大跨度鑲嵌碎裂結構隧道穩定性分析及施工

陳紅

隨著國民經濟的發展及國家拉動內需促進基礎設施的建設，隧道施工也迎來了新的發展階段，許多地質條件復雜、大跨度、大斷面的長大隧道也迅速發展起來。由于沉積巖在地殼表層分布最廣，覆蓋面積大約占地球表面的75%，是我們最常見的一種巖石，也是地下工程最常遇到的巖石，所以從事地下工程施工的各類工程技術人員理所應當對沉積巖的工程特性有個全面的認識、了解，以便更有效指導隧道施工。以山西省為例，目前在建的長大隧道如西山隧道(全長13.68 km)、虹梯關隧道(全長13.13 km)等，穿越的地質圍巖均為石灰巖質沉積巖。本文以太陽高速公路大南山隧道為工程實例，該隧道穿越的地質圍巖主要為以鑲嵌碎裂結構石灰巖，該類結構圍巖由于其特殊性，對圍巖穩定性影響較大，對其穩定性進行分析，提出相應的施工方法，對同類工程具有參考意義。

1 工程概況

大南山隧道全長5 530 m，是太陽高速公路最長的隧道，也是山西省在建的最長的六車道分離式公路隧道，隧道圍巖由奧陶系中統上馬家溝組上段(O2S3)白云質石灰巖組成，圍巖節理裂隙、巖溶作用發育，巖體較破碎，呈鑲嵌碎裂結構。

2 鑲嵌碎裂結構石灰巖質隧道穩定性分析

脆性圍巖包括各種塊體狀結構或層狀結構的堅硬或半堅硬的脆性巖體。這類圍巖的變形和破壞，主要是在回彈應力和重分布的應力作用下發生的，水分的重分布對其變形和破壞的影響較為微弱。

這類圍巖變形破壞的形式和特點，除與由巖體初始應力狀態及洞形所決定的圍巖的應力狀態有關外，主要取決于圍巖結構，根據公路隧道圍巖分級，石灰巖屬于硬質巖中的較堅硬巖，也屬于脆性圍巖范疇，鑲嵌碎裂結構的石灰巖主要結構面類型為節理、裂隙、層面、小斷層，其結構面的結合程度較差，且結構面分布“雜亂無章”，一旦應力釋放，隧道失穩，將會產生“多米諾”效應。

鑲嵌碎裂結構的石灰巖變形破壞形式為破碎松動，產生機制為壓應力集中造成的剪切松動。碎裂松動是碎裂結構巖體變形、破壞的主要形式，洞體開挖后，如果圍巖應力超過了圍巖的屈服強度，這類圍巖就會因沿多組已有斷裂結構面發生剪切錯動而松弛，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動帶或松動屈。這類松動帶本身是不穩定的，特別是當有地下水的活動參與且隧道為扁平狀的大跨度、大斷面隧道，極易導致頂拱的坍塌和邊墻的失穩。由于松動帶的厚度會隨時間的推移而逐步增大，因此為了防止這類圍巖變形、破壞的過度發展，必須及時采取加固措施。

3 扁平狀大跨度、大斷面鑲嵌碎裂結構石灰巖質公路隧道工程特點

大南山隧道具有扁平的拱形結構，其斷面見圖1。

3.1 應力重新分布變得更不利

根據開挖高度與跨度比可知，隧道開挖后應力重分布變得更加不利，對于扁平的大斷面隧道來說，根據有限元解析開挖后最大主應力為側壓系數K=1的初始應力的3倍，K=0.7時的4倍，大南山隧道開挖適跨比為0.69，側壓系數越小，隧道的扁平度越大。開挖后的應力重分布變得不利。圍巖內的最大主應力和襯砌拱頂處的最大彎矩急劇增加，將出現更大的塑性區和更大的變形，需要更強大的支護結構來保持隧道的穩定。

3.2 底腳處的應力集中過大，容易造成拱腳失穩

隧道扁平，結構復雜，這樣隧道開挖后應力分布變差，底腳處應力集中過大，要求較大的地基承載力。力學分析結果表明，開挖后圍巖應力在側壁處比較大。特別是側壓系數小時，開挖寬度越大，圍巖中的切向應力越大，襯砌中軸力也越大。底腳處的應力集中過大，要求較大的地基承載力。

3.3 拱頂不穩定

隧道開挖后，拱頂范圍形成拉伸區，導致拱頂掉塊等失穩現象。同時，拱頂處襯砌彎矩增加，導致襯砌開裂。因此，隧道斷面的增大造成拱頂不穩定。

3.4 較大的松弛壓力

對于大南山隧道這種獨特的鑲嵌碎裂結構石灰巖質的扁平狀大跨度、大斷面三車道公路隧道，開挖寬度越大，要求產生拱作用的埋深越大，在埋深作用不能發揮作用時，就會產生很大的松弛壓力。因此，隧道支護結構將承受更大的松弛荷載。

4 扁平狀大跨度、大斷面鑲嵌碎裂結構石灰巖質公路隧道施工方法

4.1 科學劃分臺階，確保方案最佳

以Ⅴ級圍巖為例，隧道形狀扁平、開挖跨度17 m，開挖高度11 m(不含仰拱)，矢跨比較大，隧道拱部容易在拱頂形成拉伸區，很容易造成坍塌，因此，上臺階施工是隧道關鍵控制所在，科學劃分臺階高度是確保隧道安全施工的前提，我部通過多方論證、請教外部多位專家，參照同類型隧道施工經驗，從施工安全性、現場操作性考慮:上臺階劃分高度4.5 m，中臺階劃分高度2.2 m，下臺階劃分高度4.3 m。

4.2 初期支護

1)初噴混凝土。該類圍巖節理抗剪強度低，不能承受和傳遞較大剪切力，而且不能承受拉應力，加之隧道為扁平狀大跨度、大斷面隧道，拱頂拉應力區大，容易形成拉伸區，且在水平直徑處應力集中現象較為嚴重，因此，按照設計要求開挖后，及時初噴10 cm厚度混凝土，這樣噴射混凝土可射入圍巖裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割的巖塊層面粘結在一起，保持巖塊間的咬合，有利于防止圍巖松動，緩和圍巖應力集中，從而使圍巖處于三維受力狀態，防止圍巖過度松弛而降低其承載能力。2)鋼拱架安裝。鋼拱架盡量貼近初噴面，有間隙時用楔塊楔緊，鋼拱架節與節之間用鋼板以4顆螺栓連接，做到鋼拱架垂直于隧道中線，豎向不傾斜、平面不錯位，不扭曲，上、下、左、右允許偏差±50 mm，傾斜度小于20°。施工過程中采用增加拱腳鎖腳錨桿、增設鋼架拱腳部位縱向連接筋、擴大拱腳初期支護基礎及增設拱腳槽鋼墊板等增強拱腳承載力等措施控制變形。3)系統錨桿。按照設計施工系統錨桿，做到錨桿插入孔內的長度、錨桿灌漿飽滿，錨墊板與噴射混凝土密貼。4)掛設鋼筋網。鋼筋網安裝時隨初噴面起伏鋪設，與支護面間距最大不超過3 cm，且焊接牢固，保證在噴射時不易晃動。5)復噴混凝土。噴射混凝土沿鋼拱架兩側拱腳由下而上對稱噴射，將鋼拱架與圍巖的間隙充填密實，并覆蓋鋼拱架，保證臨空一側的噴射混凝土保護層不小于20 mm。做到噴射混凝土表面平整，隧道輪廓圓順，保證初期支護與圍巖密貼。

4.3 仰拱和二襯

及時施工仰拱和二襯，做到快速閉合成環，仰拱與掌子面距離控制在30 m之內、二襯控制在100 m之內。

4.4 圍巖監控量測

必須在隧道施工全過程做好監控量測工作，及時分析反饋，施工支護參數的調整及施工二襯時間必須依據量測資料的分析和圍巖穩定性判定進行，這對隧道施工安全控制至關重要。

5 結語

1)嚴格遵循“短進尺、弱爆破、管超前、嚴注漿、強支護、早封閉、快成環、穩拱腳、緊仰拱、勤測量、速反饋”的施工原則。2)上、中臺階是本隧道控制的關鍵，因上臺階扁平，拱腳還有外伸，臺階高度和系統錨桿施工是關鍵;中臺階施工是施工中最不利工況，嚴控開挖進尺，不得大于兩榀，加強鎖腳錨桿。3)中、下臺階左、右側錯開開挖，嚴禁對開馬口，左右側錯開距離宜為2 m～3 m，各分部初期支護銜接緊密，及時封閉成環。做好工序銜接，工序安排應緊湊，盡量減少圍巖暴露時間，避免因長時間暴露引起圍巖失穩。

［1］ 鄧尤波.超淺埋大跨度隧道明暗結合施工技術［J］.山西建筑，2010，36(7):333-334.