大跨度镶嵌碎裂结构隧道稳定性分析及施工

陈红

随着国民经济的发展及国家拉动内需促进基础设施的建设，隧道施工也迎来了新的发展阶段，许多地质条件复杂、大跨度、大断面的长大隧道也迅速发展起来。由于沉积岩在地壳表层分布最广，覆盖面积大约占地球表面的75%，是我们最常见的一种岩石，也是地下工程最常遇到的岩石，所以从事地下工程施工的各类工程技术人员理所应当对沉积岩的工程特性有个全面的认识、了解，以便更有效指导隧道施工。以山西省为例，目前在建的长大隧道如西山隧道(全长13.68 km)、虹梯关隧道(全长13.13 km)等，穿越的地质围岩均为石灰岩质沉积岩。本文以太阳高速公路大南山隧道为工程实例，该隧道穿越的地质围岩主要为以镶嵌碎裂结构石灰岩，该类结构围岩由于其特殊性，对围岩稳定性影响较大，对其稳定性进行分析，提出相应的施工方法，对同类工程具有参考意义。

1 工程概况

大南山隧道全长5 530 m，是太阳高速公路最长的隧道，也是山西省在建的最长的六车道分离式公路隧道，隧道围岩由奥陶系中统上马家沟组上段(O2S3)白云质石灰岩组成，围岩节理裂隙、岩溶作用发育，岩体较破碎，呈镶嵌碎裂结构。

2 镶嵌碎裂结构石灰岩质隧道稳定性分析

脆性围岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或半坚硬的脆性岩体。这类围岩的变形和破坏，主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的，水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱。

这类围岩变形破坏的形式和特点，除与由岩体初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要取决于围岩结构，根据公路隧道围岩分级，石灰岩属于硬质岩中的较坚硬岩，也属于脆性围岩范畴，镶嵌碎裂结构的石灰岩主要结构面类型为节理、裂隙、层面、小断层，其结构面的结合程度较差，且结构面分布“杂乱无章”，一旦应力释放，隧道失稳，将会产生“多米诺”效应。

镶嵌碎裂结构的石灰岩变形破坏形式为破碎松动，产生机制为压应力集中造成的剪切松动。碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式，洞体开挖后，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩就会因沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松弛，并围绕洞体形成一定的碎裂松动带或松动屈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与且隧道为扁平状的大跨度、大断面隧道，极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的过度发展，必须及时采取加固措施。

3 扁平状大跨度、大断面镶嵌碎裂结构石灰岩质公路隧道工程特点

大南山隧道具有扁平的拱形结构，其断面见图1。

3.1 应力重新分布变得更不利

根据开挖高度与跨度比可知，隧道开挖后应力重分布变得更加不利，对于扁平的大断面隧道来说，根据有限元解析开挖后最大主应力为侧压系数K=1的初始应力的3倍，K=0.7时的4倍，大南山隧道开挖适跨比为0.69，侧压系数越小，隧道的扁平度越大。开挖后的应力重分布变得不利。围岩内的最大主应力和衬砌拱顶处的最大弯矩急剧增加，将出现更大的塑性区和更大的变形，需要更强大的支护结构来保持隧道的稳定。

3.2 底脚处的应力集中过大，容易造成拱脚失稳

隧道扁平，结构复杂，这样隧道开挖后应力分布变差，底脚处应力集中过大，要求较大的地基承载力。力学分析结果表明，开挖后围岩应力在侧壁处比较大。特别是侧压系数小时，开挖宽度越大，围岩中的切向应力越大，衬砌中轴力也越大。底脚处的应力集中过大，要求较大的地基承载力。

3.3 拱顶不稳定

隧道开挖后，拱顶范围形成拉伸区，导致拱顶掉块等失稳现象。同时，拱顶处衬砌弯矩增加，导致衬砌开裂。因此，隧道断面的增大造成拱顶不稳定。

3.4 较大的松弛压力

对于大南山隧道这种独特的镶嵌碎裂结构石灰岩质的扁平状大跨度、大断面三车道公路隧道，开挖宽度越大，要求产生拱作用的埋深越大，在埋深作用不能发挥作用时，就会产生很大的松弛压力。因此，隧道支护结构将承受更大的松弛荷载。

4 扁平状大跨度、大断面镶嵌碎裂结构石灰岩质公路隧道施工方法

4.1 科学划分台阶，确保方案最佳

以Ⅴ级围岩为例，隧道形状扁平、开挖跨度17 m，开挖高度11 m(不含仰拱)，矢跨比较大，隧道拱部容易在拱顶形成拉伸区，很容易造成坍塌，因此，上台阶施工是隧道关键控制所在，科学划分台阶高度是确保隧道安全施工的前提，我部通过多方论证、请教外部多位专家，参照同类型隧道施工经验，从施工安全性、现场操作性考虑:上台阶划分高度4.5 m，中台阶划分高度2.2 m，下台阶划分高度4.3 m。

4.2 初期支护

1)初喷混凝土。该类围岩节理抗剪强度低，不能承受和传递较大剪切力，而且不能承受拉应力，加之隧道为扁平状大跨度、大断面隧道，拱顶拉应力区大，容易形成拉伸区，且在水平直径处应力集中现象较为严重，因此，按照设计要求开挖后，及时初喷10 cm厚度混凝土，这样喷射混凝土可射入围岩裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割的岩块层面粘结在一起，保持岩块间的咬合，有利于防止围岩松动，缓和围岩应力集中，从而使围岩处于三维受力状态，防止围岩过度松弛而降低其承载能力。2)钢拱架安装。钢拱架尽量贴近初喷面，有间隙时用楔块楔紧，钢拱架节与节之间用钢板以4颗螺栓连接，做到钢拱架垂直于隧道中线，竖向不倾斜、平面不错位，不扭曲，上、下、左、右允许偏差±50 mm，倾斜度小于20°。施工过程中采用增加拱脚锁脚锚杆、增设钢架拱脚部位纵向连接筋、扩大拱脚初期支护基础及增设拱脚槽钢垫板等增强拱脚承载力等措施控制变形。3)系统锚杆。按照设计施工系统锚杆，做到锚杆插入孔内的长度、锚杆灌浆饱满，锚垫板与喷射混凝土密贴。4)挂设钢筋网。钢筋网安装时随初喷面起伏铺设，与支护面间距最大不超过3 cm，且焊接牢固，保证在喷射时不易晃动。5)复喷混凝土。喷射混凝土沿钢拱架两侧拱脚由下而上对称喷射，将钢拱架与围岩的间隙充填密实，并覆盖钢拱架，保证临空一侧的喷射混凝土保护层不小于20 mm。做到喷射混凝土表面平整，隧道轮廓圆顺，保证初期支护与围岩密贴。

4.3 仰拱和二衬

及时施工仰拱和二衬，做到快速闭合成环，仰拱与掌子面距离控制在30 m之内、二衬控制在100 m之内。

4.4 围岩监控量测

必须在隧道施工全过程做好监控量测工作，及时分析反馈，施工支护参数的调整及施工二衬时间必须依据量测资料的分析和围岩稳定性判定进行，这对隧道施工安全控制至关重要。

5 结语

1)严格遵循“短进尺、弱爆破、管超前、严注浆、强支护、早封闭、快成环、稳拱脚、紧仰拱、勤测量、速反馈”的施工原则。2)上、中台阶是本隧道控制的关键，因上台阶扁平，拱脚还有外伸，台阶高度和系统锚杆施工是关键;中台阶施工是施工中最不利工况，严控开挖进尺，不得大于两榀，加强锁脚锚杆。3)中、下台阶左、右侧错开开挖，严禁对开马口，左右侧错开距离宜为2 m～3 m，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环。做好工序衔接，工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。

［1］ 邓尤波.超浅埋大跨度隧道明暗结合施工技术［J］.山西建筑，2010，36(7):333-334.