黃土隧道施工期間仰拱底鼓機(jī)理及控制技術(shù)研究

楊華清

（甘肅省蘭州公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

甘肅省地處黃土高原西部，黃土分布面積占省域面積的26%，分布面積廣、厚度大、濕陷性強(qiáng)烈，且具有明顯的地域差異性，是甘肅省公路隧道穿越最多的地層之一。黃土的特殊工程性質(zhì)（水敏性、大孔性、結(jié)構(gòu)性）造成了黃土地區(qū)公路常常會(huì)出現(xiàn)多種工程病害，省內(nèi)部分在建黃土公路隧道在施工期間仰拱填充層經(jīng)常發(fā)生縱向開(kāi)裂。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)路面底鼓病害產(chǎn)生機(jī)理和相應(yīng)的處治措施進(jìn)行了研究。T Asakura等[1]總結(jié)了日本鐵路隧道針對(duì)不同病害的最新養(yǎng)護(hù)技術(shù)，并介紹了福岡等三座隧道的處治案例；S Seki等[2]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析對(duì)隧道路面底鼓病害成因進(jìn)行了分析；白國(guó)權(quán)[3]將仰拱缺陷歸納為鋼架間距過(guò)大、混凝土厚度不足及不夠密實(shí)3類(lèi)，并提出了針對(duì)性的處治措施；馮勇等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)、實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)等方法對(duì)南陽(yáng)山隧道路面底鼓病害原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的處治措施；朱小明等[5]通過(guò)對(duì)甘肅省429座（單洞）運(yùn)營(yíng)公路隧道的調(diào)查與檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)了仰拱變形病害的主要表現(xiàn)形式與仰拱缺陷的主要類(lèi)型，分析了仰拱變形病害的主要原因；張建等[6]對(duì)蘭州南繞城高速公路某黃土隧道仰拱填充頂面豎向沉降進(jìn)行了觀測(cè)和數(shù)值計(jì)算，分析了仰拱底鼓機(jī)理，并提出了防治方案；趙濤[7]開(kāi)展了泥巖隧道仰拱底鼓模型試驗(yàn)，探討了基底膨脹和軟化復(fù)合作用下泥巖隧道仰拱的受力特性、變形規(guī)律以及仰拱底鼓的控制措施。

目前針對(duì)隧道仰拱底鼓的產(chǎn)生機(jī)理及控制技術(shù)還不夠深入，尤其針對(duì)不同病害情況的處治措施還不夠完善。本文依托甘肅某在建高速公路黃土隧道，分析深埋老黃土隧道仰拱底鼓病害的原因，對(duì)不同的影響因素進(jìn)行了分析，并提出了控制措施。本文提出的仰拱底鼓處治措施可為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

某左右分離式長(zhǎng)隧道右線里程樁號(hào)為YK57+794～YK57+420，長(zhǎng)1626m，隧道最大埋深120m；左線里程樁號(hào)為ZK55+854～ZK57+395，長(zhǎng)1541m，隧道最大埋深120m。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of the tunnel

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，按地層時(shí)代及成因分類(lèi)，隧址區(qū)整體上覆地層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eo）l，上更新統(tǒng)沖積黃土（Q3a）l，中更新統(tǒng)離石黃土（Q2）l，工程地質(zhì)特征詳細(xì)描述如下：

風(fēng)積黃土（Q3eo）l；淺黃色，干燥～稍濕，稍密，土質(zhì)較均勻，主要以粉粒組成，大孔隙發(fā)育，土質(zhì)疏松，手捏易散，鐵鍬易挖，具強(qiáng)濕陷性，覆蓋于隧道地表。

沖積黃土（Q3a）l；黃褐色，稍濕，中密，土質(zhì)較均勻，粉粒為主，土塊手捏不易碎，局部可見(jiàn)少量白色菌絲，具中等濕陷性，分布于風(fēng)積黃土下部。

離石黃土（Q2）l；紅褐色，稍濕-干燥，中密-密實(shí)，土質(zhì)不均勻，含鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑2-5mm，干強(qiáng)度高，含黑色斑點(diǎn)，土體堅(jiān)硬，日曬后易龜裂。分布于隧道洞身，是隧道洞身通過(guò)的主要地層。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

1）襯砌結(jié)構(gòu)形式

襯砌結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

圖2 SVa襯砌類(lèi)型斷面圖Fig.2 Section view of SVa lining type

2 計(jì)算模型及參數(shù)

本計(jì)算中V級(jí)深埋黃土隧道埋深取為100m，建立該埋深隧道有限元模型，對(duì)圍巖和結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行計(jì)算分析。模型邊界均大于5倍的隧道開(kāi)挖寬度。模型頂面為近似地表的自由邊界（其中75m地層荷載采用等效荷載加載），前、后、左、右邊界均施加水平約束，底部為固定約束，有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model

圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值見(jiàn)表1。圍巖采用實(shí)體單元，本構(gòu)模型為修正Mohr-Coulomb模型；初支和二襯均采用實(shí)體單元模擬。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

3 仰拱底鼓機(jī)理分析

3.1 臺(tái)車(chē)和二襯自重

為了研究二襯臺(tái)車(chē)自重對(duì)仰拱填充層結(jié)構(gòu)的影響，本計(jì)算工況為二襯澆筑前，圍巖和初支結(jié)構(gòu)共同承受?chē)鷰r荷載，二襯臺(tái)車(chē)的重量為78t，二襯臺(tái)車(chē)加載后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。由圖可知，受二襯臺(tái)車(chē)荷載的影響，仰拱填充層頂面中心線附近混凝土受拉，拉應(yīng)力為10.81kPa，遠(yuǎn)小于C15混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，所以二襯臺(tái)車(chē)不會(huì)引起仰拱填充層開(kāi)裂。

圖4 二襯臺(tái)車(chē)加載后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.4 The minimum principal stress nephogram of structure after loading of tunnel lining truck

為了研究二襯自重對(duì)仰拱填充層結(jié)構(gòu)的影響，本計(jì)算工況為二襯剛澆筑完，二襯僅受自重作用，因有防水板，二襯采用等效荷載方式加載，圍巖和初支結(jié)構(gòu)共同承受?chē)鷰r荷載，二襯澆筑完隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。由圖可知，受二襯自重的影響，仰拱填充層頂面中心線附近混凝土受拉，拉應(yīng)力為13.63kPa，遠(yuǎn)小于C15混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，所以二襯自重不會(huì)引起仰拱填充層開(kāi)裂。

圖5 二襯澆筑完隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.5 The minimum principal stress nephogram of structure after tunnel lining pouring

3.2 墻腳地基承載力

為了研究墻腳地基承載力不足對(duì)仰拱填充層結(jié)構(gòu)的影響，本計(jì)算工況中二襯承擔(dān)60%的圍巖荷載，圍巖和初支結(jié)構(gòu)承擔(dān)40%的圍巖荷載，隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6。由圖可知，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的永久安全性時(shí)，仰拱填充層頂面中心線附近混凝土受拉，拉應(yīng)力為1.60MPa，大于C15混凝土的極限抗拉強(qiáng)度1.40MPa，所以仰拱填充層開(kāi)裂是墻腳地基承載力不足引起的。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.6 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure

本計(jì)算工況中隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，見(jiàn)圖7。由圖可知，墻腳與仰拱中心的差異沉降為11.7mm。

圖7 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.7 The vertical displacement nephogram of tunnel structure

4 加固效果分析

本計(jì)算工況為墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖8。由圖可知，墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后，仰拱填充層頂面混凝土拉應(yīng)力減小為1.32MPa，減小了17.5%，略小于C15混凝土的極限抗拉強(qiáng)度1.40MPa，但安全富裕度不足。

圖8 墻腳鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.8 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure after the reinforcement of steel pipe piles with locking feet at the wall feet

墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，見(jiàn)圖9。由圖可知，墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后，墻腳與仰拱中心的差異沉降為7.5mm，減小了35.9%。

圖9 墻腳鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.9 The vertical displacement nephogram of tunnel structure after the reinforcement of steel pipe piles with locking feet at the wall feet

由于僅采用鎖腳鋼管樁加固，仰拱填充層結(jié)構(gòu)安全富裕度不足，再在路面基層加配抗裂鋼筋網(wǎng)。本計(jì)算工況下隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖10。由圖可知，加配抗裂鋼筋網(wǎng)后，仰拱填充層頂面混凝土拉應(yīng)力減小為1.12MPa，相比未加固前，減小了30.0%，小于C15混凝土的極限抗拉強(qiáng)度1.40MPa，具有足夠的安全度。

圖10 加配抗裂鋼筋網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.10 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure with anti-cracking steel mesh

加配抗裂鋼筋網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，見(jiàn)圖11。由圖可知，加配抗裂鋼筋網(wǎng)后，墻腳與仰拱中心的差異沉降為7.1mm，相比未加固前，減小了39.3%。

圖11 加配抗裂鋼筋網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.11 The vertical displacement nephogram of tunnel structure with anti-cracking steel mesh

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)隧道仰拱填充層開(kāi)裂問(wèn)題的分析與計(jì)算研究，可以得到以下結(jié)論：

1）臺(tái)車(chē)和二襯的自重不會(huì)引起隧道仰拱填充層的開(kāi)裂。

2）隧道仰拱填充層開(kāi)裂是墻腳地基承載力不足引起的。

3）墻腳采用鎖腳鋼管樁加固和路面基層加配鋼筋網(wǎng)均能有效改善仰拱填充層的受力，減小仰拱填充層頂面混凝土的拉應(yīng)力，但只采用其中一種加固措施，仰拱填充層的安全富裕度不足，建議同時(shí)采用兩種加固措施加固。

4）墻腳采用鎖腳鋼管樁加固時(shí)容易破壞隧道環(huán)縱橫向排水管，在打樁前應(yīng)確定排水管的位置，打樁時(shí)避開(kāi)排水管。