引言：随着经济的发展和隧道施工技术的进步，超大断面隧道的建设越来越多，但由于地下工程地质条件及岩石的物理力学特性的复杂性，目前国内关于大跨度扁平大断面隧道施工力学、断面结构、施工方法、支护衬砌工艺等的研究甚少，施工上也千差万别。
本文根据贵阳市建设的黔春大道黔灵山隧道的工程实践经验，采取工程类比与理论相结合的方式，在分析四车道大断面隧道力学特性、稳定性的基础上，从经济、安全、技术方面对隧道施工方案进行优化，研究适合西南地区卡斯特地貌四车道大断面隧道的施工方法。
1、工程概况
黔灵山隧道，起于南垭路，至于黔灵湖大桥，左洞长1039m，右洞长1018m（IV级围岩长度占71%、V级围岩长度占29%。），为双向八车道小净距隧道。隧道衬砌内轮廓为三心圆曲墙结构，隧道最大开挖断面255m2，最大开挖高度14m，最大宽度21.65m；内轮廓拱顶高9.15ｍ，净宽18.5ｍ，扁平率0.65。隧道建筑限界18.25x5m。左右洞最小净距12米。是贵州省目前最大跨度城市隧道。
图1 隧道结构断面图
2、水文气候地质
本隧址位于贵阳市云岩区黔灵山，属于高原亚热带气候特征，隧道穿越区域为残坡积台地及低山丘陵，支沟较发育，山体与隧道呈近似直角，边坡坡度约10°～35°，坡面植被茂盛，地表水体不发育，地下水的分布情况较复杂。
覆盖层由第四系坡、残积土组成，基岩主要为白云岩岩，岩体风化差异很大，不均匀现象显著。基岩岩性为三叠系大冶组1段薄-中厚层灰岩，节理裂隙发育，节理倾向变化较大，多呈张开状，多为泥质充填，胶结差。岩层产状为307°∠75～317°∠85°，洞轴线走向与岩层走向夹角为34°，岩体总体较破碎。
3、施工方案
目前国内超大大断面扁平隧道开挖根据新奥法设计与施工技术，常采用环形开挖预留核心土、双侧壁导坑法、CRD交叉中隔壁法等分部开挖法。通常根据具体情况以其中一种为主，再辅以其他方法可以达到控制围岩稳定的目的。
黔灵山隧道V、IV级围岩地段设计采用双侧壁导坑法开挖，（软弱围岩处考虑施工安全，上导坑结合短台阶法分为多次开挖）。衬砌采用双层初期支护。先施工第一层初期支护，在拆除临时侧壁后，立即施做第二层初期支护，以保证拆除临时侧壁以后至二次衬砌形成强度之前围岩级隧道结构稳定。
⑴ 双侧壁施工施工工序
施工开挖过程：
①、开挖左侧上导坑；
②、依次施工左侧上导坑初期支护、临时支护、临时仰拱、锁脚锚杆；
③、开挖右侧上导坑；
④、依次施工右侧上导坑初期支护、临时支护、临时仰拱、锁脚锚杆；
⑤、开挖中部导坑上台阶；
⑥、施工拱部第一层初期支护；
⑦、开挖中部导坑中台阶；
⑧、施工临时仰拱；
⑨、开挖左侧下导坑；
⑩、施工左侧下导坑初期支护、临时支护、锁脚锚杆；
?、开挖右侧下导坑；
?、施工右侧下导坑初期支护、临时支护、锁脚锚杆；
?、开挖中部导坑下台阶；
?、施工中部导坑下台阶第一层初期支护；
?、施工仰拱第二层初支、仰拱及回填；拆除临时支护及临时仰拱；施工拱墙部第二层初期支护；铺设防水结构层，整体浇注拱墙部二次衬砌混凝土。
图2 隧道双侧壁施工施工工序图
临时支护的拆除必须在围岩和初期支护变形稳定后进行，拆除时及时掌握围岩和初期支护变形情况，一次拆除的长度应根据量测结果调整（结合监测数据按4m，2m，1m的间距拆除，确保一次能施做长度不大于6m）。必要时可采取措施对初期支护进行局部加强，同时尽早将二衬封闭成环、已策安全。
4、大断面隧道基本力学特征及受力分析
在隧道工程设计、施工时，正确计算围岩压力对于隧道结构的稳定性至关重要。对于大断面隧道，为保证隧道内空间的利用效率，只有降低压扁率才能实现，这将对围岩的稳定性和结构的稳定性产生很大的影响，特别是在自重应力为主的情况下，对拱结构的形状影响更大。
隧道开挖前，围岩的原始应力主要由自重应力和构造应力构成，它们沿不同方向传递，使得围岩中的任何元素都处于三向应力平衡状态。在岩体中开挖隧道后，隧道周围岩体原有的应力平衡遭到破坏，由原来的三向应力转变为二向应力。同时，由于隧道上部岩体失去支撑，隧道顶部岩体的重力即转加于隧道边墙，使隧道边墙岩体中的铅垂应力增大；原来由隧道内岩体传递的水平应力，由于隧道空间的形成，也只能通过顶、底板相互传递。因而，也使隧道顶、底板掩体的水平应力发生变化，直到出现新的应力平衡为止。
围岩压力是岩体受扰动产生应力重分配过程中的围岩变形受到支护结构的阻挡而在支护与围岩结构面上所产生的压力。一般而言，围岩压力包括松动压力和变形压力两种。
大断面隧道的基本力学特性，以双侧壁开挖为例通过有限元模拟开挖过程荷载。发现采用双侧壁导坑法，隧道开挖施工的断面分块数量多、多次卸载，对围岩的扰动次数增加，初期支护全断面闭合时间较长，但各分块都是在开挖后立即各自闭合，确保一次应力释放不会太大，最大限度地保持围岩的身稳定性，够较好地控制围岩的变形，安全性较为突出，在地质条件差、断面跨度大、地表沉降控制要求严格的隧道施工中，有着较好的效果。
（仿真模拟过程中剔除相应模拟开挖岩体单元，替换加固区域材料模拟锚杆加固，相应梁单元模拟喷射混凝上和仰拱激活，移除相应梁单元模拟临时支撑的拆除。）
⑴拱顶围岩压力特征
在大断面隧道施工过程中，拱顶出现破碎围岩段，沉降较大，塌落拱形成后，塌落拱自身状态也处于不断发展的过程。
首先，导洞开挖后，如果支护及时，由于侧压力系数较大，两侧墙支护内挤，拱顶沉降较小，这时候，由于核心土的存在，塌落拱内的围岩变形也较小，核心土上方的围岩扰动很小，围岩的自承载能力发挥作用。其次，核心土开挖后，大断面形成后，上部岩体没有核心土的支撑，上部岩体成拱形，两个拱脚落在拱肩支护结构和边墙的岩体上，造成拱肩部围岩压力较大。同时作用在拱部的岩体体积较小，拱顶围岩压力较小。
基于以上两方面原因，对于大断面隧道在两导洞和全断面情况下，由于塌落拱的发展，塌落拱内的围岩压力，才是拱顶围岩压力而拱肩的压力，而拱肩压力则是围岩压力和弹性抗力的组合，到最终反而出现了拱顶围岩压力小于两拱肩的情况。具体发展情况见图4-5
图4两导洞开挖后塌落拱的发展状况 图5核心土开挖后塌落拱的发展情况
⑵侧壁围岩力学特性
①导洞开挖过程中的侧壁围岩力学特性
导洞开挖过程中，由于支护结构水平向承载能力较弱，支护结构的位移常以水平向的收敛为主，作用于支护结构两侧的侧压力对支护结构的稳定有重要的影响。
破碎围岩段侧压力系数一般较大，一般不会因开挖卸载产生形变压力，因此最大主应力方向仍应是垂直方向。在浅埋段，当围岩较为破碎，上部作用仅仅是松散压力时，不同的断面扁平率结构对周边围岩应力的变化影响较大。
②大断面形成后的侧壁围岩力学特性
大断面隧道支护结构施作后，底部围岩及两侧壁边墙处为平衡支护结构传递的上部围岩压力而产生弹性抗力。根据隧道变形监测数据，隧道拱顶沉降量较大，两侧壁逐渐远离，这必然对围岩产生压缩应力，此时围岩的弹性抗力系数对支护结构的稳定性有重要影响。
围岩抗力是支护结构的变形所引起，其大小和分布与支护结构的变形性质有关，一般支护变形越大，围岩反力就越大。同时围岩反力又和围岩性质、支护与围岩接触紧密程度等有关。围岩越硬，反力也越大。
虽然围岩反力是一种被动力，但它对于支护结构来说仍然是一种外部荷载，通常情况下，它总是在围岩压力较小的方向上分布，使外荷载均匀化（这是理想的情况）。围岩反力的增大有利于维持支护结构的稳定和减小支护结构的弯矩，对支护结构工作是有利的，所以应很好地加以利用。
⑶核心土岩柱力学特性
核心土的留设可显著改善隧道工作面的稳定性；能显著减小地层的水平位移，抑止工作面前方地层垂直位移；留设核心土可使工作面前方土体处于三向应力状态。核心土岩柱开挖扰动及核心土岩柱的受力状态如图6和7所示。
图6导坑开挖后核心土岩柱扰动区范围示意图
此时，影响核心土稳定的关键问题有两点：一是核心土岩柱自身强度，二是核心土岩柱临时支护强度。一般情况下，侧壁岩体屈服破坏，高应力区向岩体深部移动，应力集中得到缓解，此时，支护结构的设计要保证侧壁围岩不被挤出。而在核心岩柱受力的情况下，由于其自身宽度小，剪切面交叉，其强度大大降低，更容易引起围岩失稳。核心土岩柱剪切受力情况见图8。
⑷底部围岩力学特性
支护结构底部围岩压力是围岩在岩体开挖卸载后围岩的膨胀形变压力，是真正的地层压力。形变压力的确定与围岩自身的特性有关，当围岩相对破碎且无膨胀特性时，在仰拱施作前，围岩形变压力释放完毕，此时底部围岩的变形压力可以忽略不计，底部围岩作用于仰拱上的力仅弹性抗力。在荷载计算时，采用均布弹性抗力，底部依靠均布弹性自身的变形来平衡上部围岩的压力。当有膨胀压力，或围岩较为完整，卸载后存在形变 压力时，底部要提供围岩压力。
图7核心土岩柱受力状态简图
底部围岩力学特性的主要表现为隧道底鼓，同时也是软岩隧道中影响隧道稳定性围岩变形和破坏的主要方式之一。
图8核心土岩柱剪切面示意图
5、结论与建议
综上所述，可以将大断面扁平隧道基本力学特性概括为以下几点：
①大断面隧道由于宽度加大，而高度基本保持不变，因此，形成一个扁平的拱结构，其在力学分析上可以近似看作椭圆。
②大断面隧道的断面加大，使得开挖引起的应力重分布趋于不利。
③扁平率过小，围岩呈现大面积塑性化，拱顶下沉和仰拱隆起严重，墙腰处的应力集中严重，洞室稳定性差。
④扁平椭圆形隧道的长轴两端点附近应力集中较大，易引起压碎破坏，而短轴两端区域易出现拉应力集中，不利于围岩稳定，应力集中的最小值取决于围岩压力侧压系数和椭圆隧道长短轴的比值。
⑤拱顶围岩稳定性较差，底脚处的应力集中较大，要求地基承载力较高。拱顶下沉和仰拱隆起严重，应力集中在墙腰处，整个隧道的稳定性差，而且很容易形成一个大的剪切破坏区，大断面隧道需要采用强有利的支护措施。
⑥开挖宽度和开挖高度越大，产生拱效应所需的埋深越大，在埋深小，拱作用不能发挥的情况下，会产生很大的松弛压力。
⑦支护结构的承载力相对较小。跨度越大，扁平形状的拱形支护结构的承载力也越小。
⑧所有单隧道四车道大断面隧道均应设置仰拱结构，并采取措施保证隧道支护结构局部和整体稳定性。
建议：岩溶地区大断面隧道地质具有多样性和复杂性等特点，因此施工过程中受力结构也具有复杂性，应加强前期勘察工作，在此基础上建立符合特定工程的相关力学理论预测模型，开挖过程中尽可能采取控制爆破技术，不破坏围岩的稳定性并进行灾害预测预报工作。
参考文献
[1]夏永旭，王永东.隧道结构力学计算[M].北京：人民交通出版社，2004.
[2]刘彤，刘伟，刘新东.高速公路特大断面隧道施工过程数值分析，四川建筑科学研究，2007
[3]吴崔鹏.大断面隧道施工过程数值分析[J].2009
[4]皇民，肖昭然，郭成龙，苑俊杰.双侧壁导坑与CD法对超大断面隧道开挖影响分析[J].交通科技与经济，2016
[5]谢东武.特大断面大跨度隧道断面形式与支护参数优化[J].2007
[6]宫成兵，张武祥，杨彦民.大断面单洞四车道公路隧道结构设计与施工方案探讨[J].公路，2004（6）：177-182人民交通出版社，2004.
[7]王学斌.超浅埋大断面隧道双侧壁导坑法施工参数优化研究[J].福建建设科技，2012（06）：78-80.
[8]李晋宝，高爱林，赵志涛.超大断面暗挖睡到双侧壁导坑发施工沉降预测及控制[J].铁道建筑技术，2011
论文作者:郭胜涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/10
标签：围岩论文; 隧道论文; 断面论文; 导坑论文; 应力论文; 压力论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;