柳銳鋒，范 祺

（1.山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；2.山西省高速公路綜合行政執(zhí)法總隊(duì) 太原支隊(duì)，山西 太原 030006）

0 引言

仰拱是隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其對提高襯砌結(jié)構(gòu)承載力、抑制圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展、約束洞周位移發(fā)展、維護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定等方面具有非常重要的作用，特別在側(cè)壓力較大的軟弱圍巖或膨脹性圍巖中，仰拱的作用更為明顯[1-2]。我國公路隧道建設(shè)和運(yùn)營過程中，仰拱開裂和隆起的問題屢見不鮮[3-6]。

目前，黃土隧道仰拱的作用仍未得到充分認(rèn)識和重視。因仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等原因?qū)е碌乇黹_裂、拱頂沉降量大、襯砌開裂和失穩(wěn)、仰拱開裂底鼓、路面翻漿冒泥等病害較多。黃土公路隧道建設(shè)和運(yùn)營過程中，仰拱一旦開裂底鼓，需花費(fèi)大量人力物力返工整治，顯著提高隧道全壽命周期成本。因此，結(jié)合工程實(shí)踐探討黃土公路隧道仰拱開裂的原因并提出有針對性的處治措施，對保證黃土公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

山西省吉河高速公路某黃土隧道為雙向四車道分離式隧道，建筑限界凈寬10.25 m，凈高5 m，左洞長1 572 m，右洞長1 626 m，左右洞凈距最大為30 m，埋深最大為115 m。隧址區(qū)位于黃土塬區(qū)，沖溝發(fā)育，溝間殘?jiān)植?，地表形態(tài)表現(xiàn)為黃土梁峁?fàn)?。隧道兩?cè)為黃土沖溝，谷坡陡立，植被以灌木為主，分布于溝壑邊緣。隧道地質(zhì)條件簡單，洞身主要穿越Q2黃土，局部含少量鈣質(zhì)結(jié)核，整體呈硬塑性。大氣降水大部分沿斜坡匯入沖溝流失，少量雨水下滲至Q2pl與N2界面附近及下伏基巖裂隙中，形成上層滯水或潛水，水量一般較小。隧道開挖呈滴滲狀出水，在淺埋及地表為沖溝處雨季開挖時隧道可能形成淋雨?duì)睢?/p>

圖1 某黃土隧道概貌

1.2 支護(hù)參數(shù)

隧道仰拱填充層產(chǎn)生縱向裂縫段落其圍巖主要由第四系中更新統(tǒng)（Q2pl）黃土和第三系（N2al+pl）粉質(zhì)黏土（含姜石）組成，呈硬塑狀態(tài)，土質(zhì)較密實(shí)-密實(shí)；局部圍巖下部為第三系上新統(tǒng)（N2al+pl）礫石，主要成分為灰?guī)r，鈣質(zhì)-泥質(zhì)膠結(jié)。隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)系統(tǒng)錨桿采用Φ22全螺紋砂漿錨桿，且每環(huán)設(shè)計4根鎖腳錨桿；鋼架采用工字鋼，型號I20a，間距60 cm；鋼筋網(wǎng)為Φ8，間距20 cm×20 cm；初期支護(hù)采用厚度26 cm的C25噴射混凝土；二次襯砌采用厚度40 cm的C30模筑混凝土；初期支護(hù)和二次襯砌均封閉成環(huán)，仰拱采用厚度40 cm的現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土，仰拱填充采用C15片石混凝土。

2 仰拱縱向裂縫及其原因

2.1 縱向裂縫分布特征

隧道貫通后，清掃調(diào)平層表面時發(fā)現(xiàn)隧道中線附近仰拱填充層出現(xiàn)縱向裂縫較多，裂縫長度約43 m，最寬處達(dá)2.5 cm，大部分位于中央排水管上方。從隧道仰拱病害情況來看，裂縫基本沿仰拱中心處縱向發(fā)展，裂縫口張開，裂縫上部較寬，下部較窄，寬度從上到下明顯減小，基本呈V型。部分段落有微小錯臺，主要為張拉裂縫，未出現(xiàn)橫向裂縫，可初步判定病害情況主要與仰拱結(jié)構(gòu)承受過大彎矩有關(guān)。

圖2 建設(shè)期仰拱填充層出現(xiàn)縱向裂縫

2.2 出現(xiàn)縱向裂縫的原因

2.2.1 仰拱施工質(zhì)量原因

施工質(zhì)量是引起仰拱填充層縱向開裂的主要原因，具體表現(xiàn)為：仰拱填充層縱向開裂段局部初期支護(hù)未按設(shè)計要求進(jìn)行封閉，缺少型鋼拱架；局部仰拱開挖深度小于設(shè)計深度，導(dǎo)致仰拱深度嚴(yán)重不足；局部段落未施作鋼筋混凝土仰拱，僅澆筑了C15片石混凝土填充層，并且混凝土污染和離析嚴(yán)重。

2.2.2 仰拱處地下水原因

圖3 施工期隧底開挖現(xiàn)場

圖4 仰拱破損檢測后發(fā)現(xiàn)的地下水

現(xiàn)場仰拱破損檢測結(jié)果表明，仰拱底部存在積水。地下水是引起仰拱填充層縱向開裂的另外一個原因。仰拱底部積水一定程度上軟化了黃土圍巖，降低了仰拱處圍巖的彈性抗力系數(shù)和承載能力，導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)半徑擴(kuò)大，圍巖變形破壞逐漸向深部發(fā)展，引起水平側(cè)壓力和豎向荷載不斷增大；加之隧底圍巖具有一定程度的膨脹性，遇水產(chǎn)生的膨脹力直接作用于仰拱，增加了仰拱結(jié)構(gòu)上的荷載，導(dǎo)致仰拱結(jié)構(gòu)彎矩增大。仰拱結(jié)構(gòu)上部受拉，下部受壓，并在跨中上邊界處拉應(yīng)力σt達(dá)最大值。

根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，當(dāng)橫向拉應(yīng)力σt大于仰拱填充混凝土極限抗拉強(qiáng)度ftk時，混凝土材料發(fā)生受拉破壞。仰拱中心處最薄弱部位開始發(fā)生斷裂、破壞及錯動，從而使隧道仰拱填充層發(fā)生縱向開裂。仰拱施工質(zhì)量不足，仰拱厚度未達(dá)到設(shè)計要求，逐步增大的仰拱處圍巖壓力加劇了仰拱填充層的開裂，導(dǎo)致仰拱進(jìn)一步隆起變形。

3 處治措施與效果評價

3.1 處治措施

根據(jù)仰拱填充層病害特征，沿隧道兩側(cè)矮邊墻拱腳處縱向架設(shè)[28a槽鋼，橫向每隔5 m設(shè)置一道I20a工字鋼作為水平支撐并與槽鋼焊接牢固。在槽鋼與工字鋼相交位置拱腳處打設(shè)4根直徑42 mm，長度5 m鋼花管。根據(jù)仰拱填充層標(biāo)高，確定是否需要在填充層開槽，以便于安放水平支撐。在仰拱填充層上部設(shè)HRB335直徑12 mm網(wǎng)格間距15 cm×15 cm的鋼筋網(wǎng)片提高仰拱抗裂性能。為有效提高鋼管抗彎剛度，在其內(nèi)部進(jìn)行注漿，對拱腳部位圍巖進(jìn)行有效加固，縮小該處圍巖塑性區(qū)，依靠鋼花管較大的剛度，有效改善仰拱實(shí)際受力狀態(tài)，防止新病害發(fā)生和舊病害擴(kuò)展。

同時，為有效疏通地下水，降低其對隧底圍巖軟化的影響，沿仰拱中心位置縱向每隔10 m設(shè)一處泄水井，采用直徑180 mm鋼管。仰拱以下部位鋼管鉆有孔徑為10 mm的滲水孔，梅花型交錯布置，縱向間距為15 cm。根據(jù)隧底地質(zhì)情況，滲水井鉆至隧底以下不低于10 m。

圖5 病害處治時設(shè)置的縱向槽鋼和鎖腳錨管

圖6 仰拱填充層表面 橫向刻槽

圖7 仰拱填充層表面設(shè)置鋼筋網(wǎng)

圖8 沿縱向設(shè)置豎向 泄水管

3.2 效果評價

在仰拱填充層病害處治段落共設(shè)3個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面在橫向上設(shè)7個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測周期3個月。監(jiān)測結(jié)果表明，仰拱處治后襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未再出現(xiàn)仰拱填充層縱向開裂現(xiàn)象。通車運(yùn)營多年，病害處治段落的路面未出現(xiàn)異常情況。工程實(shí)踐表明隧道建設(shè)期仰拱填充層縱向裂縫處治效果明顯，處治措施科學(xué)合理。

4 結(jié)語

以在建某高速公路黃土隧道為工程背景，分析了仰拱填充層產(chǎn)生縱向裂縫的原因，并提出了有針對性的處治措施，主要結(jié)論如下：

a）仰拱中心部位發(fā)育的裂縫多為縱向張拉裂縫，裂縫基本位于隧道中線附近。裂縫口張開，上部較寬，下部較窄，其寬度從上到下明顯縮小，呈V型。

b）仰拱施工期未嚴(yán)格按設(shè)計方案執(zhí)行，施工不規(guī)范以及地下水影響是導(dǎo)致隧道施工期間仰拱填充層產(chǎn)生縱向裂縫的直接原因。

c）仰拱結(jié)構(gòu)承受彎矩增大是導(dǎo)致仰拱中心部位填充層產(chǎn)生縱向受拉裂縫的根本原因。彎矩作用下仰拱跨中上邊界處拉應(yīng)力最大，當(dāng)其值大于仰拱填充混凝土材料極限抗拉強(qiáng)度時，填充混凝土發(fā)生受拉破壞，導(dǎo)致仰拱開裂及進(jìn)一步隆起變形和發(fā)展。

d）監(jiān)測結(jié)果表明，結(jié)合仰拱病害特征因地制宜制定的處治措施科學(xué)合理，針對性強(qiáng)，處治效果明顯，有效抑制了運(yùn)營期隧道路面縱向裂縫的產(chǎn)生。