大跨度鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)隧道穩(wěn)定性分析及施工

陳紅

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及國(guó)家拉動(dòng)內(nèi)需促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，隧道施工也迎來(lái)了新的發(fā)展階段，許多地質(zhì)條件復(fù)雜、大跨度、大斷面的長(zhǎng)大隧道也迅速發(fā)展起來(lái)。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(shù)人員理所應(yīng)當(dāng)對(duì)沉積巖的工程特性有個(gè)全面的認(rèn)識(shí)、了解，以便更有效指導(dǎo)隧道施工。以山西省為例，目前在建的長(zhǎng)大隧道如西山隧道(全長(zhǎng)13.68 km)、虹梯關(guān)隧道(全長(zhǎng)13.13 km)等，穿越的地質(zhì)圍巖均為石灰?guī)r質(zhì)沉積巖。本文以太陽(yáng)高速公路大南山隧道為工程實(shí)例，該隧道穿越的地質(zhì)圍巖主要為以鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)石灰?guī)r，該類結(jié)構(gòu)圍巖由于其特殊性，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的施工方法，對(duì)同類工程具有參考意義。

1 工程概況

大南山隧道全長(zhǎng)5 530 m，是太陽(yáng)高速公路最長(zhǎng)的隧道，也是山西省在建的最長(zhǎng)的六車道分離式公路隧道，隧道圍巖由奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組上段(O2S3)白云質(zhì)石灰?guī)r組成，圍巖節(jié)理裂隙、巖溶作用發(fā)育，巖體較破碎，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。

2 鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)石灰?guī)r質(zhì)隧道穩(wěn)定性分析

脆性圍巖包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬的脆性巖體。這類圍巖的變形和破壞，主要是在回彈應(yīng)力和重分布的應(yīng)力作用下發(fā)生的，水分的重分布對(duì)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(diǎn)，除與由巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，主要取決于圍巖結(jié)構(gòu)，根據(jù)公路隧道圍巖分級(jí)，石灰?guī)r屬于硬質(zhì)巖中的較堅(jiān)硬巖，也屬于脆性圍巖范疇，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)的石灰?guī)r主要結(jié)構(gòu)面類型為節(jié)理、裂隙、層面、小斷層，其結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度較差，且結(jié)構(gòu)面分布“雜亂無(wú)章”，一旦應(yīng)力釋放，隧道失穩(wěn)，將會(huì)產(chǎn)生“多米諾”效應(yīng)。

鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)的石灰?guī)r變形破壞形式為破碎松動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)制為壓應(yīng)力集中造成的剪切松動(dòng)。碎裂松動(dòng)是碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞的主要形式，洞體開挖后，如果圍巖應(yīng)力超過(guò)了圍巖的屈服強(qiáng)度，這類圍巖就會(huì)因沿多組已有斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)而松弛，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動(dòng)帶或松動(dòng)屈。這類松動(dòng)帶本身是不穩(wěn)定的，特別是當(dāng)有地下水的活動(dòng)參與且隧道為扁平狀的大跨度、大斷面隧道，極易導(dǎo)致頂拱的坍塌和邊墻的失穩(wěn)。由于松動(dòng)帶的厚度會(huì)隨時(shí)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(guò)度發(fā)展，必須及時(shí)采取加固措施。

3 扁平狀大跨度、大斷面鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)石灰?guī)r質(zhì)公路隧道工程特點(diǎn)

大南山隧道具有扁平的拱形結(jié)構(gòu)，其斷面見圖1。

3.1 應(yīng)力重新分布變得更不利

根據(jù)開挖高度與跨度比可知，隧道開挖后應(yīng)力重分布變得更加不利，對(duì)于扁平的大斷面隧道來(lái)說(shuō)，根據(jù)有限元解析開挖后最大主應(yīng)力為側(cè)壓系數(shù)K=1的初始應(yīng)力的3倍，K=0.7時(shí)的4倍，大南山隧道開挖適跨比為0.69，側(cè)壓系數(shù)越小，隧道的扁平度越大。開挖后的應(yīng)力重分布變得不利。圍巖內(nèi)的最大主應(yīng)力和襯砌拱頂處的最大彎矩急劇增加，將出現(xiàn)更大的塑性區(qū)和更大的變形，需要更強(qiáng)大的支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)保持隧道的穩(wěn)定。

3.2 底腳處的應(yīng)力集中過(guò)大，容易造成拱腳失穩(wěn)

隧道扁平，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這樣隧道開挖后應(yīng)力分布變差，底腳處應(yīng)力集中過(guò)大，要求較大的地基承載力。力學(xué)分析結(jié)果表明，開挖后圍巖應(yīng)力在側(cè)壁處比較大。特別是側(cè)壓系數(shù)小時(shí)，開挖寬度越大，圍巖中的切向應(yīng)力越大，襯砌中軸力也越大。底腳處的應(yīng)力集中過(guò)大，要求較大的地基承載力。

3.3 拱頂不穩(wěn)定

隧道開挖后，拱頂范圍形成拉伸區(qū)，導(dǎo)致拱頂?shù)魤K等失穩(wěn)現(xiàn)象。同時(shí)，拱頂處襯砌彎矩增加，導(dǎo)致襯砌開裂。因此，隧道斷面的增大造成拱頂不穩(wěn)定。

3.4 較大的松弛壓力

對(duì)于大南山隧道這種獨(dú)特的鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)石灰?guī)r質(zhì)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(chǎn)生拱作用的埋深越大，在埋深作用不能發(fā)揮作用時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的松弛壓力。因此，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)石灰?guī)r質(zhì)公路隧道施工方法

4.1 科學(xué)劃分臺(tái)階，確保方案最佳

以Ⅴ級(jí)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(qū)，很容易造成坍塌，因此，上臺(tái)階施工是隧道關(guān)鍵控制所在，科學(xué)劃分臺(tái)階高度是確保隧道安全施工的前提，我部通過(guò)多方論證、請(qǐng)教外部多位專家，參照同類型隧道施工經(jīng)驗(yàn)，從施工安全性、現(xiàn)場(chǎng)操作性考慮:上臺(tái)階劃分高度4.5 m，中臺(tái)階劃分高度2.2 m，下臺(tái)階劃分高度4.3 m。

4.2 初期支護(hù)

1)初噴混凝土。該類圍巖節(jié)理抗剪強(qiáng)度低，不能承受和傳遞較大剪切力，而且不能承受拉應(yīng)力，加之隧道為扁平狀大跨度、大斷面隧道，拱頂拉應(yīng)力區(qū)大，容易形成拉伸區(qū)，且在水平直徑處應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，因此，按照設(shè)計(jì)要求開挖后，及時(shí)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(jié)在一起，保持巖塊間的咬合，有利于防止圍巖松動(dòng)，緩和圍巖應(yīng)力集中，從而使圍巖處于三維受力狀態(tài)，防止圍巖過(guò)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(shí)用楔塊楔緊，鋼拱架節(jié)與節(jié)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(cuò)位，不扭曲，上、下、左、右允許偏差±50 mm，傾斜度小于20°。施工過(guò)程中采用增加拱腳鎖腳錨桿、增設(shè)鋼架拱腳部位縱向連接筋、擴(kuò)大拱腳初期支護(hù)基礎(chǔ)及增設(shè)拱腳槽鋼墊板等增強(qiáng)拱腳承載力等措施控制變形。3)系統(tǒng)錨桿。按照設(shè)計(jì)施工系統(tǒng)錨桿，做到錨桿插入孔內(nèi)的長(zhǎng)度、錨桿灌漿飽滿，錨墊板與噴射混凝土密貼。4)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)安裝時(shí)隨初噴面起伏鋪設(shè)，與支護(hù)面間距最大不超過(guò)3 cm，且焊接牢固，保證在噴射時(shí)不易晃動(dòng)。5)復(fù)噴混凝土。噴射混凝土沿鋼拱架兩側(cè)拱腳由下而上對(duì)稱噴射，將鋼拱架與圍巖的間隙充填密實(shí)，并覆蓋鋼拱架，保證臨空一側(cè)的噴射混凝土保護(hù)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(hù)與圍巖密貼。

4.3 仰拱和二襯

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

4.4 圍巖監(jiān)控量測(cè)

必須在隧道施工全過(guò)程做好監(jiān)控量測(cè)工作，及時(shí)分析反饋，施工支護(hù)參數(shù)的調(diào)整及施工二襯時(shí)間必須依據(jù)量測(cè)資料的分析和圍巖穩(wěn)定性判定進(jìn)行，這對(duì)隧道施工安全控制至關(guān)重要。

5 結(jié)語(yǔ)

1)嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺、弱爆破、管超前、嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、快成環(huán)、穩(wěn)拱腳、緊仰拱、勤測(cè)量、速反饋”的施工原則。2)上、中臺(tái)階是本隧道控制的關(guān)鍵，因上臺(tái)階扁平，拱腳還有外伸，臺(tái)階高度和系統(tǒng)錨桿施工是關(guān)鍵;中臺(tái)階施工是施工中最不利工況，嚴(yán)控開挖進(jìn)尺，不得大于兩榀，加強(qiáng)鎖腳錨桿。3)中、下臺(tái)階左、右側(cè)錯(cuò)開開挖，嚴(yán)禁對(duì)開馬口，左右側(cè)錯(cuò)開距離宜為2 m～3 m，各分部初期支護(hù)銜接緊密，及時(shí)封閉成環(huán)。做好工序銜接，工序安排應(yīng)緊湊，盡量減少圍巖暴露時(shí)間，避免因長(zhǎng)時(shí)間暴露引起圍巖失穩(wěn)。

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