隧道出洞的设计研究与应用

２０１５年３月　第３期（总１９８）　铁道工程学报　Ｍａｒ　２０１５　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｓ０ＣＩＥＴＹ　ＮＯ．３（Ｓｅｒ．１９８）　文章编号：１００６—２１０６（２０１５）０３—００７３—０４　隧道出洞的设计研究与应用　徐加民料　（北京市市政工程设计研究总院，　北京１０００８２）　摘要：研究目的：受地形、工程地质等环境条件的不利影响，隧道工程洞口段的围岩相对稳定性较差，施工难度　和风险较大，一般采用由外而内进洞的设计、施工方式，由内而外出洞的设计鲜有资料。本文结合具体工程案　例进行隧道工程出洞的设计研究，能较好地实现隧道工程的出洞施工，并提出隧道出洞的设计方法，总结其优　势及应用推广价值，供广大设计与施工者参考。　研究结论：（１）隧道出洞设计需要研究洞口位置及洞门设计、施工方案、结构设计、辅助工程措施、洞口坡　面处理等方面；（２）应用在工程实例中，验证了隧道出洞设计方案的可行和可靠，取得良好的社会、经济效益；　（３）该隧道出洞方案具有优势及应用推广价值，尤其适用于中、短隧道或一端不利于进洞施工的隧道。　关键词：隧道；出洞；设计；方案；研究；措施；应用　中图分类号：Ｕ２５；Ｕ４５　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｅｘｉｔ　Ｔｕｎｎｅｌ　ＸＵ　Ｊｉａ—ｍｉｎ　（Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｔｅｒｒａｉｎ　ａｎｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｒｔａｌ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｓ　ｐｏｏｒｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｉｉｃｕｌｔｙ　ａｎｄ　ｔｆｈｅ　ｒｉｓｋ　ｉｓ　ｂｉｇｇｅｒ，ｔｈｅ　ｗａｙ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｎｔｒａｎｃｅ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｓｉｄｅ　ｉｓ　ｇｅｎｅｒａｌｌｙ　ｕｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｌｉｔｔｌｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｘｉｔ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｉｎｓｉｄｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｕｔｓｉｄｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃａｓｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｂｅｔｔｅｒ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｅｘｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｘｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｉｔｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ，ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｏｒ．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：（１）Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｘｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｈｏｌｅ　ｌｏｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｐｏｒｔａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｉｄｅｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｈｏｌｅ　ｓｌｏｐｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｅｔｃ．（２）Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｖｅｒｉｆｉｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｅｘｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅｓ　ｇｏｏｄ　ｓｏｃｉａｌ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．（３）Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｌｓｏ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｉｔｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｅｘｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ，　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｒ　ｏｎｅ　ｅｎｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｈｏｌｅ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｅｘｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ；ｄｅｓｉｇｎ；ｐｌａｎ；ｒｅｓｅａｒｃｈ；ｍｅａｓｕｒｅｓ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　１　刖吾　隧道是处在各种地质环境中的地下结构物，是路　线中非常有价值的一种构造形式。隧道洞口段一般埋　深浅、风化程度深、石质破碎、围岩较弱、稳定性差等，　易引起滑坡、偏压、坍塌等事故，施工难度和风险较大，　收稿日期：２０１４—１０—３０　作者简介：徐加民，１９７１年出生，男，教授级高级工程师，注册咨询工程师。　第３期　徐加民：隧道出洞的设计研究与应用　７５　图２头道穴隧道洞口纵剖面图　隧道洞口里程点根据地质、地形、环境等状况，结　合洞门景观形式等予以确定，洞门基础应设置在稳固　基础上，否则需进行地基处理。本隧道由于地形陡峭，　结合相邻桥台设置进行平面布置，设计为端墙式洞门，　并设置４　ｍ接长明洞，以保证桥、隧的顺接和与山体的　总体协调以及运营安全等。　３．２施工方案　施工方案是隧道出洞设计的关键之一。由于暗挖　段延长，且一般由于洞口浅埋、风化程度深、石质破碎、　围岩较弱、稳定性差等特点，暗挖施工难度和风险有所　增加，为此需要采取降低安全风险的施工方案。总体　设计原则是充分利用和改善围岩支承能力，降低施工　对围岩的扰动。一般采用分部开挖、超前小导洞等方　法，同时采取必要的辅助工程措施。　超前小导洞法是隧道出洞最常用的方法，通过超　前开挖支护一个小导洞，再跟进扩大开挖支护大洞，实　现隧道的出洞施工。其作用机理是通过减小洞室的大　小开挖支护小洞，再在小洞的引导下扩大开挖支护大　洞，从而减小对围岩扰动和坡体的影响，降低施工难度　和施工风险，同时可以为洞口实施相关工程提供工作　面。大、小洞施工方法根据围岩状况予以确定，一般小　洞采用全断面法，大洞采用台阶法。对于围岩较差的　地段，小洞可以采用台阶法，大洞采用ＣＤ法或眼镜工　法等，实施长度和间隔距离根据地质、埋深等情况予以　调整。分部开挖是将大洞分成若干分部，分别出洞，最　后实现结构封闭完成隧道施工的方案，如采用分部台　阶法、ＣＤ法或眼镜工法等，当地质状况较差时宜采用。　本隧道围岩状况较好，隧道采用台阶法施工，结合隧　道地形、地质状况及施工工法，设计确定采用超前小导洞　法。超前小导洞成洞尺寸宽×高为３．５　ｍ　ｘ３．７５　ｍ，保证　各种机械可以出人，采用全断面法施工，隧道（后续大　洞）继续采用台阶法，开挖后及时支护，同时加强监　测。为便于施工，将超前小导洞底部与隧道上台阶设　在同一高度，超前小导洞示意图如图３所示。在隧道　上台阶开挖支护至临近洞口２０　ｍ处开始实施小导洞　方案，两个断面间距５～８　ｍ。　图３超前小导洞示意图（单位：ｃｍ）　３．３结构设计　由于一般洞口埋深小，难以形成适当的平衡拱，难　以利用围岩自身支承能力，且由于洞口荷载作用不确　定，加上易产生震害等状况，支护结构设计需要适当加　强。一般对应围岩提高一个等级进行初期支护，初期　支护宜采用早期强度高的型钢钢架，二次衬砌采用钢　筋混凝土，并宜设置仰拱等。本隧道出口围岩为Ⅳ级，　在计算基础上参照Ｖ级围岩支护参数进行支护，以提　高初期支护的刚度，同时考虑洞口的不利影响取消锚　杆，二次衬砌采用钢筋混凝土；小导洞洞室较小，仅采　用网喷混凝土支护，沿拱、墙设置，具体设计参数如下：　超前小洞：初期支护Ｃ２５喷射混凝土８　ｃｍ　．５钢筋网＠１５　ｃｍ×１５　ｅｍ　隧　道：初期支护　格栅钢架１１８＠１００　ｅｍ　Ｃ２５喷射混凝土２５　ｃｍ　．５钢筋网＠２０　ｃｍ　ｘ２０　ｃｍ　二次衬砌　Ｃ３０钢筋混凝土４５　ｃｍ　３．４辅助工程措施　辅助工程措施主要围绕围岩加固和增强洞口稳定　性等考虑。进洞施工一般采用设置护拱、超前管棚、超　前小导管注浆或地表加固等措施，出洞施工一般没有　护拱，加上先行小洞洞室较小，主要设置超前小导管支　护；大洞利用小洞进行扩挖，一般也采用超前小导管支　护，对于稳定性较差且隧道跨度较大的隧道，可以在小　洞贯通后利用小洞作为通道实施超前管棚或地表加固　后再进行施工。由于本隧道围岩状况尚可，仅设置　６４２钢管作为超前支护，钢管沿开挖面拱部环向布置，　长度３　ｍ，环向问距３３０　ｍｍ，搭接１～１．５　ｍ。　３．５坡面处理　由于从内而外施工避免或减少了进洞施工对坡体　的开挖，但也应根据实际情况进行适当处理。如对于　７６　铁道工程学报　２０１５年３月　地质状况较差的隧道，可以对坡体进行喷护处理，对危　岩、落石等应予以清除或防护处理，设置截水沟等。本　隧道洞口位于陡壁下，围岩状况较好，坡体稳定，对现　况坡体可不予处理，也不设置截水沟。　４施工验证　在设计文件指导下，施工方按照设计要求编制了　隧道出洞的施工组织设计，遵循“弱爆破、短进尺、勤　量测、早封闭”的原则，在隧道开挖至出洞２０　ｍ处开　始实施超前小导洞方案。施工中利用小导管超前支　护，全断面开挖、支护先行小洞，再采用台阶法跟进开　挖支护大洞，随开挖随支护，稳扎稳打，临出｝同时进一　步减小爆破量，用多次爆破的方法减少对围岩扰动，安　全顺利地实现出洞施工，施工实测变形较小，达到预期　目的。实践验证了该设计方案的可行和可靠，通过延　长暗挖和增加小导洞的方式实现隧道的安全贯通，取　得了良好的经济、社会效益。　５　出洞方案的优势及推广应用　相对于进洞施工，隧道出洞方案表现出更多的优　势，对于中、短隧道及一端不适于进洞施工的隧道不失　为一个好的方案，有较高的推广应用价值，其优势体现　如下：　一是，遵循隧道“早进洞、晚出洞”的原则，不开挖　或减少边坡开挖，有利于坡体稳定；　二是，最大限度保护了原有地形地貌，减少边坡开　挖及回填工作量，减少对绿化植被的破坏，避免了过多　的人工修饰和人工痕迹，有利于水土保持和环境保护；　三是，在土地和拆迁利益Ｅｌ益紧张的情况下，从一　端单向掘进减少了征地拆迁和临时占地，减少征、拆费　用，降低工程社会风险；　四是，减少临水、临电、临时道路、临时房屋设施等　临时工程，减少工程临时设施费用；　五是，减少施工设备，提高施工设备利用率和使用　效益，节约施工成本；　六是，减少隧道工作面，有利于集中管理和安全　管控。　６　结论　（１）隧道出洞设计需研究洞口位置及洞门设计、　施工方案、结构设计、辅助工程措施、洞口坡面处理等　方面。　（２）工程实例验证了隧道出洞设计方案的可行和　可靠，取得了良好的社会、经济效益。　（３）隧道出洞方案有较大的优势和应用推广价　值，尤其适用于中、短隧道或一端不利于进洞施工的　隧道。　参考文献：　［Ｉ］关宝树．隧道工程设计要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版　社。２００３．　Ｇｕａｎ　Ｂａｏｓｈｕ．Ｔｈｅ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｏｉｎｔｓ　［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｒｅｓｓ，２００３．　［２］ＪＴＧ　Ｄ７０－－２００４，公路隧道设计规范［Ｓ］．　ＪＴＧ　Ｄ７０－－２００４，Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｐｅｄｆｉｃａｆｉｏｎ　［Ｓ］．　［３］徐加民．北京地铁浅埋暗挖施工坍塌预防与处理［Ｊ］．　城市轨道交通研究，２００７（７）：６２—６４．　Ｘｕ　Ｊｉａｍｉｎ．Ｔｈｅ　Ｓｈａｌｌｏｗ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｍｅｔｒｏ　Ｃｏｌｌａｐｓｅ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｕｒｂａｎ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｎｓｉｔ，２００７（７）：６２—６４．　［４］　徐加民．浅谈隧道工程的动态设计与信息化施工［Ｊ］．　现代隧道技术，２０１３（５）：１—５．　Ｘｕ　Ｊｉａｍｉｎ．Ｔｕｎｎｅｌ　Ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ—ｂａｓｅｄ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｊ］．　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１３（５）：１－５．　［５］徐加民．浅谈引进装配式铺盖法修建地铁车站［Ｊ］．铁　道工程学报，２００９（９）：９０—９２．　Ｘｕ　Ｊｉａｍｉｎ．Ｐｒｅｌｉｉｍｎａｒｉｌｙ　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌａｙｉｎｇ　Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　Ｓｔｒａｐ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　Ｍｅｔｒｏ　Ｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，　２００９（９）：９０—９２．