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既有隧道仰拱病害处治措施浅析

李东峻

四川广南高速公路有限责任公司

摘要：近年来随着工程技术的不断革新，我国隧道建设逐渐向断面更大、埋深更深、地应力更高、岩溶更为发育、地质条件更为复杂等条件下进行修建，给隧道建设带来了更大难度，随之而来也造成了更多的工程病害，如拱顶脱空、衬砌开裂、隧道渗漏水以及仰拱隆起等。其中仰拱隆起会引起隧道结构受力模式发生转变，导致出现隧道结构开裂、渗漏水等问题，危及隧道自身结构安全，同时底部填充开裂会造成路面平顺度降低，进而影响行车安全。

关键词：既有隧道；仰拱病害；处治措施

引言

仰拱对维护隧道结构的整体稳定有着重要作用，若得不到及时、有效的处治，将影响隧道结构的稳定和正常运营，严重者甚至诱发安全事故造成人员伤亡。

1隧道仰拱的原理及作用

1.1隧道仰拱的原理

隧道仰拱是为上部支护结构提供支撑，它是设置在隧道底部的反向拱形支护结构，其将隧道上部的荷载压力传递到隧道底部，同时又有效地抵抗隧道下部地层传来的反力。仰拱通俗解释为向上仰的拱，一般分为3部分，即仰拱的初期支护、仰拱的二次衬砌支护、仰拱的填充层。对于部分围岩条件较好的隧道段，仰拱结构可不设初期支护。

1.2隧道仰拱的作用

仰拱在隧道整个受力体系中，发挥着重要的作用，具体而言，其作用有：a）隧道仰拱能解决隧道地基承载力不足的问题，减少隧道沉降；b）防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力；c）封闭围岩，防止围岩变形过大，提高结构整体承载能力；d）增加底部和墙体的支撑阻力，防止内部挤压产生剪切破坏。

2隧道仰拱常见病害及原因

仰拱是隧道重要组成部分，若对其病害未能提前预防和处治，将对行车安全造成严重影响。拱结构的主要病害包括：底板开裂和变形、侧沟开裂和变形、底板沉陷、面层翻浆、隆起。无论仰拱结构产生何种病害，都将使隧道处于不稳定状态，导致存在重大安全隐患。仰拱病害产生的主要原因简述如下：

2.1基底软化

主要由围岩和人为两方面原因造成。

围岩原因。仰拱产生病害的部位主要为围岩情况较差的部位，其岩性偏软；这种岩性在遇水后将发生软化，导致围岩进一步劣化，出现塑性变形，围岩技术参数大幅降低，导致承载力减小；受到侧向压力后，边墙产生内侧挤压，荷载因此进一步增大。局部隧道在高地应力等不利地质因素的影响下，还会产生更加严重的病害。

人为原因。隧道开挖扰动后导致原有围岩受力体系发生改变，且因风化暴露、水流浸入、施工工序质量控制不到位，导致原有围岩力学参数降低、整体承载力下降，加大、加速了软化的产生。

2.2地下水作用

地下水主要在软化基底围岩及产生的外水压力是导致仰拱病害的一个重要原因。

隧道底部岩体在开挖初期完整性较高，随着时间推移，隧道底部岩体在地下水等因素作用下逐渐发生劣化，导致其完整性变差。在动荷载反复作用下超孔隙水压力使施工缝逐渐贯通，地下水携带的泥沙进入裂缝后难以排走，致使道床板与仰拱填充层顶面间水平施工缝逐渐贯通。同时，地下水也会作用在中心水沟侧壁上，造成局部沟壁向沟心倾斜，沟壁与仰拱填充分离，形成纵向裂缝。

仰拱在外水压力作用下会明显增加结构的内力值，对弯矩影响较为明显。外水压力和基底软化对仰拱结构受力的影响规律相一致，引起了衬砌结构内力重分布，改变了仰拱结构弯矩分布形态，使仰拱结构受力条件恶化，从而易导致仰拱发生拉裂破坏。

2.3仰拱结构缺陷

由于施工单位没有对仰拱引起足够重视，导致仰拱结构自身存在问题导致病害，如仰拱底鼓的本质原因是支护与围岩关系中支护（仰拱结构）强度不足以承受围岩荷载带来的压力，在围岩静载已经确定的情况下，结构强度是影响仰拱是否底鼓的核心问题，主要包括仰拱厚度、强度以及曲率等。

3仰拱病害缺陷处治加固机理

在不拆除重新施作铺底的情况下，采用在衬砌结构墙脚处加设锚杆，用锚杆来约束隧道的周边位移；同时，在隧道底注浆，以提高隧道底围岩承载能力，从而弥补隧道因仰拱填充厚度不足或缺失而丧失的功能，以满足隧道正常使用要求。

4常用隧底加固处治具体措施

围岩膨胀性压力及地基承载力不足等不利外力因数：一般采用换拱、隧底换填、仰拱补强、增设仰拱、隧底桩基等处治措施。以提高地基承载力，防止隧底变形；增强仰拱强度，提高结构承载力、衬砌整体受力，同时提高对膨胀围岩、软弱围岩的抵抗能力。

静水压等不利外力因数：一般采用增设仰拱、加深仰拱、隧底注浆等处治措施。以提高地基承载力、改善衬砌整体受力、提高对膨胀围岩、软弱围岩及承压水的抵抗能力。

5隧道仰拱缺陷与变形病害治理措施

质量缺陷是导致隧道病害产生的重要原因之一，部分情况下的隧道外观病害是内在缺陷的外在表现形式，对于隧道仰拱病害与缺陷处治，需要考虑以下4点：（1）病害与缺陷组合情况；（2）病害发展程度、趋势以及对隧道结构长期安全稳定性的影响；（3）地质、地下水情况；（4）维修措施的施工便利性、快捷性。基于以上考虑，应对仰拱缺陷及病害发展程度分类处治，而不是一概采取拆换处治，那样只会对隧道结构造成较大的扰动破坏。通常按以下几类处治：（1）病害已经显现且有发展趋势（出现较为严重的路面底鼓、墙脚沉降）或质量缺陷严重（实际无仰拱且芯样松散、基底围岩软弱），已经危及行车安全，结构承载能力严重降低的，采取重处治手段，一般以拆换为主。（2）有一定程度的缺陷（芯样厚度欠缺或局部松散、基底围岩较软弱），虽已产生病害，但是病害无明显发展趋势，考虑到病害及缺陷对结构的削弱作用，影响结构的长期稳定性与耐久性，可采取中等处治手段，以加固为主。仰拱拆换是隧道仰拱缺陷与病害处治的最常用手段之一，目前已经较为成熟本文不再赘述。对于仰拱与填充层钻探芯样厚度欠缺或局部松散、基底围岩较软弱，但是目前尚无明显变形病害，可采取加固处治，有时为了减小开挖过深，减小结构扰动，也会倾向于采取加固处治方案。有时隧道附近不具备交通分流条件，如果采用仰拱开挖方案，通常要中断交通，社会影响太大，此时采用隧道加固方案可以实现边通车边施工，即一次施工半幅，另半幅通行车辆，具有一定的社会效益。当然如果能将大型车辆提前分流至附近路网通行，不进入隧道，对于施工安全更好。加固方案通常采取注浆锚管、钢管桩等对仰拱、填充层、基底围岩进行加固。为了注浆钢管桩能够整体受力，在钢管桩上部采用横向型钢支撑连接，横向支撑两侧通过纵向槽钢焊接形成整体，相邻横向支撑之间采用纵向钢筋焊接。为了提高混凝土底板上缘受拉能力，设钢筋网片，钢筋网片采用架立钢筋与型钢横向支撑连接。

6隧道仰拱维修施工管理要点

a）建设单位要强化管理，在仰拱的施工过程中，一旦出现施工质量存在缺陷，实行顶格处罚，并且对项目负责人进行全线通报。采用现代化的科技手段，在仰拱施工过程中，现场必须有实时监测系统，监测系统与建设单位管理平台相连，以便业主对仰拱的开挖情况实时掌握。b）设计单位应在隧道的开挖过程中，根据围岩的变化情况，及时对仰拱的支护级别进行调整，保证仰拱的支撑能力满足隧道的承载力。c）施工单位在隧道工程施工中，应选用施工水平过关、施工质量可靠、施工组织有序的队伍，同时现场技术人员应对重点、要点部位进行全程指导，不能任凭施工队随意施工。

结束语

在隧道施工过程中，应重视仰拱的动态设计调整，严格控制施工质量，保证仰拱充分发挥其承载作用，避免其在运营过程中出现病害，影响行车安全。

参考文献

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