隧道仰拱常見病害原因分析及處治措施探討

春軍偉 曾仲毅

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

仰拱是隧道襯砌支護體系重要的組成部分，仰拱的支護性能與隧道襯砌整體支護體系有著密切關(guān)系。仰拱結(jié)構(gòu)包括仰拱和仰拱填充2部分，仰拱可以定義為隧道底部設(shè)置的與上部襯砌閉合成環(huán)、能夠約束圍巖變形、增加圍巖穩(wěn)定性的反拱形結(jié)構(gòu)。

目前在隧道工程建設(shè)中，仰拱的作用仍未得到充分認識和重視，隧道仰拱病害諸如仰拱底鼓開裂、襯砌結(jié)構(gòu)破壞、路面翻漿冒水等仍在工程建設(shè)中發(fā)生。本文針對隧道仰拱常見病害發(fā)生原因進行分析，并對其處治措施進行總結(jié)探討。

1 隧道仰拱常見病害及原因分析

1.1 隧道仰拱常見病害

仰拱作為隧道的重要組成部分，直接影響隧道的整體穩(wěn)定和長期運營安全。在新建和已運營的隧道中隧道底部結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)開裂、破損甚至沉陷錯臺等現(xiàn)象，嚴重危及行車安全。隧道仰拱部位常見病害主要為隧道混凝土底板開裂變形、側(cè)溝開裂變形(見圖1)、底板下沉陷落、路面翻漿冒泥、仰拱底鼓、路面開裂(見圖2)等。如蘭新高鐵中福川隧道底板找平層產(chǎn)生5～20 cm的縱向裂縫，隧道底板路面上鼓與找平層脫離，仰拱隆起量達26.6 mm[1]；云南小磨高速公里藤蔑山隧道仰拱沿隧道縱向開裂，裂縫寬度4～35 cm，裂縫發(fā)生在仰拱中間和左右側(cè)排水溝，仰拱中部頂面底鼓，隆起高度最高為32.8 cm[2]；九武線某鐵路隧道在隧道運營1年后，隧道內(nèi)有約70 m范圍內(nèi)仰拱填充表面出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度在0.4～30 mm，錯臺5～18 mm，隧道拱圈及邊墻未發(fā)現(xiàn)有裂縫；重慶奉節(jié)至巫山高速公路桃樹埡隧道施工過程中，隧道路面出現(xiàn)底鼓變形，沿隧道路面長200 m范圍內(nèi)出現(xiàn)縱向開裂和隆起，裂縫寬度5～35 cm，錯臺高差為10～20 cm。

圖1 隧道側(cè)溝開裂變形

圖2 隧道路面基層開裂

1.2 隧道仰拱常見病害產(chǎn)生原因分析

仰拱產(chǎn)生病害的原因一般為多個因素共同導(dǎo)致，分析其根本主要為基底軟化、地下水作用及仰拱結(jié)構(gòu)缺陷3方面。

1.2.1基底軟化

隧道仰拱基底軟化主要由圍巖因素和人為因素2方面造成。

1) 圍巖因素。仰拱出現(xiàn)病害處基本上均位于圍巖條件較差段落，巖性以軟巖為主，如泥巖、炭質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥灰?guī)r等，該類巖石遇水具有明顯軟化性，致使基底圍巖在地下水作用下發(fā)生劣化，產(chǎn)生較大的塑性變形區(qū)，基底圍巖彈性抗力及巖體參數(shù)降低，地基承載力下降、圍巖水平側(cè)壓力增大，從而使隧道邊墻發(fā)生向內(nèi)擠壓，導(dǎo)致作用于結(jié)構(gòu)上的荷載增大，進而產(chǎn)生隧道仰拱病害。個別隧道加之?dāng)鄬?、褶曲、高地?yīng)力等圍巖因素的影響，進一步加劇仰拱病害的產(chǎn)生。

2) 人為因素。隧道開挖擾動后仰拱基底原本較為完整的圍巖產(chǎn)生裂隙，圍巖由3D受力環(huán)境轉(zhuǎn)化為2D受力，基底圍巖由于人為因素未及時噴混封閉，使巖體長時間暴露風(fēng)化，或由于排水不及時遭受長期浸泡，均能使巖體力學(xué)參數(shù)在開挖擾動導(dǎo)致降低，進一步加劇其基底軟化。除此之外，人為因素還包括仰拱底部松散虛渣未清除完畢后便開始施做仰拱結(jié)構(gòu)，造成人為軟基，加之地下水或施工用水匯入浸泡，在隧道底部形成一層松散富水層，加速基底軟化，且此時水更容易滲透至隧道底板更深部的巖層，使得底板在更大范圍內(nèi)的巖體強度降低，現(xiàn)場示意見圖3、圖4。

圖3 仰拱基底松散虛渣未完全清除

圖4 仰拱基底積水未引排

基底軟化對隧道仰拱的破壞往往在當(dāng)時并不直接表現(xiàn)出來，這是由于巖體最大的變形危害不是在開挖階段造成的壓力釋放破壞，而是隨著時間延續(xù)，在水的作用下巖石的微觀結(jié)構(gòu)中內(nèi)部的調(diào)整和巖石顆粒間聯(lián)接的運動變化，以及這些變化不斷累積導(dǎo)致圍巖變形突破其強度的極限變形直至破壞，這就是蠕變機理導(dǎo)致流變性的原因。

1.2.2地下水作用

隧道襯砌外存在地下水是不可避免的，而地下水對仰拱病害的產(chǎn)生有著至關(guān)重要的作用。地下水除了軟化基底圍巖，增大洞周塑性區(qū)范圍外，地下水造成的外水壓力也是導(dǎo)致仰拱病害的一個重要原因，這也是很多仰拱病害會出現(xiàn)路面翻漿冒水的根結(jié)所在。

目前隧道的排水系統(tǒng)主要以環(huán)向、縱向、橫向排水管加排水暗溝組成，由分布在隧道二襯外側(cè)的排水管將洞周地下水引排至排水暗溝，進而減小隧道洞周水害。然而隧道排水管由于施工因素或地下水結(jié)晶等原因?qū)е露氯?，加之部分段落排水管設(shè)置稀疏，地下水很難排出，導(dǎo)致隧道襯砌外水壓力增加，而隧道仰拱基底標高低于排水暗溝，由于排水系統(tǒng)不通，仰拱周圍外水壓力必然隨之增高。同時在水的作用下，原本仰拱周邊已產(chǎn)生松動的巖體破壞范圍將進一步加大，圍巖裂隙的大量存在，使得地下水在巖體中的滲透流動變得更容易，隨著水對巖石的侵蝕，隧道仰拱巖石強度進一步降低，強度降低后的巖石在巖層水平應(yīng)力的作用下又進一步被破壞，地下水使隧道仰拱圍巖強度不斷降低和不斷破壞。

隧道外水壓力對仰拱結(jié)構(gòu)受力影響很大，在外水壓力作用下會明顯增加仰拱結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，對彎矩影響較為明顯。外水壓力和基底軟化對仰拱結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律相一致，引起了襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，改變了仰拱結(jié)構(gòu)彎矩分布形態(tài)，仰拱彎矩由“駝峰狀”分布向“魚肚狀”分布變化，彎矩最大值由兩側(cè)向仰拱中心轉(zhuǎn)移，增大了仰拱結(jié)構(gòu)偏心程度和應(yīng)力集中情況，使仰拱結(jié)構(gòu)受力條件惡化，易導(dǎo)致仰拱發(fā)生拉裂破壞。

1.2.3仰拱結(jié)構(gòu)缺陷

仰拱結(jié)構(gòu)缺陷往往是人們對隧道仰拱重視程度不足導(dǎo)致的，隧道施工質(zhì)量差，施工質(zhì)量管理不到位，偷工減料等。主要表現(xiàn)為仰拱深度和弧度未施工到位、仰拱底部松動虛渣未清除、仰拱與仰拱填充整體澆筑、仰拱厚度不足、仰拱鋼筋布置不規(guī)范等，現(xiàn)場示意見圖5。

圖5 仰拱鋼筋布置不規(guī)范

研究成果表明[3]，仰拱的施設(shè)將使隧道結(jié)構(gòu)的承載力提高10%，使隧道周邊位移減小20%，使隧道周邊圍巖的塑性區(qū)深度減少30%以上，對改善隧道結(jié)構(gòu)的受力狀況、提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都有非常重要作用。仰拱結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷勢必會對整個隧道的受力產(chǎn)生一定的影響，最終導(dǎo)致隧道病害的產(chǎn)生。

2 隧道仰拱病害處治措施

根據(jù)仰拱病害產(chǎn)生的原因分析，其處治措施主要有拱腳鎖腳、仰拱拆換、基底加固、地下水引排等。

2.1 拱腳鎖腳

拱腳鎖腳為仰拱病害出現(xiàn)之后對隧道拱腳施做鎖腳注漿鋼花管，通過加固拱腳處的圍巖，從而減小拱腳處塑性區(qū)范圍并通過鋼花管自身剛度以減小側(cè)向水平力對仰拱基底的擠壓作用，進而改善仰拱處的受力狀態(tài)，避免因基底軟化、地下水作用及仰拱結(jié)構(gòu)缺陷等因素導(dǎo)致的仰拱病害的進一步擴展，同時對隧道上部結(jié)構(gòu)起到一定的加強保護作用，在仰拱拆換時為隧道上部結(jié)構(gòu)提供一定的基底支撐。

拱腳鎖腳一般為在隧道邊墻底部施做2～3排較大直徑的注漿鋼花管，沿隧道縱向排距為50～100 cm，隧道左右側(cè)對稱設(shè)置，見圖6。鋼花管采用規(guī)格為直徑×壁厚=76 mm×6 m或108 mm×6 m熱軋無縫鋼管，管壁設(shè)置注漿孔，管體長度為4.5～6 m，為提高其抗彎剛度，內(nèi)部加設(shè)鋼筋籠，注漿漿液水灰質(zhì)量比0.4～0.5，注漿壓力1.5～2.0 MPa，對于富水區(qū)段落可采用水泥-水玻璃混合雙液漿，注漿后鋼管內(nèi)采用M30水泥砂漿填充。周森等[4]通過在隧道兩側(cè)邊墻施做鎖腳注漿鋼花管有效地控制了西南地區(qū)某山嶺隧道仰拱病害的進一步擴展。

圖6 隧道拱腳鎖腳鋼花管

2.2 基底加固

仰拱基底加固為仰拱病害處治中運用最為廣泛的方法，主要是采用注漿鋼化管對仰拱以下基底進行注漿加固，在隧道底部縱、橫向形成密集的小型鋼管樁，從而提高整個基底的力學(xué)參數(shù)和改善隧道仰拱的受力環(huán)境，解決因基底軟化導(dǎo)致的仰拱病害。

基底加固從仰拱填充頂面施做注漿鋼花管，縱、橫向排距為100 cm左右，將仰拱填充、仰拱、基底圍巖連接在一起，從而形成一個整體受力結(jié)構(gòu)，見圖7。其中，鋼化管采用直徑×壁厚=42 mm×4 mm或76 mm×6 mm熱軋無縫鋼管，管壁設(shè)置注漿孔，管體長度根據(jù)仰拱結(jié)構(gòu)厚度和基底軟化程度而定，長度一般為4.5～9 m，注漿漿液水灰質(zhì)量比0.5～0.6，注漿壓力應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體情況進行調(diào)整，一般為0.2～0.5 MPa，注漿過程除控制壓力外，還應(yīng)根據(jù)注漿時間和注漿量進行控制，以免造成漿液流失。楊偉等[5]通過注漿加固仰拱基底，有效地控制了仰拱及路面混凝土面板的開裂變形。

圖7 仰拱基底注漿加固

2.3 仰拱拆換

仰拱拆換主要針對隧道仰拱結(jié)構(gòu)已無法滿足隧道結(jié)構(gòu)受力的要求下，進而對病害段仰拱、仰拱填充、路面結(jié)構(gòu)等進行拆除并重新修筑，同時對仰拱下部已遭受破壞軟化的軟弱基底進行清除換填或注漿加固，以達到徹底解決因基底軟化、仰拱結(jié)構(gòu)缺陷等因素導(dǎo)致的仰拱病害的目的。

仰拱拆換一般分段落間隔實施拆換，一次沿隧道縱向拆換長度2 m左右，隧道整幅拆除整幅重新澆筑，拆除過程應(yīng)采用人工手持式小型器具(切割機、風(fēng)鎬等)對拆換段落進行拆除開挖，嚴禁爆破，同時清理仰拱基槽，對基底積水、虛渣、軟基等清除，特別是對于已被地下水浸泡軟化的基底應(yīng)向下清除，以挖到新鮮巖面為準，若軟化深度較深，應(yīng)采用如注漿加固的其他加固方式。若基底存在地下水滲漏點應(yīng)進行封堵處理，避免地下水再次對基底軟化破壞。為提高仰拱受力性能，可在仰拱底部設(shè)置型鋼拱架使初支封閉成環(huán)，仰拱應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并在澆筑之前在兩側(cè)邊墻基礎(chǔ)內(nèi)置入連接鋼筋，以加強仰拱和整個襯砌結(jié)構(gòu)的完整性，最后施做防排水、仰拱填充、路面結(jié)構(gòu)等，見圖8。仰拱換拆過程，可對相鄰段落采用臨時型鋼拱架進行臨時加固支撐，以免發(fā)生較大變形。鐘祖良等[6]通過對仰拱進行拆除置換，成功地治理了重慶奉節(jié)至巫山段高速公路桃樹埡隧道的仰拱底鼓開裂。

圖8 隧道仰拱拆換

2.4 地下水引排

地下水為仰拱發(fā)生病害的誘因或直接原因，因此，對地下水引排對于處治仰拱病害至關(guān)重要。在病害處治中應(yīng)全面清通隧道排水設(shè)施，特別確保隧道排水暗溝和排水管的通暢，以將隧道洞周積水排除洞外，從而減少隧道底部外水壓力，避免仰拱基底進一步軟化。對于地下水豐富的段落可在隧道邊墻下部鉆設(shè)泄水孔，鉆孔穿透二襯和初支進入圍巖，內(nèi)設(shè)透水管引排至排水溝內(nèi)，通過加強排水降壓方式，減少地下水的匯集對襯砌結(jié)構(gòu)的影響。李國英等[7]通過在邊墻下部增設(shè)泄水孔將初支背后圍巖與排水溝相連，同時配合仰拱基底注漿加固等措施成功地解決了武九線某隧道運營期的仰拱病害問題。

3 結(jié)語

本文分析了目前隧道仰拱常見病害發(fā)生的原因及其機理，認為基底軟化、地下水作用、仰拱結(jié)構(gòu)缺陷3方面因素是產(chǎn)生仰拱常見病害的根源，其中基底軟化除圍巖自身原因外，更大程度上是源于人為因素，開挖擾動后未能及時引排地下水或施工用水，且施工仰拱時仰拱基底松動虛渣未完全清除，使隧道底部形成一層松散富水層，加速了基底軟化。

文中總結(jié)了仰拱常見病害的處治措施，通過施做拱腳鎖腳注漿鋼花管，減小側(cè)向水平力對仰拱基底的擠壓作用，抑制或減緩病害的擴張；通過施做基底加固或仰拱拆換，從根本上解決基底軟化、仰拱結(jié)構(gòu)缺陷的問題；通過地下水引排，減少隧道底部外水壓力，避免仰拱基底進一步軟化。通過上述分析總結(jié)，希望為隧道仰拱施做階段、病害處治階段提供一定的借鑒。