公路隧道仰拱質量問題的病害特征及機理初探

劉會鋼 李鵬

【摘要】

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

【關鍵詞】

【中國分類號】U457+.2【文獻標志碼】A

近些年來，我國公路隧道建設迅猛發展，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構，在施工期間對原有地層巖體進行擾動，周邊圍巖應力場發生應力重分布，隧道結構與周邊圍巖組成共同承受壓力的共同體，研究隧道結構如何有效承受圍巖壓力，如何保持隧道的安全性及穩定性是一項重要課題[2]。

仰拱是隧道結構的重要組成部分，隧道仰拱就是為了改善上部結構受力條件而設置在隧道底部的反向拱形結構，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，增加隧道結構穩定性[2]。

但隧道仰拱作為一項隱蔽工程，其施工質量不易控制，如果施工質量低下，不能滿足設計要求，在運營過程中隧道會出現仰拱病害，影響隧道結構安全，甚至危及行人、行車安全。

1 隧道仰拱病害特征

隧道在運營過程中，會表現出各種各樣的病害，通過隧道定期檢查，可以掌握隧道技術狀況，發現隧道的主要病害，通過總結分析，可以將隧道仰拱病害分為直接病害與間接病害[3]。

隧道仰拱產生的直接病害主要表現為路面開裂及隆起，中央排水溝及橫向排水系統破壞，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。

隧道仰拱產生的間接病害主要表現在襯砌及檢修道上，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，不能查明病害產生的主要原因，要查明隧道病害產生的原因，還需要進行相應的專項檢查手段，對襯砌、路面、檢修道出現的病害形式進行進一步檢查分析，可以采用地質雷達配合鉆孔取芯法對仰拱進行檢查[4-7]，得到隧道仰拱可能存在的質量問題。

地質雷達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量及下方圍巖情況。

通過檢查發現，路面開裂、隆起，檢修道傾斜、側壁擠裂等病害產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，造成結構整體承載能力不足，拱腳處發生沉降，路面受拉開裂或隆起，襯砌也在邊墻及拱腰處開裂[8-11]。

通過地質雷達及鉆孔取芯檢查結果示例如圖6、圖7所示。

3 仰拱病害產生機理分析

隧道仰拱一般設置在軟弱圍巖及不良地質段，設置仰拱的目的是為了提高結構整體性和支撐承載能力;與二次襯砌形成封閉的環形，控制圍巖產生過大變形;調整襯砌結構受力，防止底鼓或內擠等變形破壞;解決基礎承載力不足，減少下沉?？紤]到施工及成本因素，仰拱不能設置成圓形，造成仰拱與拱墻連接處存在應力集中，仰拱端頭存在兩個彎矩較大的反彎區域，存在質量問題時，應力集中現象更加明顯[12-16]。

仰拱有施工就設置仰拱，或施作初期先支護再施作仰拱，施作加深仰拱等情況。本文通過有限元數值模擬計算，探究隧道仰拱不同施工質量缺陷的隧道結構受力情況，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種工況采用數值模擬的方法進行計算。采用ANSYS12.0有限元軟件進行建模分析，網格尺寸為0.5 m，襯砌結構采用beam3模型，地層彈簧單元采用Link10單元進行模擬。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JTG D70-2004《公路隧道設計規范》，圍巖參數和襯砌混凝土參數選取如表1所示。

通過計算發現：

（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，影響區域也增大，出現應力集中現象。

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

4 結束語

本文研究了公路隧道仰拱不同質量缺陷下表觀病害出現機理，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，易誘導隧道結構變形、沉降、內擠等，表現出來就是路面隆起、開裂，襯砌縱向裂縫，檢修道傾斜、側壁內擠。另外隧道仰拱分幅施工會造成先施工一側邊墻及拱腳、仰拱端頭彎矩剪力明顯增大，造成隧道結構兩側受力不平衡，造成隧道非對稱性變形及破損，表現出來就是隧道單側結構襯砌開裂、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意義，也指明隧道病害產生的主要原因是施工質量問題，解決隧道仰拱質量問題一是要求嚴格管理施工過程，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量問題。

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