已“临时”铺架完成的桥梁，作为隧道洞口操作平台及与洞外联系的通道，如图 10 所示。

　　4 施工工序

　　1) 施作截水天沟。

　　2) 施作洞顶护拱结构。

　　3) 隧道自出口向进口方向暗挖出洞，到桥隧相连段时，施工工法改为交叉中隔壁法，施工中及时施作临时仰拱及临时竖撑。

　　4) 待暗挖结束后，拆除临时仰拱及临时中隔墙。

　　5) 局部破除初期支护仰拱，施作桥梁桩基础。

　　6) 施作隧道仰拱，仰拱与桥台桩基础相接。

　　7) 浇筑营盘山大桥三方台。

　　8) 搭设钢管贝雷架，施工箱梁。

　　9) 搭设满堂支架，浇筑二次衬砌。

　　5 施工注意事项

　　1) 桥隧相连暗洞段断面大，施工过程中，加强地表沉降、洞内初期支护及中隔墙变形等的监控量测工作。

　　2) 白垩系砂岩岩质较软，扩大暗洞施工时，严禁超挖，逐榀开挖。

　　3) 隧道开挖，尤其是上台阶开挖，尽可能采用机械开挖，减少对围岩的扰动。

　　4) 隧道出洞开挖时，对洞口下方应采取防护措施，避免落石伤及下方行人。

　　5) 隧道出洞段洞内施工设备操作较困难，安全风险较大，施工中应提前筹划，制定施工组织，保证施工安全。

　　6) 桥桩基础施工时，应尽可能减少震动，减少对隧道支护的影响。

　　6 结论与体会

　　通过对坪桥 1 号隧道进口特殊的复杂地形条件及桥台结构特点进行分析，并深入对比“分离式”与“整体式”桥隧相连结构的优缺点，在秉承隧道洞口工程 “早进晚出”的原则基础上，形成了采取不对称整体式 桥隧相连结构、护拱暗挖和交叉中隔壁法施工等措施，有效解决了坪桥 1 号隧道进口在出洞方面的设计难题，确保了施工安全; 同时，还介绍了明确采取整体式桥隧相连结构后，存在的桥隧基础、桥台桩基施工、隧道洞口排水、坡面防护和洞口施工场地等一系列的桥隧相连段设计难题及其解决方案，完善了坪桥 1 号隧道进口处整体式桥隧相连的设计。

　　通过对坪桥 1 号隧道进口桥隧相连的设计研究，有以下体会:

　　1) 线路选线时，应将隧道洞口尽可能选择在场地宽阔地段，尽量避免复杂桥隧相连情况的出现。

　　2) 桥隧相连一般都位于陡峭地形地段，地形条件一般较差，桥梁与隧道设计时，应加强专业间的协调，桥台台尾里程尽可能外移，为隧道进出洞提供条件。

　　3) 桥隧相连段隧道洞口设计，应坚持“早进晚出” 的原则，采取护拱暗挖等措施对隧道仰坡“零”刷方、对仰坡地层“零”扰动。

　　4) 隧道洞口施工时，施工场地及便道的设置应考虑隧道洞口边坡稳定性的影响，尽可能采取回填创造场地、钢便桥等方式，尽量避免施工场地及便道破坏洞口段原地形，从而避免对桥隧相连段边仰坡产生不利影响。

　　在山岭地区铁路、公路工程中，不同的桥隧相连工点均具备不同的地形、地质及桥隧结构型式等特点，单一的桥隧相连结构型式不能完全适用于这些特殊的桥隧段落。因此，桥隧相连的设计应因地制宜，结合地形、地质、桥隧结构和施工难度等进行综合的设计研究，确保施工的顺利进行，为铁路、公路的顺利运营提供保障。——论文作者：万俊峰1 ，李冬生2

文章名称：复杂地形条件下桥隧相连隧道洞口结构设计研究

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