公路隧道仰拱質(zhì)量問題的病害特征及機(jī)理初探

劉會鋼 李鵬

【摘要】

文章總結(jié)了公路隧道仰拱質(zhì)量問題的病害特征，通過專項檢查手段分析了這些病害產(chǎn)生的主要原因，查明仰拱質(zhì)量問題與表觀病害特征是相關(guān)的。通過有限元分析軟件對病害產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了探討，表明隧道仰拱質(zhì)量問題會使仰拱端頭和邊墻處彎矩剪力增大，是誘導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)變形開裂的主要因素。

【關(guān)鍵詞】

【中國分類號】U457+.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

近些年來，我國公路隧道建設(shè)迅猛發(fā)展，截至2017年末全國公路隧道為16 229處、1 528.51×104 m[1]。隧道是一種穿越地層的結(jié)構(gòu)，在施工期間對原有地層巖體進(jìn)行擾動，周邊圍巖應(yīng)力場發(fā)生應(yīng)力重分布，隧道結(jié)構(gòu)與周邊圍巖組成共同承受壓力的共同體，研究隧道結(jié)構(gòu)如何有效承受圍巖壓力，如何保持隧道的安全性及穩(wěn)定性是一項重要課題[2]。

仰拱是隧道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，隧道仰拱就是為了改善上部結(jié)構(gòu)受力條件而設(shè)置在隧道底部的反向拱形結(jié)構(gòu)，主要是將隧道上部底層壓力有效傳到地下，并承受隧道下部地層反力，增加隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[2]。

但隧道仰拱作為一項隱蔽工程，其施工質(zhì)量不易控制，如果施工質(zhì)量低下，不能滿足設(shè)計要求，在運(yùn)營過程中隧道會出現(xiàn)仰拱病害，影響隧道結(jié)構(gòu)安全，甚至危及行人、行車安全。

1 隧道仰拱病害特征

隧道在運(yùn)營過程中，會表現(xiàn)出各種各樣的病害，通過隧道定期檢查，可以掌握隧道技術(shù)狀況，發(fā)現(xiàn)隧道的主要病害，通過總結(jié)分析，可以將隧道仰拱病害分為直接病害與間接病害[3]。

隧道仰拱產(chǎn)生的直接病害主要表現(xiàn)為路面開裂及隆起，中央排水溝及橫向排水系統(tǒng)破壞，水積于面板下不能排出，喪失正常使用功能。病害如圖1～圖3所示。

隧道仰拱產(chǎn)生的間接病害主要表現(xiàn)在襯砌及檢修道上，病害為襯砌對稱性縱裂，檢修道傾斜或側(cè)壁擠裂。病害如圖4、圖5所示。

2 仰拱病害原因分析

通過隧道定期檢查僅能查得隧道表觀病害，不能查明病害產(chǎn)生的主要原因，要查明隧道病害產(chǎn)生的原因，還需要進(jìn)行相應(yīng)的專項檢查手段，對襯砌、路面、檢修道出現(xiàn)的病害形式進(jìn)行進(jìn)一步檢查分析，可以采用地質(zhì)雷達(dá)配合鉆孔取芯法對仰拱進(jìn)行檢查[4-7]，得到隧道仰拱可能存在的質(zhì)量問題。

地質(zhì)雷達(dá)法可查明隧道路面下仰拱及回填密實情況，鉆孔取芯法可直觀查看仰拱及回填施作質(zhì)量及下方圍巖情況。

通過檢查發(fā)現(xiàn)，路面開裂、隆起，檢修道傾斜、側(cè)壁擠裂等病害產(chǎn)生的主要原因是仰拱未施作或開挖深度不夠，襯砌不能形成一個閉合的環(huán)，造成結(jié)構(gòu)整體承載能力不足，拱腳處發(fā)生沉降，路面受拉開裂或隆起，襯砌也在邊墻及拱腰處開裂[8-11]。

通過地質(zhì)雷達(dá)及鉆孔取芯檢查結(jié)果示例如圖6、圖7所示。

3 仰拱病害產(chǎn)生機(jī)理分析

隧道仰拱一般設(shè)置在軟弱圍巖及不良地質(zhì)段，設(shè)置仰拱的目的是為了提高結(jié)構(gòu)整體性和支撐承載能力;與二次襯砌形成封閉的環(huán)形，控制圍巖產(chǎn)生過大變形;調(diào)整襯砌結(jié)構(gòu)受力，防止底鼓或內(nèi)擠等變形破壞;解決基礎(chǔ)承載力不足，減少下沉?？紤]到施工及成本因素，仰拱不能設(shè)置成圓形，造成仰拱與拱墻連接處存在應(yīng)力集中，仰拱端頭存在兩個彎矩較大的反彎區(qū)域，存在質(zhì)量問題時，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯[12-16]。

仰拱有施工就設(shè)置仰拱，或施作初期先支護(hù)再施作仰拱，施作加深仰拱等情況。本文通過有限元數(shù)值模擬計算，探究隧道仰拱不同施工質(zhì)量缺陷的隧道結(jié)構(gòu)受力情況，選取仰拱正常施作、深度不足、無仰拱、分幅施作等4種情況，作為4種工況采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行計算。采用ANSYS12.0有限元軟件進(jìn)行建模分析，網(wǎng)格尺寸為0.5 m，襯砌結(jié)構(gòu)采用beam3模型，地層彈簧單元采用Link10單元進(jìn)行模擬。隧道覆土深度為60 m，隧道外輪廓寬度為12.74 m，寬度為9.99 m，二次襯砌厚度為0.5 m，選用C25混凝土[3]。

計算段隧道處于V級圍巖，根據(jù)JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，圍巖參數(shù)和襯砌混凝土參數(shù)選取如表1所示。

通過計算發(fā)現(xiàn)：

（1）正常施作仰拱的情況下，仰拱端頭存在兩個彎矩較大的反彎區(qū)域。

（2）仰拱開挖深度不足情況與正常施作仰拱相比，仰拱端頭、拱腳的彎矩、剪力明顯增大，影響區(qū)域也增大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（3）未施作仰拱情況，拱腰及邊墻彎矩較施作仰拱情況明顯增大。

（4）仰拱分幅施工情況，先施工一側(cè)邊墻及拱腳、仰拱彎矩、剪力明顯增大，造成兩側(cè)受力不平衡，造成襯砌、路面非對稱性開裂、隆起等病害。

4 結(jié)束語

本文研究了公路隧道仰拱不同質(zhì)量缺陷下表觀病害出現(xiàn)機(jī)理，在仰拱開挖深度不足的情況下（含未施工仰拱），隧道仰拱端頭、邊墻處彎矩剪力較正常施工有明顯增大，易誘導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)變形、沉降、內(nèi)擠等，表現(xiàn)出來就是路面隆起、開裂，襯砌縱向裂縫，檢修道傾斜、側(cè)壁內(nèi)擠。另外隧道仰拱分幅施工會造成先施工一側(cè)邊墻及拱腳、仰拱端頭彎矩剪力明顯增大，造成隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)受力不平衡，造成隧道非對稱性變形及破損，表現(xiàn)出來就是隧道單側(cè)結(jié)構(gòu)襯砌開裂、路面開裂

等病害。

本文的研究對于公路隧道病害檢查方面有一定指導(dǎo)意義，也指明隧道病害產(chǎn)生的主要原因是施工質(zhì)量問題，解決隧道仰拱質(zhì)量問題一是要求嚴(yán)格管理施工過程，二是研究新工藝，如推廣裝配式仰拱，解決由于圖方便造成的仰拱施工質(zhì)量問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部.2017年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[R].2018.03.30.

[2] 蔣樹屏 中國公路隧道數(shù)據(jù)統(tǒng)計 [J].隧道建設(shè)，2017，37（5）：643-644.

[3] 何杰，高斌，薛陶，等. 我國公路隧道科學(xué)養(yǎng)護(hù)管理的思考 [J].隧道建設(shè)，2018，38（S）.

[4] 張家鳴 提高地質(zhì)雷達(dá)隧道襯砌質(zhì)量檢測效果的幾點措施[J].隧道建設(shè)，2014，34（7）： 691-695.

[5] 魯建邦 地質(zhì)雷達(dá)探測過程中干擾物的圖像識別[J].隧道建設(shè)，2011.12第31 第6期686～689.

[6] 龔倫，仇文革，王立川，等. 運(yùn)營鐵路隧道襯砌背后較大空洞的精確檢測技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2016，31（6）：1507-1511.

[7] 張丹鋒 隧道襯砌質(zhì)量缺陷地質(zhì)雷達(dá)探測相關(guān)問題研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2018.

[8] 吳銘芳 結(jié)合交通組織方案的營運(yùn)隧道仰拱病害處治方案研究[J]. 交通科技，2017（3）：107-110.

[9] 鄧健.鐵路隧道仰拱、底板質(zhì)量缺陷整治技術(shù)[J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2014（9）： 11-12.

[10] 田向斌，董世全，邱文韜，等. 公路隧道涌水及仰拱裂縫處治研究[J].公路，2018（10）： 166-169.

[11] 李奎，劉凱. 某客專隧道洞口段道床隆起病害分析與整治[J].隧道建設(shè)，2018，38（11）：1911-1918.

[12] 王明年，翁漢民，李志業(yè).隧道仰拱的力學(xué)行為研究[J].巖土工程學(xué)報，1996，18（1）：46-53.

[13] 伍超，黃磊，陳中天，等. 大斷面公路隧道二次襯砌受力特性模型試驗 [J].隧道建設(shè)，2018，38（6 ）：977-985.

[14] 劉恒顯，梁慶國，丁冬冬. 黃土隧道仰拱結(jié)構(gòu)受力特性試驗研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2018，14（S1）：77-83.

[15] 肖支敏，任志華. 基底狀況對山嶺隧道仰拱結(jié)構(gòu)受力的影響研究[J]. 公路交通科技，2017（6）：277-279.

[16] 白國權(quán).隧道仰拱缺陷程度劃分組合與處治措施探析[J].公路，2016（10）： 251-255.