摘要:新疆葛家沟隧道是乌鲁木齐绕城高速（东线）公路重难点工程，是典型的穿越断层破碎带大跨度浅埋山岭隧道。本文针对现场塌方形式分析，结合模型和理论计算，通过对未支护段拱顶岩体稳定性和掌子面稳定性分析，研究得出隧道塌方施工风险点以及确保隧道施工安全的工法。以确保葛家沟隧道顺利贯通，为类似隧道工程建设提供参考依据，保证设计使用寿命。
关键词：断层破碎带 塌方 拱顶支护 封闭掌子面 三台阶预留核心土
0 引言
目前山岭隧道断层破碎带初衬无明确的计算评价标准，工程设计中，一般按照《公路隧道设计规范》对应的岩体等级标准确定初支结构，为保证隧道施工安全，重点从施工工法改进及隧道辅助加固方法等方面入手，提出合理的施工措施。
隧道现场塌方形式主要包括三种：开挖进尺未支护段拱顶塌方、掌子面塌方和掌子面塌方引发的未开挖岩体顶部塌方。针对现场塌方情况，分别对开挖进尺未支护段和掌子面进行分析，具体计算项目如下表所示：
表0-1 工况分析
拱顶岩体虽有一定的自稳能力，但当上台阶开挖高度过大时，拱顶岩体可能发生垮塌。针对上述情况分别采用理论和有限元电算化方法对上台阶高度进行分析，从而对两台阶和三台阶开挖工法进行比选：
（1）理论计算：采用节理块体稳定性分析原理，对拱顶岩体无支护条件下的极限范围进行分析，计算得出上台阶高度限制；
（2）有限元计算：建立有限元模型，以左洞埋深最大的区域进行分析，分别对两台阶与三台阶开挖工法进行分析，确定合理工法。
1 未支护段拱顶岩体稳定性分析
1.1 拱顶岩体稳定性理论解析
如下图所示，采用经验公式进行岩体隧道拱顶节理块体稳定性分析，计算公式为：
图1-1 洞顶块体稳定性计算
其中：L1和L2分别为节理结构面长度；L3为节理松动块体的宽度；C1和C2分别为节理面L1和L2的粘聚力；α和β分别为节理面L1和L2的倾角；γ为岩体重度。
拱顶块体稳定性控制标准为：当FS≥2时，块体稳定；当FS＜2时，块体不稳定稳定。
如下图所示，为分析未支护条件下拱顶岩体的稳定性，设定拱顶无支护角度范围为定值，通过调整块体边长L1或L2，得出该无支护角度范围下的稳定性系数。拱顶无支护角度范围工况包括：60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°。
编制电算化计算程序进行计算，下图分别为60°、90°、120°、150°拱顶无支护条件下的稳定性系数趋势。无支护角度范围下的稳定性系数统计值如下表所示，可以得出120°范围无支护是拱顶岩体稳定的临界，对应的稳定性系数为2.05，由隧道断面设计图可知，120°无支护范围对应的上台阶高度为3.6m左右，因而上台阶高度应控制在3.6m以下，应采用三台阶开挖方案。
表1 1 拱顶不同无支护范围下的岩体稳定性系数
1.2 两台阶开挖拱顶稳定性分析
如下图所示，建立二维有限元模型，计算参数见上节。模型顶部埋深60米，上部施加岩体等效荷载，岩体本构采用摩尔库伦模型，采用两台阶开挖工法，上台阶高度为5米，开挖矢跨比为0.405。
1.3 三台阶开挖拱顶稳定性分析
计算模型如下图所示，岩体本构采用摩尔库伦模型，采用三台阶开挖工法，上台阶高度为3.5米，开挖矢跨比为0.309。
1.4 分析总结
如下表所示，理论与有限元仿真计算结果表明，为保证开挖进尺未支护段拱顶的稳定性，应采用三台阶开挖工法。
表1-2 计算结果分析
2 掌子面稳定性分析
由前文计算结果表明，采用三台阶开挖工法方能保证未支护段拱顶岩体的稳定。可以预见的是，掌子面垮塌后，会暴露出更多范围的拱顶无支护区，引发拱顶塌方连锁反应。采用有限元模型对计算模型对掌子面稳定性进行分析，重点分析以下两种工况：
（1）施工工法分析：预留核心土是保证掌子面稳定的重要工法，分别对正三台阶开挖和三台阶开挖预留核心土法进行对比分析，确定合理开挖工法；
（2）隧道辅助加固措施分析：超前小导管注浆加固和喷射混凝土封闭掌子面是加强掌子面稳定的重要辅助措施，由于有限元模型较难模拟超前小导管注浆加固，重点对掌子面是否喷射混凝土工况进行分析，计算分析时，取超前小导管支护长度为4.5m，外插角15度。
2.1 正三台阶开挖
（1）计算模型
正三台阶开挖步序如下图所示，每部开挖完成后对开挖部位进行锚杆施工、挂网、钢拱架支撑和喷射混凝土作业。
（3）掌子面喷射15cm混凝土
如下图所示，计算结果表明：采用正三台阶开挖工法时，掌子面喷浆加固后，仍出现较大范围的塑性区，对于隧道而言，若岩体节理发育且岩层粘结性较差，会发生较大范围的掌子面垮塌。
（2）掌子面未喷浆封闭
如下图所示，计算结果表明：采用三台阶预留核心土开挖工法时，由于核心土对掌子面的支护作用，仅出现小范围的塑性区，岩体自稳态势较好，在施工措施得当的前提下，不会发生大范围塌方状况。
（4）小结
如下表所示，有限元仿真计算结果表明，为保证掌子面的稳定性，应采用三台阶预留核心土法，且开挖后应及时封闭掌子面。
表2 3 计算结果分析
3.2 施工建议
针对隧道现场塌方情况，结合本计算报告分析结果，现提出如下施工建议：
（1）开挖工法
必须严格采取三台阶预留核心土开挖工法。
（2）加固变形初支
清渣完毕后应及时支设钢拱架，拱架脚部浮渣应清除干净；应严格保证锁脚锚管的施工质量，锚管与拱脚相切为最优角度，上台阶锁脚锚管控制变形作用最大，应重点控制。
（3）封闭掌子面
派专人观察掌子面裂缝发展态势，若出现贯通型裂缝，应对掌子面喷射15~20 cm厚C20混凝土。
（4）超前小导管角度调整
隧道塌方分析表明，岩体节理及裂隙非常发育，且方向杂乱，为保证超前注浆小导管的有效性，应根据现场岩体裂缝情况及时调整超前小导管打设角度。安全起见，建议设置双层超前小导管，第一层按照设计角度施工，第二层采用大角度（45度左右）施工。
（5）超前小导管长度调整
隧道塌方分析结果表明，塌方宽度大于超前小导管支护范围，如ZK62+894塌方宽度达3.5米，大于超前小导管长度（3m），因而应增长超前小导管长度，建议大于4.5米。
（6）爆破施工
若隧道岩体完整性较差，为减小爆破施工对岩体的影响，应尽可能采取多孔少药的爆破方案。
（7）开挖
开挖过程中应避免损坏核心土，确保掌子面稳定。建议根据现场岩体情况及时调整，尽量减小进尺，以1榀为宜。
作者简介：李志成；男；汉；1983.11；毕业院校：重庆交通大学；研究方向：路桥隧道；现有职称：中级工程师；工作单位：中交二航局六分公司；通讯地址：福建省漳州市龙海市程溪镇官园村中交二航局九龙岭项目部
论文作者:李志成,黄斌
论文发表刊物:《防护工程》2017年第25期
论文发表时间:2017/12/29
标签：拱顶论文; 隧道论文; 稳定性论文; 台阶论文; 导管论文; 节理论文; 所示论文; 《防护工程》2017年第25期论文;