新建黃土隧道仰拱開裂原因與處治技術

柳銳鋒，范 祺

（1.山西交通科學研究院集團有限公司 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006；2.山西省高速公路綜合行政執法總隊 太原支隊，山西 太原 030006）

0 引言

仰拱是隧道襯砌結構的重要組成部分，其對提高襯砌結構承載力、抑制圍巖塑性區擴展、約束洞周位移發展、維護襯砌結構整體穩定等方面具有非常重要的作用，特別在側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]。我國公路隧道建設和運營過程中，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識和重視。因仰拱結構設計、施工等原因導致地表開裂、拱頂沉降量大、襯砌開裂和失穩、仰拱開裂底鼓、路面翻漿冒泥等病害較多。黃土公路隧道建設和運營過程中，仰拱一旦開裂底鼓，需花費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，結合工程實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構穩定具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程地質和水文地質

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。隧址區位于黃土塬區，沖溝發育，溝間殘垣分布，地表形態表現為黃土梁峁狀。隧道兩側為黃土沖溝，谷坡陡立，植被以灌木為主，分布于溝壑邊緣。隧道地質條件簡單，洞身主要穿越Q2黃土，局部含少量鈣質結核，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狀。

圖1 某黃土隧道概貌

1.2 支護參數

隧道仰拱填充層產生縱向裂縫段落其圍巖主要由第四系中更新統（Q2pl）黃土和第三系（N2al+pl）粉質黏土（含姜石）組成，呈硬塑狀態，土質較密實-密實；局部圍巖下部為第三系上新統（N2al+pl）礫石，主要成分為灰巖，鈣質-泥質膠結。隧道采用復合式襯砌結構，初期支護系統錨桿采用Φ22全螺紋砂漿錨桿，且每環設計4根鎖腳錨桿；鋼架采用工字鋼，型號I20a，間距60 cm；鋼筋網為Φ8，間距20 cm×20 cm；初期支護采用厚度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；初期支護和二次襯砌均封閉成環，仰拱采用厚度40 cm的現澆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，清掃調平層表面時發現隧道中線附近仰拱填充層出現縱向裂縫較多，裂縫長度約43 m，最寬處達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，未出現橫向裂縫，可初步判定病害情況主要與仰拱結構承受過大彎矩有關。

圖2 建設期仰拱填充層出現縱向裂縫

2.2 出現縱向裂縫的原因

2.2.1 仰拱施工質量原因

施工質量是引起仰拱填充層縱向開裂的主要原因，具體表現為：仰拱填充層縱向開裂段局部初期支護未按設計要求進行封閉，缺少型鋼拱架；局部仰拱開挖深度小于設計深度，導致仰拱深度嚴重不足；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重。

2.2.2 仰拱處地下水原因

圖3 施工期隧底開挖現場

圖4 仰拱破損檢測后發現的地下水

現場仰拱破損檢測結果表明，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和承載能力，導致圍巖塑性區半徑擴大，圍巖變形破壞逐漸向深部發展，引起水平側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，遇水產生的膨脹力直接作用于仰拱，增加了仰拱結構上的荷載，導致仰拱結構彎矩增大。仰拱結構上部受拉，下部受壓，并在跨中上邊界處拉應力σt達最大值。

根據最大拉應力準則，當橫向拉應力σt大于仰拱填充混凝土極限抗拉強度ftk時，混凝土材料發生受拉破壞。仰拱中心處最薄弱部位開始發生斷裂、破壞及錯動，從而使隧道仰拱填充層發生縱向開裂。仰拱施工質量不足，仰拱厚度未達到設計要求，逐步增大的仰拱處圍巖壓力加劇了仰拱填充層的開裂，導致仰拱進一步隆起變形。

3 處治措施與效果評價

3.1 處治措施

根據仰拱填充層病害特征，沿隧道兩側矮邊墻拱腳處縱向架設[28a槽鋼，橫向每隔5 m設置一道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4根直徑42 mm，長度5 m鋼花管。根據仰拱填充層標高，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HRB335直徑12 mm網格間距15 cm×15 cm的鋼筋網片提高仰拱抗裂性能。為有效提高鋼管抗彎剛度，在其內部進行注漿，對拱腳部位圍巖進行有效加固，縮小該處圍巖塑性區，依靠鋼花管較大的剛度，有效改善仰拱實際受力狀態，防止新病害發生和舊病害擴展。

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。根據隧底地質情況，滲水井鉆至隧底以下不低于10 m。

圖5 病害處治時設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 仰拱填充層表面設置鋼筋網

圖8 沿縱向設置豎向 泄水管

3.2 效果評價

在仰拱填充層病害處治段落共設3個監測斷面，每個監測斷面在橫向上設7個監測點，監測周期3個月。監測結果表明，仰拱處治后襯砌結構穩定，未再出現仰拱填充層縱向開裂現象。通車運營多年，病害處治段落的路面未出現異常情況。工程實踐表明隧道建設期仰拱填充層縱向裂縫處治效果明顯，處治措施科學合理。

4 結語

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生縱向裂縫的原因，并提出了有針對性的處治措施，主要結論如下：

a）仰拱中心部位發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）仰拱施工期未嚴格按設計方案執行，施工不規范以及地下水影響是導致隧道施工期間仰拱填充層產生縱向裂縫的直接原因。

c）仰拱結構承受彎矩增大是導致仰拱中心部位填充層產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力最大，當其值大于仰拱填充混凝土材料極限抗拉強度時，填充混凝土發生受拉破壞，導致仰拱開裂及進一步隆起變形和發展。

d）監測結果表明，結合仰拱病害特征因地制宜制定的處治措施科學合理，針對性強，處治效果明顯，有效抑制了運營期隧道路面縱向裂縫的產生。