麥積山隧道不同級別的圍巖襯砌結構受力分析

張 佳

（山西交通職業技術學院,太原 030619）

1 引言

甘肅省天水市境內的麥積山特長隧道，是連接陜西省寶雞市和甘肅省天水市的寶～天高速公路的重點控制性工程，為上下行分離式四車道隧道，隧道全長12.29km。隧址區的巖性主要以沉積破碎角礫巖、火成花崗巖、變質巖類的片巖、大理巖和片麻巖為主，圍巖級別以Ⅲ、Ⅳ級為主，隧道局部穿越斷層破碎帶，屬于Ⅴ級圍巖。

麥積山隧道的支護結構為錨噴支護與模筑混凝土組成的復合式襯砌，其中：Ⅲ級圍巖地段設計無仰拱，初支厚度為10cm，由鋼筋網和噴射混凝土組成，二襯為模筑素混凝土，厚30cm；Ⅳ級圍巖地段初支厚度為22cm，由系統錨桿、鋼筋網和噴射混凝土組成，仰拱由模筑混凝土和片石混凝土組成，厚度為40cm，二襯為模筑素混凝土，厚度為40cm；Ⅴ級圍巖地段采取了超前錨桿的預加固措施，同時，初支厚度為25cm，由噴射混凝土、系統錨桿、格柵拱架和鋼筋網組成，仰拱由模筑混凝土和片石混凝土組成，厚度為40cm，二襯為模筑混凝土，厚度為40cm[1]。

麥積山隧道圍巖壓力量測元件采用振弦式土壓力盒，分別選取右洞不同圍巖級別的典型斷面：Ⅲ級YK30+002、Ⅳ級YK29+632和Ⅴ級YK29+392，從08年8月至09年6月，通過10個月的現場量測，分別對量測數據進行處理分析，從而實現監控量測指導施工、查驗支護效果以及修正設計的目的。

2 Ⅲ級圍巖壓力量測結果及分析

右洞YK30+002量測地段圍巖為Ⅲ級，采用全斷面光面爆破開挖。量測結果如圖1～圖2，從圍巖壓力分布結果看：

圖1 Ⅲ級圍巖初支壓力值分布圖(kPa)

圖2 Ⅲ級圍巖二襯壓力值分布圖(kPa)

（1） 圍巖與初支之間的接觸壓力分布不均勻，兩側壓力不對稱，說明初支受到圍巖的偏壓，相比較而言，左側圍巖壓力較大，這是由于左側巖體強度較低，自穩性較差，在應力重分布的過程中對支護造成了較大的壓力，特別是拱腳和邊墻的位置，初支承受的圍巖壓力達到了101.4kPa和178.2kPa，在隧道開挖過程中要適當加強左側圍巖和支護狀況的監測。

（2）初支與二襯之間的接觸壓力相對較小，壓力整體分布均勻，兩側基本對稱，說明初支已經承擔了圍巖的大部分荷載，二襯僅作為安全儲備。

由圍巖與初支之間的接觸壓力值及初支與二襯之間的接觸壓力值可以得出該斷面處整個支護系統中初支與二襯的圍巖荷載分擔比。如表1所示。

表1 初期支護與二次襯砌荷載分擔比

從表中可以看出：初支對圍巖的荷載分擔比為91.5%，二襯對圍巖的荷載分擔比為8.5%；這說明在隧道III級圍巖的施工中，以噴射混凝土和鋼筋網為系統的初期支護作為主要的隧道支護結構承擔了絕大部分的荷載，與二襯結合有效的提高了整個支護系統的安全性和穩定性。考慮到圍巖與初支壓力分布的不對稱，特別是初支左側受到的圍巖壓力較大，在開挖過程中，要加強左側的襯砌支護，可以考慮左側施做局部錨桿，引入支護參數的不對稱設計理念。

3 IV級圍巖壓力量測結果及分析

右洞YK29+632量測地段圍巖級別為Ⅳ級，由于該處圍巖穩定性較好，經第三方機構測試[BQ]值為346，屬于Ⅳ級偏強圍巖，所以結合實際情況，該地段施工同樣采用了光面爆破全斷面開挖，量測結果如圖3～圖4，從圍巖壓力分布結果看：

圖3 Ⅳ級圍巖初支壓力值分布(kPa)

圖4 Ⅳ級圍巖二襯壓力值分布(kPa)

（1） 圍巖與初支之間的接觸壓力分布不均勻，兩側不對稱，在右側拱肩部位壓力較大，壓力值達到109.8kPa,說明此處圍巖受開挖影響釋放了較大應力，施工中應加強右側拱肩的監測并適當加強支護。其它部位圍巖壓力相對較小，說明該地段圍巖整體具有一定的自穩能力，開挖后圍巖應力調整幅度不大。

（2）二襯與初支之間的接觸壓力相對較小，最大受力處位于右側邊墻處，為2.6kPa,遠遠小于設計值，說明二襯充分發揮了襯砌安全儲備的作用[2]。

（3）該地段屬于深埋地質條件下的Ⅳ級圍巖，施工中圍巖無塌方，支護結構無明顯變形和裂縫，襯砌結構受力穩定，說明支護結構的設計參數是可靠的。

由圍巖與初支之間的接觸壓力值及初支與二襯之間的接觸壓力值可以得出該斷面處整個支護系統中初支與二襯的圍巖荷載分擔比。如表2所示。

表2 初期支護與二次襯砌荷載分擔比

從表中可以看出：初支荷載分擔比為96.1%，二襯荷載分擔比為3.9%；這說明在隧道IV級圍巖的施工中，以噴射混凝土、鋼筋網、錨桿為系統的初支作為主要的隧道支護結構承擔了絕大部分的圍巖荷載，與二襯共同作用提高了支護的穩定性。考慮到初支壓力分布的不對稱性，特別是右側拱肩部位局部壓力較大，在施工過程中加強該處的監測同時適當考慮加強初支右側拱肩部位的支護參數。

4 V級圍巖壓力量測結果及分析

右洞YK29+392量測地段圍巖級別為Ⅴ級，量測結果如圖5～圖6，從圍巖壓力的分布結果看：

圖5 Ⅴ級圍巖初支壓力值分布(kPa)

圖6 Ⅴ級圍巖二襯壓力值分布(kPa)

（1）圍巖與初支之間的接觸壓力分布變化較大，整體看兩側基本對稱，局部變化較大，說明在斷層破碎帶圍巖地段初支的壓力分布并不均勻，相比較而言，右拱腰處壓力較大，主要由于右側圍巖強度相對較低，自穩性較差，開挖過程中曾發生過局部掉塊和坍塌。

（2） 二襯與初支之間的接觸壓力分布變化較大，兩側拱腰處壓力較大，因為該地段圍巖較破碎，整體穩定性較差，巖體自承能力較弱，初支與二襯均承受了一定的圍巖荷載壓力。

由圍巖與初支之間的接觸壓力值及初支與二襯之間的接觸壓力值可以得出該斷面處整個支護系統中初支與二襯的圍巖荷載分擔比。如表3所示。

從表中可以看出：初支荷載分擔比為78.8%，二襯荷載分擔比為21.2%；這說明在隧道V級圍巖的施工中，以噴射混凝土、鋼筋網、系統錨桿、格柵拱架為系統的初期支護作為主要的隧道支護結構僅僅承擔了一部分的荷載，而作為安全儲備的二次襯砌承擔了21.2%的荷載，特別是在右拱肩的位置處，二襯承擔了49.5%的圍巖荷載，在施工中要加強該處的監測并適當對初支的設計參數做出加強性的調整，所以在隧道V級圍巖的支護設計過程中，要加強初支的設計參數，讓初支承擔更大比例的圍巖壓力[3]。

表3 初期支護與二次襯砌荷載分擔比

5 主要結論與認識

本文通過對麥積山隧道不同級別圍巖的襯砌結構受力結果分析得出了以下主要結論：

（1）圍巖與初支之間的接觸壓力分布不均勻，兩側壓力不對稱，這是因為巖體的不均勻性而產生的。在V級圍巖地段拱腰處的壓力較大，而拱頂處的壓力較小，這主要是因為拱頂下沉量大，壓力隨支護變形向兩側移動，從而造成拱頂處的壓力減小。

（2）在III、IV級圍巖地段，由于巖體自身的穩定性、開挖后，巖體很快達到新的平衡，變形較小，初支承受了圍巖的大部分荷載，二襯相對受力很小，僅作為安全儲備，所以相關的支護設計是合理的；在V級圍巖地段，由于巖體較破碎，自穩能力較差，為了施工的安全，在圍巖變形沒有達到穩定的情況下就施做二襯，二襯就承擔了一部分圍巖壓力，所以在V級圍巖地段的隧道施工中，可以調整開挖方式，同時在支護設計上，對初支的設計參數要做出適當的調整，充分發揮初支的承載作用，讓圍巖盡快達到穩定[4]。

[1]鹿江.復雜地質條件下公路隧道受力性狀分析及結構可靠性評價[D].長安大學碩士學位論文,2010.

[2]華開城.麻崖子不同級別圍巖隧道結構受力特性分析與安全性評價[D].大學碩士學位論文,2014.

[3]張佳.瑤寨隧道斷層破碎帶結構受力與變形特性分析[D].大學碩士學位論文,2013.

[4]來弘鵬，謝永利，楊曉華.黃土公路受力特性測試[J].長安大學學報（自然科學版）,2005,25(06):53-56.