有關公路隧道仰拱起拱產生原因及防護措施研究

【摘 要】公路隧道處于地下層，由于受地質、設計及施工等因素的影響，造成了公路隧道仰拱起拱填充隆起的變形。為施工安全造成了巨大的影響，為之后運營埋下了安全隱患的“炸彈”。本文主要針對公路隧道仰拱填充隆起變形的原因、設計及存在問題進行扼要分析，并提出解決的技術方法等。

【關鍵詞】隧道；仰拱填充；起拱；產生原因；技術方法

近年來，公路隧道頻繁發生仰拱起拱的現象，比如湖北省的云嶺公路隧道和其他地區的公路隧道在實施過程中均出現了仰拱填充隆起變形的狀況，本文主要針對公路隧道變形原因進行檢測與分析，并提出相應的解決方案，為以后公路隧道的安全問題提供了保障。

一、公路隧道出現裂縫概況

1. 湖北省的云嶺公路隧道布局在一個交界的關境內，總長有2156m，處于山嶺間的公路最易發生公路隧道仰拱起拱的現象。湖北云嶺的公路隧道的洞身最深埋深度為345m，建筑商運用的埋深一般為210-300m。[1]公路隧道在地質構造方面為褶皺系背斜，會出現斷裂，呈45—75°角向北西方面，與斷裂不同。斷裂程度加深，巖層開始扭曲，巖體會向產生巨大的變化向北西的方向。

2. 近年來，我國大部分地區開始進行新的建設工程。公路隧道發展迅速，施工過程中出現的隧道仰拱起拱及隧道襯砌裂縫等問題日益備受關注。湖北省某一高速公路隧道剛結束施工一年，居然出現13條縱向水平裂縫，據累積共長312.5m，每條裂縫的長度在20—55m，。寬度約為0.15—0.58mm。公路隧道裂縫大部分都處于強化風及全風化砂礫巖等位置，位于V級別。

二、公路隧道仰拱起拱產生的必然性

1. 公路隧道出現仰拱起拱的出現主要是由于圓形物體受力均勻，承受的力相對較大。仰拱起拱是公路隧道結構中重要的組成部分，是整個公路隧道建設結構的基礎，能夠有效的將公路隧道上面的地層壓力轉移到地下層，且還能夠有效的抵制公路隧道地下層對地上層的反力，屬于一種地基梁板，專門承載地上層的荷載壓力（荷載分為臨時荷載與永久性荷載）。為了保護公路隧道不出現裂縫，仰拱的受力狀態相對就比較復雜。觀察國內外公路隧道工程的建設發現，由于公路隧道結構的設計形式、施工隊施工等原因，出現公路隧道出現裂縫，結構面臨坍塌的危險情況，造成多起交通事故的發生。[2]嚴重的威脅了交通安全。類似的實例并不少見，想要是公路隧道結構堅固穩定，必須進行合理的設計和加強施工隊監督，防治偷工減料。公路隧道仰拱的結構呈反向拱形，目的是轉移保護地面表層結構的壓力。適合公路隧道的內部結構。

2. 湖北省云嶺的公路隧道大部分位于山嶺之間，為了防止公路隧道斷裂，必須根據地形角度出發設計出合理，完善的仰拱起拱結構。一般的仰拱均是鋼筋混凝土，初期，仰拱與主洞成環工字鋼，采取左右半幅度施工。2006年底，有人發現公路隧道有隆起現象，但并未對其進行重視。直至2008年初發現隧道隆起呈現出不同程度上的變化、且局部出現裂痕時才被作為重點分析。[3]

三、隧道仰拱起拱產生的原因

外力方面設計方面施工方面

襯砌圍巖的水位較高，壓力較大實際設計與地質條件差別較大，劃分不明確，結構強度不足施工質量差、仰拱起拱填充不牢固，水壓力較大

經分析，公路隧道仰拱起拱起拱變形主要是由于：

1. 除了外力方面，設計方面和施工方面等問題，還有土地的因素及高地應力等。首先是地址的原因，建設公路隧道時，被暴露出的圍巖屬于弱風化及強風化炭質巖，在次級結構面的影響下易破碎。圍巖的強度和硬度較低，把力學的特征表現成膨脹性、流變性及可塑性等等。炭質的巖層容易膨脹，遇水變泥，大多數施工地都有豐富的地下，因此，導致巖層結構下沉，仰拱慢慢翹起。

2. 根據實地調查進行綜合分析，造成公路隧道仰拱起拱的原因有（1）地質因素。公路隧道開挖暴露出來的圍巖屬于弱風化或者強風化千層巖，比較破碎。千層巖本身屬于軟巖層，強度和硬度值都較低，具有膨脹、流動及崩解等特性。因此，千層巖遇水就會化成泥，公路隧道施工現場低下水本就豐富，加上千層巖，以致仰拱的承載力超出基礎承載的范圍，結構開始下沉，出現仰拱向上翹起的起拱現象。【6】0（2）公路隧道的埋深一般有292m，具有較的鉛直地應力。隧道出現斷裂和隧道口處以小角度發生相交。且初始應力大小、方向與地質構造具有密切的關系。比如，交叉處出現斷裂構造情況就會產生極大的應力，剩余的斷裂構造得到解放，巖體發生重新分布等。通過這些可以知道，斷裂結構發生之前，水平的地應力是極大的，斷裂后的地質應力沒有的到完全解放，水平地應力只有一定的量級等。[4]（3）結構設計上的仰拱采取的素混泥土結構，設計之前對地質了解不足，結構中缺乏保護支柱。另外，就是施工影響，施工過程中采取半幅施工，從整體上減退了仰拱的支撐力，從而導致仰拱破壞，出現斷裂。等公路隧道開挖之后，應力重新分布，整個過程十分復雜，加上時間比較長的因素，直接導致結構出現暫時穩定的假象，而不被人發覺，長期下來，應力慢慢自動釋放，仰拱起拱開始發生變化等。【7】公路隧道工程設計中的圍巖類別對比表。

經分析，公路隧道的原工程設計，1類的圍巖者占比例36.8%；2類的圍巖者占比例45.6%；3類的圍巖者占比例53. 3%；1—2類的圍巖者占比例22%。那么實際上的開挖情況為如圖所述。顯而易見，設計過程中針對結構受力、地基的總體承載力等問題的考慮設計，跟實際情況相差太大，盡管在施工的過程中不斷的針對設計進行更改，公路隧道內拱的設計仍舊收到了影響，為之后的仰拱起拱狀況的出現埋下隱患等。

3.近年來，公路隧道襯砌裂縫狀況的產生并不稀奇。公路隧道襯砌裂縫主要是結構受力過度引起的裂縫，是襯砌受力的綜合反映狀態。襯砌裂縫的部位及性質與襯砌的結構、幾何上的尺寸、圍巖壓力及襯砌的分布、施工技術等具有密不可分的關系。主要原因：（1）公路隧道中的拱、墻施工結束后，未等到混凝土達到規定的強度對拱、強進行拆除。（2）施工過程中應注意，一定要按照先拱后墻的順序施工，但在開挖的出現馬口過長、拱腳處懸浮的時間較長、或者兩邊墻的封口不嚴密等，造成仰拱起拱狀況產生。（3）施工過程中，襯砌的背后回填不夠密實、再者就是沒有進行及時壓漿。（4）施工過程中襯砌與開挖太過緊密，施工放炮的距離與襯砌太近，藥量過多等。（5）襯砌的厚度達不到規定厚度，施工的質量不是很好。（6）襯砌施工中，偏壓隧道、洞口的地方，山坡本身具有不穩定性，而且壓力過大，減載的措施不完善，加上地質本身的不均勻性，斷裂的狀況相繼出現。

四、公路隧道仰拱起拱防護方案

1.加強監督量測，掌握變形的情況進行討論分析，根據變形情況制定相應的處理方案，適度的調高仰拱的弧度，并改為鋼筋混泥土結構，防治仰拱變形。仰拱混泥土不僅能夠分擔部分圍巖的荷載能力，還具有安全儲備作用。【5】 仰拱量測的墻基礎必須按照間隔19cm的距離植入58cm長24連接鋼筋，這樣做可以加強仰拱起拱和整個襯砌的連接度增強。針對仰拱起拱的處理方案：對原有的仰拱進行鑿除（也可以進行填充砼來實行）；增加地下層的深度，擴大仰拱的弧度；打設D27中空注漿長460cm左右的錨桿在仰拱兩側的供腳處，縱向保持99cm的間距；打設22MnSi22 砂漿長252cm長的錨桿在仰拱的底部，間距保持在110cm即可；兩側必須打上加強連接筋，并綁扎仰拱鋼筋等；此外，進行砼填充即可。

總結

通過對公路隧道及云嶺地區的公路隧道仰拱起拱及填充隆起的分析表明，必須加強仰拱整體的荷載能力，為交通運輸、交通安全提供方便和保障。

參考文獻：

[1]張濤，夏述光，譚顯坤等.斷裂構造對山區公路隧道選線與施工的影響研究[J].巖土力學，2005，Vol.2，增刊2，275～278.

[2]陳勇。中國地質大學（武漢）工程學院. 兩鄖斷裂帶對十漫高速公路隧道圍巖穩定性影響[R]. 2003：79-80.

[3]趙占廠.黃土公路隧道結構工程性狀研究［D］. 2004：46-47.

[4]吳祥松.高速公路連拱隧道施工時空效應及動態三維反饋分析［D］．2007：659-660.

[5]朱合華，劉學增．仰拱施工工序對隧道變形及結構內力的影響分析［C］.第六次全國巖石力學與工程學術大會論文集. 2000： 675 －678．

[6]中國地質大學（武漢）工程學院.兩鄖斷裂帶對十漫高速公路隧道圍巖穩定性影響[R].武漢：中國地質大學（武漢），2003：6—7.

[7]同濟大學云南元磨高速公路隧道監測組．云南元磨高速公路隧道施工監測報告[R]．上海：同濟大學，2000--2003．