麥積山隧道不同級別的圍巖襯砌結(jié)構(gòu)受力分析

張 佳

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030619）

1 引言

甘肅省天水市境內(nèi)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(diǎn)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(qū)的巖性主要以沉積破碎角礫巖、火成花崗巖、變質(zhì)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(hù)結(jié)構(gòu)為錨噴支護(hù)與模筑混凝土組成的復(fù)合式襯砌，其中：Ⅲ級圍巖地段設(shè)計無仰拱，初支厚度為10cm，由鋼筋網(wǎng)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(tǒng)錨桿、鋼筋網(wǎng)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(yù)加固措施，同時，初支厚度為25cm，由噴射混凝土、系統(tǒng)錨桿、格柵拱架和鋼筋網(wǎng)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(xiàn)場量測，分別對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控量測指導(dǎo)施工、查驗(yàn)支護(hù)效果以及修正設(shè)計的目的。

2 Ⅲ級圍巖壓力量測結(jié)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(jié)果如圖1～圖2，從圍巖壓力分布結(jié)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(cè)壓力不對稱，說明初支受到圍巖的偏壓，相比較而言，左側(cè)圍巖壓力較大，這是由于左側(cè)巖體強(qiáng)度較低，自穩(wěn)性較差，在應(yīng)力重分布的過程中對支護(hù)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(dá)到了101.4kPa和178.2kPa，在隧道開挖過程中要適當(dāng)加強(qiáng)左側(cè)圍巖和支護(hù)狀況的監(jiān)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(cè)基本對稱，說明初支已經(jīng)承擔(dān)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(hù)系統(tǒng)中初支與二襯的圍巖荷載分擔(dān)比。如表1所示。

表1 初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比

從表中可以看出：初支對圍巖的荷載分擔(dān)比為91.5%，二襯對圍巖的荷載分擔(dān)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(wǎng)為系統(tǒng)的初期支護(hù)作為主要的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)了絕大部分的荷載，與二襯結(jié)合有效的提高了整個支護(hù)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性?？紤]到圍巖與初支壓力分布的不對稱，特別是初支左側(cè)受到的圍巖壓力較大，在開挖過程中，要加強(qiáng)左側(cè)的襯砌支護(hù)，可以考慮左側(cè)施做局部錨桿，引入支護(hù)參數(shù)的不對稱設(shè)計理念。

3 IV級圍巖壓力量測結(jié)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(wěn)定性較好，經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)測試[BQ]值為346，屬于Ⅳ級偏強(qiáng)圍巖，所以結(jié)合實(shí)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(jié)果如圖3～圖4，從圍巖壓力分布結(jié)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(cè)不對稱，在右側(cè)拱肩部位壓力較大，壓力值達(dá)到109.8kPa,說明此處圍巖受開挖影響釋放了較大應(yīng)力，施工中應(yīng)加強(qiáng)右側(cè)拱肩的監(jiān)測并適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)。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(wěn)能力，開挖后圍巖應(yīng)力調(diào)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(cè)邊墻處，為2.6kPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計值，說明二襯充分發(fā)揮了襯砌安全儲備的作用[2]。

（3）該地段屬于深埋地質(zhì)條件下的Ⅳ級圍巖，施工中圍巖無塌方，支護(hù)結(jié)構(gòu)無明顯變形和裂縫，襯砌結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)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(hù)系統(tǒng)中初支與二襯的圍巖荷載分擔(dān)比。如表2所示。

表2 初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比

從表中可以看出：初支荷載分擔(dān)比為96.1%，二襯荷載分擔(dān)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(wǎng)、錨桿為系統(tǒng)的初支作為主要的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)了絕大部分的圍巖荷載，與二襯共同作用提高了支護(hù)的穩(wěn)定性?？紤]到初支壓力分布的不對稱性，特別是右側(cè)拱肩部位局部壓力較大，在施工過程中加強(qiáng)該處的監(jiān)測同時適當(dāng)考慮加強(qiáng)初支右側(cè)拱肩部位的支護(hù)參數(shù)。

4 V級圍巖壓力量測結(jié)果及分析

右洞YK29+392量測地段圍巖級別為Ⅴ級，量測結(jié)果如圖5～圖6，從圍巖壓力的分布結(jié)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(cè)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(cè)圍巖強(qiáng)度相對較低，自穩(wěn)性較差，開挖過程中曾發(fā)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(cè)拱腰處壓力較大，因?yàn)樵摰囟螄鷰r較破碎，整體穩(wěn)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(hù)系統(tǒng)中初支與二襯的圍巖荷載分擔(dān)比。如表3所示。

從表中可以看出：初支荷載分擔(dān)比為78.8%，二襯荷載分擔(dān)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(wǎng)、系統(tǒng)錨桿、格柵拱架為系統(tǒng)的初期支護(hù)作為主要的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)僅僅承擔(dān)了一部分的荷載，而作為安全儲備的二次襯砌承擔(dān)了21.2%的荷載，特別是在右拱肩的位置處，二襯承擔(dān)了49.5%的圍巖荷載，在施工中要加強(qiáng)該處的監(jiān)測并適當(dāng)對初支的設(shè)計參數(shù)做出加強(qiáng)性的調(diào)整，所以在隧道V級圍巖的支護(hù)設(shè)計過程中，要加強(qiáng)初支的設(shè)計參數(shù)，讓初支承擔(dān)更大比例的圍巖壓力[3]。

表3 初期支護(hù)與二次襯砌荷載分擔(dān)比

5 主要結(jié)論與認(rèn)識

本文通過對麥積山隧道不同級別圍巖的襯砌結(jié)構(gòu)受力結(jié)果分析得出了以下主要結(jié)論：

（1）圍巖與初支之間的接觸壓力分布不均勻，兩側(cè)壓力不對稱，這是因?yàn)閹r體的不均勻性而產(chǎn)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?yàn)楣绊斚鲁亮看?，壓力隨支護(hù)變形向兩側(cè)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(wěn)定性、開挖后，巖體很快達(dá)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(guān)的支護(hù)設(shè)計是合理的；在V級圍巖地段，由于巖體較破碎，自穩(wěn)能力較差，為了施工的安全，在圍巖變形沒有達(dá)到穩(wěn)定的情況下就施做二襯，二襯就承擔(dān)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(diào)整開挖方式，同時在支護(hù)設(shè)計上，對初支的設(shè)計參數(shù)要做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，充分發(fā)揮初支的承載作用，讓圍巖盡快達(dá)到穩(wěn)定[4]。

[1]鹿江.復(fù)雜地質(zhì)條件下公路隧道受力性狀分析及結(jié)構(gòu)可靠性評價[D].長安大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[2]華開城.麻崖子不同級別圍巖隧道結(jié)構(gòu)受力特性分析與安全性評價[D].大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[3]張佳.瑤寨隧道斷層破碎帶結(jié)構(gòu)受力與變形特性分析[D].大學(xué)碩士學(xué)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(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2005,25(06):53-56.