□史改利(洛陽(yáng)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院)

□黃曉林 □高 波 □韓永楠(洛陽(yáng)市河渠管理處)

一、工程概況

嵩縣洛盧公路老道溝隧道，位于K16+320～K16+605里程之間，全長(zhǎng)284m，隧道凈斷面尺寸為5.0m×10.5m，隧道穿越風(fēng)化和微風(fēng)化的安山巖地層。地表第四系覆蓋不厚，時(shí)斷時(shí)續(xù)，一般厚度為0～15m，其中黃土厚度為0～3m，碎石層厚為3～12m。碎石土下為風(fēng)化或新鮮巖層，石質(zhì)堅(jiān)硬。隧道穿越不高的山梁，一般埋置深度不大，多在10～70m。本地區(qū)無大的地質(zhì)結(jié)構(gòu)大斷裂，地下水不發(fā)育，僅有少量地表滯水和巖層裂隙水，這對(duì)隧道的施工和營(yíng)運(yùn)是有利的。

二、圍巖應(yīng)力重分布的一般特征

隧洞開挖前，巖體內(nèi)任意點(diǎn)上的壓力都是平衡的，隧洞開挖后，原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，圍巖內(nèi)的應(yīng)力就要重新分布，至建立新的平衡狀態(tài)為止。應(yīng)力重新分布與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)及隧洞斷面的形狀等各種因素有關(guān)。

由于隧洞開挖后引起洞周邊應(yīng)力集中,當(dāng)周邊應(yīng)力小于巖體的強(qiáng)度（脆性巖）或屈服極限（塑性巖）時(shí)，隧洞圍巖穩(wěn)定。否則，周邊圍巖首先破壞或出現(xiàn)大的塑性變形，并向深部擴(kuò)展到一定的范圍形成松動(dòng)圈。在松動(dòng)圈形成的過程中，隧洞周邊集中的高應(yīng)力逐漸向松動(dòng)圈外轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力升高區(qū)，該區(qū)巖體擠壓的緊密，宛如一圈天然加固的巖體，故稱承載圈。如果巖體非常軟弱或處于塑性狀態(tài)，則隧洞開挖后，由于塑性松動(dòng)圈的不斷擴(kuò)展，承載圈就很難形成。這時(shí)巖體始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，開挖隧洞就十分困難，要維持圍巖穩(wěn)定就要進(jìn)行支撐和襯砌。

三、圍巖變形破壞的特點(diǎn)

圍巖變形和破壞失穩(wěn)的形成，除與巖體內(nèi)初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形有關(guān)外，主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)特征。該隧洞圍巖主要為碎裂結(jié)構(gòu)巖體，其主要特征是巖體被各種硬性結(jié)構(gòu)面（如節(jié)理）切割成大小和形狀不同的分離體，其中有不規(guī)則塊狀的，砌體狀的和碎塊狀的幾種類型。該類巖體的破壞機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，既有沿結(jié)構(gòu)面滑移和張裂，也有結(jié)構(gòu)體的剪切，張裂及塑性流動(dòng)等。破裂巖體穩(wěn)定強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)效應(yīng)顯著，通常隨著結(jié)構(gòu)體數(shù)的增加，巖體的整體強(qiáng)度隨之降低。因此，控制該類巖體穩(wěn)定性的主要因素是巖體的完整性、結(jié)構(gòu)面性能及結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

塊狀結(jié)構(gòu)圍巖的穩(wěn)定性，取決于巖塊的形狀、結(jié)構(gòu)性質(zhì)及巖塊間咬合的程度，其變形和破壞主要表現(xiàn)為大塊巖石冒落或滑落。

當(dāng)節(jié)理切割的分離巖塊出露于拱頂時(shí)，尖棱朝下的楔形體，較尖棱朝上者穩(wěn)定，若上述楔形巖塊出露于側(cè)壁時(shí)，其穩(wěn)定性與上述情況相反。

砌塊狀結(jié)構(gòu)圍巖的變形和破壞特征還受產(chǎn)狀的控制。一般在開挖后，頂拱砌塊將發(fā)生松弛下沉。如砌塊間摩阻力較小時(shí)，則拱頂巖塊將塌落形成梯形或三角形的塌落拱，否則下沉不再繼續(xù)發(fā)展。

碎塊狀圍巖較少,其主要特征是結(jié)構(gòu)面密集雜亂，從而導(dǎo)致巖體完全解體。這類巖體的不良作用非常明顯，巖體具有塑性和流變特征。

四、對(duì)圍巖穩(wěn)定的設(shè)計(jì)措施

在隧洞設(shè)計(jì)中，曾廣泛應(yīng)用普洛托基雅克夫的理論計(jì)算山巖壓力。該隧洞采用“新奧法”設(shè)計(jì)理論?！靶聤W法”設(shè)計(jì)理論與“普氏”的平衡拱理論（塌落拱或壓力拱）相比，有顯著的不同。平衡拱理論認(rèn)為塌落拱內(nèi)巖體的重量就是垂直的山巖壓力，并作為襯砌設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要荷載?！靶聤W法”是在隧洞開挖后，圍巖大量變形以前適時(shí)進(jìn)行支護(hù)，其作用是密封巖面，防止圍巖風(fēng)化。粘結(jié)和充填巖層裂隙，防止圍巖松動(dòng)，圍巖與支護(hù)在共同變形的過程中，逐漸穩(wěn)定，達(dá)到主動(dòng)加固圍巖，提高其強(qiáng)度和完整性。有效地控制和調(diào)整了圍巖應(yīng)力的變化，充分發(fā)揮了圍巖自身的承載能力，因而將圍巖從荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǔ休d能力的結(jié)構(gòu)。

五、對(duì)隧洞圍巖的支護(hù)

隧洞圍巖的松動(dòng)圈一旦形成，圍巖就會(huì)坍塌或向洞內(nèi)產(chǎn)生大的塑性變形，要維持圍巖穩(wěn)定就必須進(jìn)行支護(hù)。由20世紀(jì)50年代噴錨支護(hù)技術(shù)發(fā)展而來，對(duì)圍巖穩(wěn)定，廣泛采用噴射混凝土的連續(xù)支護(hù)。本隧洞采用“新奧法”設(shè)計(jì)方案，開挖后，適時(shí)有效地對(duì)圍巖表面噴射5cm厚ZP型早強(qiáng)混凝土，密封巖面，防止圍巖風(fēng)化。必要時(shí)，先在拱部布設(shè)鋼插管，予注水泥漿。圍巖表面噴射5cm厚ZP型早強(qiáng)混凝土，作為臨時(shí)支護(hù)。由于圍巖的變形和破壞有一發(fā)展過程，所以，待間隔一定時(shí)間后，再布設(shè)格柵鋼架、砂漿錨桿、邊墻鋼筋網(wǎng)等設(shè)施，然后按設(shè)計(jì)要求，復(fù)噴25cm厚混凝土，承受圍巖壓力和自身荷載，復(fù)噴混凝土作為永久支護(hù)。待隧洞噴射混凝土支護(hù)后，利用全斷面鋼模臺(tái)車進(jìn)行模注混凝土襯砌30cm厚，該層混凝土僅承受特殊荷載和安全儲(chǔ)備。實(shí)踐證明，將噴錨支護(hù)與現(xiàn)澆混凝土襯砌相比，如噴錨支護(hù)作為永久支護(hù)時(shí)，可減薄混凝土襯砌厚度50%左右，節(jié)約水泥1/2～1/3，縮短工期1/2～1/3，減少勞動(dòng)力和投資1/2以上。不需要安裝模板和進(jìn)行回填灌漿，操作方便，施工安全。

六、隧洞現(xiàn)場(chǎng)檢控量測(cè)及計(jì)算

本隧洞采用“新奧法”設(shè)計(jì)施工，在施工中為掌握圍巖和支護(hù)的力學(xué)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定程度，以及確定施工工序，保證施工安全，所以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)是十分必要的。

通過收斂計(jì)、羅盤、水平儀、水準(zhǔn)儀等工具，針對(duì)巖性結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及支護(hù)裂縫、周邊位移、拱頂或地表下沉等項(xiàng)目的觀察及量測(cè)，經(jīng)有關(guān)數(shù)據(jù)的分析處理與必要的計(jì)算和判斷后進(jìn)行預(yù)測(cè)和反饋，以保證施工安全和隧洞穩(wěn)定。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)繪制位移—時(shí)間曲線。曲線的時(shí)間橫坐標(biāo)下應(yīng)注明施工工序和開挖面距量測(cè)斷面的距離。當(dāng)位移—時(shí)間曲線趨于平緩時(shí)，應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或回歸分析，以推算最終位移變化規(guī)律。當(dāng)位移—時(shí)間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，即位移出現(xiàn)反常的急驟增長(zhǎng)現(xiàn)象，此時(shí)表明圍巖和支護(hù)呈不穩(wěn)定狀態(tài)。通過周邊任意點(diǎn)的實(shí)測(cè)相對(duì)位移或用回歸分析推算的最終位移值均應(yīng)小于表內(nèi)所列數(shù)據(jù)。

隧道（洞）周邊允許相對(duì)位移值表

七、結(jié)束語

根據(jù)“新奧法”設(shè)計(jì)方案，開挖后，適時(shí)有效地對(duì)圍巖進(jìn)行表面初噴及復(fù)噴混凝土，達(dá)到密封圍巖和承受圍巖壓力及自重荷載的目的。它與現(xiàn)澆混凝土襯砌相比，可以減薄混凝土襯砌厚度 50%左右，節(jié)約水泥1/2～1/3，縮短工期1/2～1/3，減少勞動(dòng)力和投資1/2以上。不需要安裝模板和進(jìn)行回填灌漿，操作方便，施工安全，因此，認(rèn)為這種“新奧法”設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步推廣。