公路隧道仰拱力學(xué)性能及施工關(guān)鍵點(diǎn)分析

潘 競 虎

(甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

作為隧道結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的一部分，仰拱結(jié)構(gòu)在抵抗洞身底部反力、傳遞襯砌承擔(dān)的壓力、承受路面臨時(shí)的行車荷載等方面發(fā)揮了不可或缺的作用，同時(shí)也造成了仰拱自身受力較為復(fù)雜，容易發(fā)生開裂、破損、底鼓、變形等病害，嚴(yán)重影響了行車安全性和舒適性，對公路隧道的增持使用性能和耐久性造成了極大的影響[1]。目前的研究，大多集中于通過采用較為成熟的施工工藝來進(jìn)行隧道仰拱病害的防治，如在路面層下額外增加一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)并采用注漿加固基底圍巖的方式來實(shí)現(xiàn)對仰拱開裂的防治[2]；或者針對某一線路具體的病害和地質(zhì)條件，采取對應(yīng)的整治措施[3]。

有研究表明，引起隧道仰拱變形的主要因素包括地下水、施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度、施工工藝、圍巖應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力等，因此應(yīng)該基于上述因素的分析，采取針對性的措施進(jìn)行防治，如加強(qiáng)隧道基底的防水與排水施工質(zhì)量把控、嚴(yán)格要求施工質(zhì)量、增強(qiáng)仰拱結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度等[5-9]。但對于隧道仰拱的受力機(jī)理分析及仰拱力學(xué)計(jì)算模型構(gòu)建方面的研究進(jìn)行的相對較少，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的深化和研究。本研究擬進(jìn)行公路隧道仰拱受力特性的分析，構(gòu)建仰拱的力學(xué)計(jì)算模型，并基于分析結(jié)果，提出一些公路隧道仰拱施工過程中應(yīng)該注意的問題。

2 公路隧道仰拱受力特性分析

2.1 隧道上部巖體松動壓力

根據(jù)俄國學(xué)者普羅托季亞克諾夫的研究結(jié)果，公路隧道中的圍巖、開挖之初以及后期施工運(yùn)營過程中，均存在一定程度的裂隙和破損，在進(jìn)行力學(xué)分析中，可以將其當(dāng)作有粘結(jié)力的散粒狀顆粒體，并提出關(guān)于深埋隧道松動壓力的計(jì)算理論，其基本的理論依據(jù)為天然拱理論，天然拱理論基本計(jì)算圖示如圖1所示。天然拱尺寸在理論上可表示為：

其中，h0為隧道的天然拱的高度；b0為天然拱的跨度；f為堅(jiān)固性系數(shù)。

根據(jù)天然拱計(jì)算理論，可得：

其中，bm為隧道自身凈跨徑的1/2；hn為公路隧道凈高。

若隧道自身圍巖較為穩(wěn)定，則隧道施工開挖后其側(cè)壁不產(chǎn)生滑移，隧道天然拱的寬度與公路隧道實(shí)際設(shè)計(jì)或施工的寬度相同。因此，根據(jù)上述理論可得，隧道仰拱自身承受的豎向松動壓力的計(jì)算式可以表達(dá)為：

仰拱承受的水平松動壓力為：

普羅托季亞克諾夫的計(jì)算理論在計(jì)算隧道深埋松動壓力時(shí)較為簡潔，若對其進(jìn)行修正，則能反映隧道圍巖的物理力學(xué)綜合性能，與實(shí)際工程中的情況較為吻合。

2.2 結(jié)構(gòu)自重荷載

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)各自組成部分中，上拱圈、仰拱、邊墻等的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征，分別對各部分的自重荷載進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算自重荷載時(shí)，縱向上取襯砌的單位長度為計(jì)算單元，假定上述三個(gè)結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)所用材料相同，結(jié)構(gòu)截面均為等截面，則可以根據(jù)這些假設(shè)將隧道結(jié)構(gòu)的自重荷載在計(jì)算時(shí)簡化為均布荷載，計(jì)算圖示如圖2所示。

因此可得，自重均布荷載的計(jì)算方式為：

gq=γr·V。

其中，gq為自重均布荷載的荷載集度，kN/m；γr為隧道所用襯砌材料自身的容重，kN/m3；α為圓弧的角度；G為自重荷載，kN。

2.3 仰拱力學(xué)計(jì)算模型

分析仰拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型時(shí)，基于上述假設(shè)與推導(dǎo)結(jié)果，并將公路隧道仰拱簡化為圓心角為φ0和半徑為R的拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以其圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系以便于力學(xué)分析負(fù)展開，如圖3所示。

首先建立力法方程為：

求解，得到如下計(jì)算式：

代入力法方程可得：

進(jìn)而可以得到隧道仰拱結(jié)構(gòu)任意位置處的軸力、彎矩以及剪力的計(jì)算模式為：

FN=X1+(R-Rcosφ0)X2,

M=qR+X2cosφ0,FQ=-X2sinφ0。

3 公路隧道仰拱施工關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 重視仰拱施作支護(hù)

結(jié)合仰拱的力學(xué)計(jì)算模型并以之作為設(shè)計(jì)與施工的指導(dǎo)和參考，對隧道仰拱襯砌選擇適宜的方法進(jìn)行支護(hù)，則能有效地保證隧道仰拱的施工質(zhì)量和使用壽命。隨著時(shí)代和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隧道襯砌的支護(hù)技術(shù)與工法已經(jīng)發(fā)展的較為成熟。傳統(tǒng)的支護(hù)措施包括采用錨桿、隧道內(nèi)注漿、管棚等改善圍巖力學(xué)性能并有效提高圍巖承載能力的加固支護(hù)，公路隧道超前導(dǎo)洞卸壓、洞內(nèi)外鉆孔卸壓、爆破卸壓等轉(zhuǎn)移或釋放圍巖壓力并減少應(yīng)力集中的卸壓支護(hù)，以及采用多種方式專門針對復(fù)雜條件下隧道內(nèi)部多個(gè)部位進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)法等。此外，還有一些施工區(qū)域受地形地貌以及地質(zhì)條件等的制約，傳統(tǒng)支護(hù)方式不能有效進(jìn)行支護(hù)時(shí)，可以采取特殊支護(hù)措施。常見的特殊支護(hù)措施有：能有效保證注漿漿液向隧道圍巖內(nèi)部深度擴(kuò)散并防止墻角出現(xiàn)受力不合理而發(fā)生剪切滑移的浮渣注漿法、可以有效解決拱架受力不均勻及穩(wěn)定性差等問題的U型封閉鋼拱架法、能高效合理地抑制仰拱底鼓現(xiàn)象的鋼樁法等。此外，還有一些針對隧道圍巖不均勻而研發(fā)的不對稱支護(hù)措施。

3.2 注重仰拱開裂防治

隧道仰拱開裂時(shí)，根據(jù)行業(yè)內(nèi)專家的研究及現(xiàn)場調(diào)研，裂縫大多位于道路中線范圍內(nèi)，且仰拱內(nèi)部填充的混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)，一般沿施工縫產(chǎn)生，且裂縫呈現(xiàn)上部較寬，下部狹窄的特征。一般 Ⅳ 類圍巖處的隧道仰拱填充混凝土容易產(chǎn)生裂縫。隧道仰拱結(jié)構(gòu)混凝土的開裂，影響因素包括洞身土體及圍巖的應(yīng)力、地下水的流動與滲透、施工速度過快導(dǎo)致混凝土工程質(zhì)量無法保證、圍巖應(yīng)力釋放未完成、洞身變形未完全穩(wěn)定、施工工藝未嚴(yán)格把控等，此外，設(shè)計(jì)強(qiáng)度與配筋率偏低、隧道仰拱與填充混凝土未分批澆筑、支護(hù)措施與支護(hù)結(jié)構(gòu)不合理等，也會導(dǎo)致仰拱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂。因此，仰拱結(jié)構(gòu)的開裂防治，應(yīng)該從改善圍巖自身受力狀況與力學(xué)性能及提高支護(hù)體的物理力學(xué)性能方面進(jìn)行。具體的防治措施包括噴錨加固改善圍巖性能與力學(xué)條件、通過套襯加仰拱的方式改善仰拱受力性能并減小地下水影響、采用套襯和基層加固的方式降低隧道掘進(jìn)和開挖對仰拱的影響并降低地下水對仰拱侵襲等，可以實(shí)現(xiàn)裂縫的防治及減小地下水對仰拱結(jié)構(gòu)影響。

3.3 加強(qiáng)防排水處治

隧道防排水問題一直是大部分隧道施工中的主要關(guān)注點(diǎn)之一，也是隧道施工質(zhì)量的薄弱點(diǎn)之一。隧道施工完成后，改變了原有地下水的補(bǔ)給和徑流方式，隧道自身所形成的結(jié)構(gòu)形式成為了地下水流通的全新廊道，加之隧道施工進(jìn)程會導(dǎo)致隧道圍巖的應(yīng)力重分布并形成一個(gè)新的平衡狀態(tài)，因此，巖體內(nèi)原有的水流通道和徑流與排泄模式會發(fā)生較大改變，水流對于隧道結(jié)構(gòu)的沖蝕、浸透作用，也會表現(xiàn)出較為復(fù)雜多樣的形式。部分隧道在使用數(shù)年后會出現(xiàn)多處滲漏情況，不僅會影響襯砌質(zhì)量和使用壽命，嚴(yán)重的會引起拱腳下沉，甚至威脅行車安全。隧道仰拱施作過程中，要結(jié)合當(dāng)?shù)厮那闆r、地質(zhì)條件、年降水量等因素，篩選多種坑道涌水預(yù)測方法并得出最優(yōu)方案，常見的如斯佳科夫公式、大島洋志公式、地下水徑流模數(shù)法、降水入滲法等，作為公路隧道防排水設(shè)計(jì)的依據(jù)。施工時(shí)，結(jié)合底層巖性與地質(zhì)構(gòu)造情況，采用二次襯砌中設(shè)置復(fù)合防水板、仰拱等防水措施，同時(shí)采用中心排水溝、橫向排水管、縱向集水溝等排水措施，加強(qiáng)隧道及其仰拱部位防排水工作，保證仰拱在施工、運(yùn)營期間的服役質(zhì)量和服役壽命。

4 結(jié)語

公路隧道仰拱的力學(xué)性能可以反映出仰拱的受力過程及破壞機(jī)理，通過研究仰拱的受力特性并分析其力學(xué)性能，可以從力學(xué)層面了解公路隧道仰拱的受力特點(diǎn)，進(jìn)而判斷其可能的破壞形式，并針對其提出相應(yīng)的防治措施，在仰拱出現(xiàn)病害之前進(jìn)行預(yù)防，可以減少公路隧道后期運(yùn)營過程中的維護(hù)成本，并有效提高其使用壽命和使用安全性。本研究分析了公路隧道仰拱的受力特性及具體的受力形式，并構(gòu)建了仰拱的力學(xué)計(jì)算模型?；诹W(xué)分析，提出了公路隧道仰拱在施工過程中應(yīng)該注意的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，包括施作仰拱時(shí)應(yīng)該重視支護(hù)，采用傳統(tǒng)的支護(hù)措施、特殊支護(hù)措施以及不對稱支護(hù)，可以對不同施工條件與地質(zhì)特征的隧道仰拱進(jìn)行合理有效地支護(hù)。此外，公路隧道仰拱施工時(shí)，也應(yīng)該注重仰拱開裂的防治以及基地的防排水處理。