麦积山隧道不同级别的围岩衬砌结构受力分析

张 佳

（山西交通职业技术学院,太原 030619）

1 引言

甘肃省天水市境内的麦积山特长隧道，是连接陕西省宝鸡市和甘肃省天水市的宝～天高速公路的重点控制性工程，为上下行分离式四车道隧道，隧道全长12.29km。隧址区的岩性主要以沉积破碎角砾岩、火成花岗岩、变质岩类的片岩、大理岩和片麻岩为主，围岩级别以Ⅲ、Ⅳ级为主，隧道局部穿越断层破碎带，属于Ⅴ级围岩。

麦积山隧道的支护结构为锚喷支护与模筑混凝土组成的复合式衬砌，其中：Ⅲ级围岩地段设计无仰拱，初支厚度为10cm，由钢筋网和喷射混凝土组成，二衬为模筑素混凝土，厚30cm；Ⅳ级围岩地段初支厚度为22cm，由系统锚杆、钢筋网和喷射混凝土组成，仰拱由模筑混凝土和片石混凝土组成，厚度为40cm，二衬为模筑素混凝土，厚度为40cm；Ⅴ级围岩地段采取了超前锚杆的预加固措施，同时，初支厚度为25cm，由喷射混凝土、系统锚杆、格栅拱架和钢筋网组成，仰拱由模筑混凝土和片石混凝土组成，厚度为40cm，二衬为模筑混凝土，厚度为40cm[1]。

麦积山隧道围岩压力量测元件采用振弦式土压力盒，分别选取右洞不同围岩级别的典型断面：Ⅲ级YK30+002、Ⅳ级YK29+632和Ⅴ级YK29+392，从08年8月至09年6月，通过10个月的现场量测，分别对量测数据进行处理分析，从而实现监控量测指导施工、查验支护效果以及修正设计的目的。

2 Ⅲ级围岩压力量测结果及分析

右洞YK30+002量测地段围岩为Ⅲ级，采用全断面光面爆破开挖。量测结果如图1～图2，从围岩压力分布结果看：

图1 Ⅲ级围岩初支压力值分布图(kPa)

图2 Ⅲ级围岩二衬压力值分布图(kPa)

（1） 围岩与初支之间的接触压力分布不均匀，两侧压力不对称，说明初支受到围岩的偏压，相比较而言，左侧围岩压力较大，这是由于左侧岩体强度较低，自稳性较差，在应力重分布的过程中对支护造成了较大的压力，特别是拱脚和边墙的位置，初支承受的围岩压力达到了101.4kPa和178.2kPa，在隧道开挖过程中要适当加强左侧围岩和支护状况的监测。

（2）初支与二衬之间的接触压力相对较小，压力整体分布均匀，两侧基本对称，说明初支已经承担了围岩的大部分荷载，二衬仅作为安全储备。

由围岩与初支之间的接触压力值及初支与二衬之间的接触压力值可以得出该断面处整个支护系统中初支与二衬的围岩荷载分担比。如表1所示。

表1 初期支护与二次衬砌荷载分担比

从表中可以看出：初支对围岩的荷载分担比为91.5%，二衬对围岩的荷载分担比为8.5%；这说明在隧道III级围岩的施工中，以喷射混凝土和钢筋网为系统的初期支护作为主要的隧道支护结构承担了绝大部分的荷载，与二衬结合有效的提高了整个支护系统的安全性和稳定性。考虑到围岩与初支压力分布的不对称，特别是初支左侧受到的围岩压力较大，在开挖过程中，要加强左侧的衬砌支护，可以考虑左侧施做局部锚杆，引入支护参数的不对称设计理念。

3 IV级围岩压力量测结果及分析

右洞YK29+632量测地段围岩级别为Ⅳ级，由于该处围岩稳定性较好，经第三方机构测试[BQ]值为346，属于Ⅳ级偏强围岩，所以结合实际情况，该地段施工同样采用了光面爆破全断面开挖，量测结果如图3～图4，从围岩压力分布结果看：

图3 Ⅳ级围岩初支压力值分布(kPa)

图4 Ⅳ级围岩二衬压力值分布(kPa)

（1） 围岩与初支之间的接触压力分布不均匀，两侧不对称，在右侧拱肩部位压力较大，压力值达到109.8kPa,说明此处围岩受开挖影响释放了较大应力，施工中应加强右侧拱肩的监测并适当加强支护。其它部位围岩压力相对较小，说明该地段围岩整体具有一定的自稳能力，开挖后围岩应力调整幅度不大。

（2）二衬与初支之间的接触压力相对较小，最大受力处位于右侧边墙处，为2.6kPa,远远小于设计值，说明二衬充分发挥了衬砌安全储备的作用[2]。

（3）该地段属于深埋地质条件下的Ⅳ级围岩，施工中围岩无塌方，支护结构无明显变形和裂缝，衬砌结构受力稳定，说明支护结构的设计参数是可靠的。

由围岩与初支之间的接触压力值及初支与二衬之间的接触压力值可以得出该断面处整个支护系统中初支与二衬的围岩荷载分担比。如表2所示。

表2 初期支护与二次衬砌荷载分担比

从表中可以看出：初支荷载分担比为96.1%，二衬荷载分担比为3.9%；这说明在隧道IV级围岩的施工中，以喷射混凝土、钢筋网、锚杆为系统的初支作为主要的隧道支护结构承担了绝大部分的围岩荷载，与二衬共同作用提高了支护的稳定性。考虑到初支压力分布的不对称性，特别是右侧拱肩部位局部压力较大，在施工过程中加强该处的监测同时适当考虑加强初支右侧拱肩部位的支护参数。

4 V级围岩压力量测结果及分析

右洞YK29+392量测地段围岩级别为Ⅴ级，量测结果如图5～图6，从围岩压力的分布结果看：

图5 Ⅴ级围岩初支压力值分布(kPa)

图6 Ⅴ级围岩二衬压力值分布(kPa)

（1）围岩与初支之间的接触压力分布变化较大，整体看两侧基本对称，局部变化较大，说明在断层破碎带围岩地段初支的压力分布并不均匀，相比较而言，右拱腰处压力较大，主要由于右侧围岩强度相对较低，自稳性较差，开挖过程中曾发生过局部掉块和坍塌。

（2） 二衬与初支之间的接触压力分布变化较大，两侧拱腰处压力较大，因为该地段围岩较破碎，整体稳定性较差，岩体自承能力较弱，初支与二衬均承受了一定的围岩荷载压力。

由围岩与初支之间的接触压力值及初支与二衬之间的接触压力值可以得出该断面处整个支护系统中初支与二衬的围岩荷载分担比。如表3所示。

从表中可以看出：初支荷载分担比为78.8%，二衬荷载分担比为21.2%；这说明在隧道V级围岩的施工中，以喷射混凝土、钢筋网、系统锚杆、格栅拱架为系统的初期支护作为主要的隧道支护结构仅仅承担了一部分的荷载，而作为安全储备的二次衬砌承担了21.2%的荷载，特别是在右拱肩的位置处，二衬承担了49.5%的围岩荷载，在施工中要加强该处的监测并适当对初支的设计参数做出加强性的调整，所以在隧道V级围岩的支护设计过程中，要加强初支的设计参数，让初支承担更大比例的围岩压力[3]。

表3 初期支护与二次衬砌荷载分担比

5 主要结论与认识

本文通过对麦积山隧道不同级别围岩的衬砌结构受力结果分析得出了以下主要结论：

（1）围岩与初支之间的接触压力分布不均匀，两侧压力不对称，这是因为岩体的不均匀性而产生的。在V级围岩地段拱腰处的压力较大，而拱顶处的压力较小，这主要是因为拱顶下沉量大，压力随支护变形向两侧移动，从而造成拱顶处的压力减小。

（2）在III、IV级围岩地段，由于岩体自身的稳定性、开挖后，岩体很快达到新的平衡，变形较小，初支承受了围岩的大部分荷载，二衬相对受力很小，仅作为安全储备，所以相关的支护设计是合理的；在V级围岩地段，由于岩体较破碎，自稳能力较差，为了施工的安全，在围岩变形没有达到稳定的情况下就施做二衬，二衬就承担了一部分围岩压力，所以在V级围岩地段的隧道施工中，可以调整开挖方式，同时在支护设计上，对初支的设计参数要做出适当的调整，充分发挥初支的承载作用，让围岩尽快达到稳定[4]。

[1]鹿江.复杂地质条件下公路隧道受力性状分析及结构可靠性评价[D].长安大学硕士学位论文,2010.

[2]华开城.麻崖子不同级别围岩隧道结构受力特性分析与安全性评价[D].大学硕士学位论文,2014.

[3]张佳.瑶寨隧道断层破碎带结构受力与变形特性分析[D].大学硕士学位论文,2013.

[4]来弘鹏，谢永利，杨晓华.黄土公路受力特性测试[J].长安大学学报（自然科学版）,2005,25(06):53-56.