八字岭分岔隧道锚杆轴力现场监控量测与分析

八字岭分岔隧道锚杆轴力现场监控量测与分析

周　峰　郭小红　刘继国

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司　武汉　430056）

摘　要　分岔隧道是在西部交通建设中出现的一种新型结构隧道，从洞口向洞内依次由大拱段、连拱段、小净距段组成。由于合理地降低了桥隧连接式工程的整体成本，正在兴建的沪蓉西高速公路主干线上有3座（八字岭隧道、漆树槽隧道和庙垭隧道）在国内首次采用该种结构形式的隧道。分析表明在分岔隧道中，小净距段锚杆受力最大，连拱段次之，大拱段最小。

关键词　分岔隧道　大拱段　连拱段　小净距段　锚杆内力

1　工程背景

八字岭隧道位于沪蓉国道主干线湖北宜昌市与恩施州交界处，为正在兴建中西线的重、难点工程之一。为了适应多变的地形地质条件和合理降低工程的整体造价，设计时在该隧道出口段创造性地设置了分岔式隧道，即从上下分离式隧道过渡到洞口4车道大连拱隧道。该段隧道总体上呈八字形，全长365 m，隧道平面布置如图1所示。

图1　八字岭隧道分岔段平面布置图

分岔段隧道不受褶皱、断层的影响，但节理较发育，多为直立型节理。隧道穿过区围岩岩性单一，为三叠系下统大冶组上段微晶灰岩，薄—中层状，主要矿物成分为方解石，岩层产状290°～350°∠60°～89°，纵波波速3 000～3 300 m/s。工作区地表接受大气降水补给，地下水主要为岩溶水，均对隧道施工影响不大。

该段隧道施工根据地质条件的不同采取了不同的施工方法，大拱段采用了上下台阶、下台阶先拉中槽的方法进行开挖，而在连拱及小间距段采用了全断面方式开挖。隧道施工开挖总体上要求拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破，以最大限度地保护周边岩体的完整性，同时减少超挖量，提供初期支护的承载能力。初期支护普遍采用了锚喷支护，二次衬砌主要承受围岩基本稳定后的少量荷载，主要依据监控量测的结果及时施作，在围岩较差地段，注意到了二次衬砌仰拱和仰拱回填紧跟初期支护。

2　监测方案设计

针对分岔隧道的结构特点、施工工艺以及地质情况，监测项目沿隧道轴线的平面布置大致位置如图2所示。

图2　八字岭隧道分岔段监控量测布置平面图

锚杆内力所采用仪器为钢筋计，布置断面为（1）—（10），小净距段每断面左右对称各3个测点，各监测项目布置方式如图3～图5所示。

图3　大拱段监控量测测点布置图

图4　连拱段监控量测测点布置图

图5　小净距段监控量测测点布置图

3　监控量测结果及其分析

3．1　大拱段锚杆轴力监测结果及其分析

图6　断面1内各点锚杆内力变化曲线

断面1内锚杆内力变化曲线如图6所示，断面2内锚杆内力变化曲线如图7所示。将各测点内力最终应力值汇入表1（注意：表中拉力为正，压力为负）。

图7　断面2内各点锚杆内力变化曲线

表1　大拱段各个点位锚杆受力表

续表

对实测数据进行分析，可得出以下结论：

①大拱段围岩锚杆应力最大值约为60 MPa，发生在拱腰，并且右拱侧变形相对左侧大，反应在锚杆应力上是右侧锚杆应力相对左侧大。

②大拱段锚杆设计最大承载力为100 kN，（≈200 MPa），实际锚杆应力远小于设计最大值，说明大拱段锚喷支护后，围岩稳定性良好，变形量小，锚杆实际承载力不大，安全储备足够。

③从单根锚杆应力分布看，锚杆为全长粘结砂浆锚杆，锚杆体受力中间部位最大，孔口其次，而孔底较小。

④锚杆主要承受由于围岩相对变形而引起的应力，因此多数情况下受到拉应力，只有在极少数情况下才会受到压应力的作用，且量值较小。

⑤锚杆的稳定时间较短，多数情况下在20 d左右达到稳定。

⑥从各个点位受力大小分析，拱顶最小，而右侧最大，这与岩层走向关系较为密切。

3．2　连拱段锚杆轴力监测结果及分析

将各个断面不同部位锚杆最大内力图8～图10列于表2。

图8　断面4各点锚杆内力变化曲线

图9　断面6各点锚杆内力变化曲线

图10　断面8各点锚杆内力变化曲线

表2　连拱段各断面锚杆最大内力值　　单位：MPa

从实测数据来看，连拱段锚杆受力具有以下特点：

①锚杆受力最大值在110 MPa，远小于允许值，因此整体来说设计较为合理，支护措施得当。

②从变化曲线看，变化过程较为复杂，说明该段围岩受力状态较为复杂，且有明显波动出现，说明应力调整过程比较明显。

③从监测结果看，中隔墙一侧的锚杆受力较大，说明中隔墙上方岩体稳定性较差，为整个连拱段较为薄弱的部位。

④纵向看连拱段隧道锚杆受力比大拱段大。

3．3　小净距段锚杆轴力监测结果及分析

将各个断面不同部位锚杆最大内力列于图11、图12和表3中。

图11　断面9各点锚杆内力变化曲线

图12　断面10各点锚杆内力变化曲线

表3　小净距段各断面锚杆最大内力值　　单位：MPa

从实测数据来看，小净距段锚杆受力具有以下特点：

①锚杆受力最大值为200 MPa，小于允许值，但是安全储备较少，应引起足够的重视。

②从变化曲线来看，变化过程较为复杂，说明该段围岩受力状态较为复杂，且有明显波动出现，说明应力调整的过程比较明显。

③从监测结果看，岩柱一侧的锚杆受力较大，说明岩柱上方岩体稳定性较差，为整个小净距段较为薄弱的部位。

④纵向来看，小净距段隧道锚杆受力开始部位较大，为整个分岔隧道最为薄弱的部位，应当引起足够的重视。

4　结　论

本文对沪蓉西高速公路主干线上采用分岔结构形式的八字岭隧道进行了锚杆轴力的现场测试，从现场监测数据可以得到以下结论及建议：

①根据监控量测结果的反馈，该段隧道整体稳定性较好。因此在八字岭隧道特定的工程背景下，隧道所采取的开挖方式、支护措施和施工组织是合理可行的。

②大拱段稳定性较好，锚杆实际承载力不大，约为60 MPa，安全储备足够。

③连拱段整体稳定性较好，锚杆受力最大值在110 MPa，远小于最大容许应力，且受地质条件影响较为明显。

④小净距段整体稳定性较好，锚杆受力最大值在200 MPa，小于最大容许应力，且受地质条件影响较为明显。从监测结果看，小净距段开始部位岩柱较薄，又受到多次的应力扰动，较为薄弱，为整个隧道的重点部位，在设计和施工中应给予特别的关注。

⑤八字岭分岔隧道是分岔隧道在国内的首次尝试，该工程的顺利开展为分岔隧道的设计、施工和研究工作提供了宝贵的经验。

参考文献

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