摘要：針對隧道工程中仰拱隆起開裂問題，文章結合某工程實際案例，剖析隧道隆起開裂病害產生原因，提出仰拱襯砌、仰拱填充等工程措施，并總結了注意事項。通過對處治后的隧道仰拱變形進行觀測分析，病害處治效果較好，病害段落隧道整體穩(wěn)定，隧道通車后運營良好。研究成果可為類似地質隧道建設和病害處治提供借鑒。

關鍵詞：公路隧道；仰拱隆起；地應力；鋼管樁；仰拱置換

中圖分類號：U456.3

0 引言

近十年來，隨著我國西部多山省份公路的建設與發(fā)展，出現(xiàn)了各種地質類型的隧道。其中軟弱膨脹性圍巖是隧道建設中一種兼具風險和挑戰(zhàn)的地質。膨脹性巖體一般含蒙脫石、伊利石等礦物成分［1］，在無水狀態(tài)下，巖體較為穩(wěn)定，當巖體遇水則出現(xiàn)風化崩解，強度下降明顯［2］。若隧道設計施工不當，易因巖體膨脹效應而出現(xiàn)隧道病害，甚至出現(xiàn)安全事故，一些學者對膨脹圍巖隧道病害進行了研究［3-7］。為總結類似膨脹性圍巖隧道建設經驗，解決隧道工程中仰拱隆起開裂問題，本文以某機場公路隧道為工程依托，對膨脹性圍巖隧道仰拱變形原因及病害處治方案進行研究。

1 工程及病害概況

X線機場隧道項目位于云南省西南部，起訖樁號為XK0+965～XK2+515。隧道按60 km/h的二級公路標準建設，隧道凈寬1.0+0.5+2×3.5+0.5+1=10 m。隧道采用三心圓曲墻式內輪廓斷面，凈空斷面面積為59.755 m2。隧道進出口位于直線上，中部為半徑500 m的圓曲線，隧道縱坡為2.5%接2.95%。隧道穿越低中山構造侵蝕、溶蝕地形地貌區(qū)，路線呈182°～123°方位穿山而過，隧道最大埋深約為192 m。隧址區(qū)地表起伏大，沖溝發(fā)育，山體植被茂密。

隧道圍巖由二疊系下統(tǒng)拉巴組（P1l）褐灰、深灰、淺灰、黃綠色灰?guī)r、砂巖及頁巖等組成?；?guī)r為隱-細晶結構，中厚層狀構造；巖體破碎，節(jié)理裂隙及巖溶發(fā)育。強風化灰?guī)r呈角礫、碎石狀；中風化灰?guī)r呈碎塊狀、短柱狀。砂巖、頁巖巖石極破碎，節(jié)理裂隙極發(fā)育。強風化砂巖、頁巖，呈角礫碎石狀。中風化砂巖、頁巖，呈碎石碎塊狀，局部短柱狀。巖層產狀：235°∠40°。

當隧道掌子面掘進至XK1+720時，隧道XK1+498～XK1+618段仰拱出現(xiàn)隆起變形，中部裂縫明顯且縱向貫通。該區(qū)段隧道初期支護、二次襯砌已施工完成，電纜溝、邊溝以及路面尚未施工。隧道變形觀測結果顯示，仰拱變形持續(xù)發(fā)展后趨于穩(wěn)定，仰拱局部裂縫貫穿至邊墻；隧道邊墻二襯拱腳收斂累計變形量約為0.3 mm，隧道二次襯砌變形較小。病害區(qū)段觀測點各時段累計變形曲線如圖1所示。根據(jù)觀測結果總體評估，病害區(qū)段隧道變形已收斂，總體暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)。隧道上部結構變形較小，下部仰拱出現(xiàn)波浪狀隆起，最大隆起量達到45 cm，下部已侵入隧道建筑限界。

2 原因分析

2.1 地質水文因素

根據(jù)隧道地質勘察報告可知，仰拱隆起病害段位于XK1+238～XK1+791區(qū)段，該區(qū)段為全風化頁巖，深灰色，局部強風化，呈碎石、角礫土狀及少量碎石、角礫狀。地下水類型為基巖裂隙水。隆起區(qū)段圍巖質量指標見表1，仰拱隆起段圍巖屬于Ⅴ級圍巖。鉆取隆起段仰拱底部圍巖進行試驗，結果顯示巖樣遇水體積膨脹40%，屬于弱-中等膨脹巖［8］。

水是圍巖產生“膨脹效應”的另一個基本要素。隧道穿越地層含基巖裂隙水，隧道開挖過程掌子面存在滲水現(xiàn)象。在開挖過程中，地下水未能及時排出，匯聚在隧道斷面底部。底部圍巖接觸水軟化、體積膨脹，仰拱位置初期支護鋼架接頭失效，進而出現(xiàn)隧道仰拱隆起開裂。由此可知，圍巖具有膨脹特性且圍巖富水是區(qū)段隧道底部產生變形開裂的基礎原因。

2.2 施工質量因素

XK1+490～XK1+620段仰拱隆起段隧道原設計為Ⅴ級圍巖，原設計為Sf5a曲墻復合式襯砌，仰拱設置有初支和二襯，襯砌斷面開挖跨度為12.14 m。該段落隧道結構設計參數(shù)如下：

超前支護：42×3.5 mm注漿小導管，長度為3 m，循環(huán)間距1.8 m。

初期支護：Ⅰ18工字鋼，間距為0.6 m；25 mm中空注漿錨桿，長度為3.5 m；8 mm鋼筋網，間距為20 cm×20 cm；C25噴射混凝土，層厚25 cm。

二襯及仰拱：二襯為45 cm厚的C30、P8防水鋼筋混凝土，仰拱填充為1.35 m厚的C15混凝土。

XK1+498～XK1+618區(qū)段開裂病害出現(xiàn)后，通過檢測隧道仰拱二襯厚度，合格率為98%；地質雷達掃描仰拱初支，Ⅰ18工字鋼實際設置160榀，原設計200榀，合格率80%。雖然仰拱二襯混凝土厚度基本達到設計要求，但仰拱工字鋼未按設計數(shù)量進行施工，部分初支工字鋼未能封閉成環(huán)。因此，仰拱為隧道支護薄弱環(huán)節(jié)，在隧道底部圍巖膨脹力作用下仰拱產生較大變形。仰拱初支閉合成環(huán)段落，隧道則整體受力較好，可較好地抵抗隧道底部變形。該原因與如圖1所示的變形曲線呈現(xiàn)隆起變形起伏波動規(guī)律相吻合。因此可認為，隧道仰拱局部初支工字鋼缺失，是病害區(qū)段隧道仰拱產生隆起變形的直接原因之一。

2.3 原材料因素

核查混凝土配合比設計試驗檢測報告及施工臺賬記錄，仰拱隆起開裂段所采用粗集料、細集料、水泥均滿足規(guī)范技術要求，所采用建筑材料不具有膨脹性。因此可認為，原材料并非XK1+498～XK1+618區(qū)段產生仰拱隆起的原因。

2.4 地應力因素

項目附近主要斷裂為F19勐阿-孟連-瀾滄斷裂，斷裂呈北東70°向南西250°方向直線展布。路線于XK0+300附近呈約88°交角斜交該斷裂帶，隧道所經區(qū)域位于該斷裂帶下盤。病害出現(xiàn)時間段內，該斷裂構造并未活動，可認為仰拱隆起與構造應力無關。

根據(jù)隧道地質縱斷面，病害區(qū)段隧道埋深約為120 m，巖石重度取22 kN/m3，巖體垂向（自重）應力P=2.64 MPa。病害區(qū)段地質為軟巖，無地應力實測資料，取最大地應力P=2.64 MPa，巖石強度/最大地應力＝21.20 /2.64=8.03，病害區(qū)段不存在高地應力。因此，可認為區(qū)段隆起開裂與地應力無關。

2.5 綜合分析

XK1+498～XK1+618區(qū)段圍巖具有弱-中等膨脹性，隧道開挖地層裂隙水匯聚于隧道底部，兩者因素共同作用使得隧底圍巖軟化、體積膨脹。隧道襯砌先完成施工，隧道底部積聚向上作用力。隧道未按設計進行施工，仰拱底部鋼拱架部分缺失，未能提供足夠抗力，進而出現(xiàn)隧道底部隆起開裂。巖體具備膨脹性、區(qū)段含地下水、施工質量差等多因素疊加是仰拱隆起開裂的原因。

3 病害處治

由上述病害原因分析可知，該病害段落隧道底部隆起釋放了一部分隧道底部圍巖膨脹力，隆起量較小的局部仰拱則仍殘存膨脹力。病害段落隧道拱部初支、二襯均已施工完成，監(jiān)控量測結果揭示，隧道僅下部結構侵入隧道建筑限界，上部結構不受影響。因此，病害處治僅須對病害段落仰拱進行治理，制定病害處治設計方案如圖2所示。

3.1 仰拱襯砌

為了保證隧道上部結構以及圍巖穩(wěn)定，處治方案采用斜樁設計。在隧道起拱線以下1.3 m位置設置鋼管樁，鎖住隧道襯砌拱腳，穩(wěn)固上部襯砌結構。鋼管樁傾斜角度為30°，鋼管尺寸為108 mm×6 mm，樁長6 m，樁間距0.8 m。鋼管樁內置3根14" mm螺紋鋼筋，管內注水泥漿填充。

隧道仰拱隆起變形發(fā)展過程中，仰拱填充最先開裂，二次襯砌次之，仰拱初期支護雖然與圍巖直接接觸，但卻是隧道下部結構最后破壞部位。仰拱初支作為抵抗隧道仰拱隆起力重要組成部分，本次處治方案將其加強為Ⅰ22a，縱向間距0.6 m，與原設計相同，Ⅰ22a接頭在拱腳與原鋼架閉合成環(huán)。仰拱C25噴射混凝土厚度增加為26 cm，初噴厚度為4 cm。

仰拱二次襯砌環(huán)向主筋直徑、鋼筋間距、二次襯砌厚度與原設計相同。環(huán)向主筋采用直徑為22 mm HRB400鋼筋，縱向間距為20 cm，仰拱鋼筋在拱腳處與破除預留鋼筋綁扎連接，鋼筋搭接長度≥1 m。

3.2 仰拱填充

破除了原仰拱后，隧道底部圍巖積聚膨脹力雖然得到釋放，但隨著隧道處治封閉成環(huán)，隧道底部仍可能殘余膨脹力。為了抵消該殘余膨脹力，本研究通過增加隧道仰拱填充量，利用增加隧道仰拱自重來實現(xiàn)。為了尋求最佳仰拱填充厚度，本文運用Midas NX軟件建立X=200 m、Y=120 m、Z=200 m的三維模型，見圖3。采用控制變量法，控制其他變量因素不變，分別對仰拱深度為1.35 m、1.5 m、1.65 m、1.8 m、1.95 m模型進行計算。提取模型仰拱隆起量計算結果，繪制仰拱深度-仰拱隆起量變化曲線如圖4所示。

由圖4可知，在相同地質和支護條件下，仰拱回填越深（即仰拱回填量越多），隆起量逐漸下降。增加隧道仰拱深度，可以利用仰拱填充自重作用抵抗隧道仰拱底部圍巖向上作用力，有利于隧道整體受力平衡。但是隧道斷面設計并不能無限增加仰拱埋深，大量增加仰拱埋深也會增加隧道開挖量和仰拱回填量，造成浪費。結合模型計算結果綜合分析可知，當隧道仰拱埋深取值約為1.65 m時，可滿足病害處治和隧道穩(wěn)定性要求。

3.3 注意事項

（1）因隧道二次襯砌已施工完成，鋼管樁鉆孔應避開原初支鋼架。拱腳斜樁鉆孔前應先采用地質雷達等設備定位工字鋼位置，并作標記。

（2）為了減少相鄰段落處治施工相互影響，仰拱病害處治應分段間隔進行。每段仰拱置換段落縱向長度應≤5 m，仰拱置換段落間隔應＞30 m。

（3）破除原仰拱填充、仰拱初支二襯，保留拱腳位置二襯鋼筋搭接長度和初支鋼架接頭。拆除過程中，應注意保護拱腳排水管，保證隧道排水系統(tǒng)完整。

（4）每個處治段落交界處設置施工縫、縫寬2 cm。拱腳交界處和施工縫采用背貼式橡膠止水帶和中埋式橡膠止水帶進行防水，縫隙采用瀝青麻絮填充。

4 處治效果

XK1+238～XK1+791仰拱隆起病害區(qū)段處治完成后，通過對隧道仰拱變形進行觀測分析，仰拱底部變形觀測點位移總體趨于穩(wěn)定，變形＜1U0/3（U0為預留變形量），隧道仰拱未出現(xiàn)隆起開裂。病害處治效果較好，病害段落隧道整體穩(wěn)定，隧道通車后運營良好。

5 結語

對于膨脹性圍巖地層隧道，施工階段開挖掘進和襯砌支護雖然已經完成，但是在多因素疊加共同作用下，隧道也可能出現(xiàn)較大的隆起變形。通過綜合分析某機場二級路隧道病害產生原因以及具體工程處治措施，可以總結出以下結論：

（1）對于膨脹性圍巖且含地下水的隧道，隧道仰拱設置二次襯砌和初期支護可有效平衡巖體向上膨脹力，施工過程中應嚴禁取消仰拱初支和二襯。

（2）地下水是膨脹性圍巖發(fā)生劣化的重要因素，隧道施工過程中應及時抽排隧道掌子面滲水，避免隧道膨脹性巖體長時間浸泡于地下水。

（3）鋼管樁既可作為臨時支護，施工完成后也可以作為永久支護。在仰拱置換過程可為拱部襯砌提供底部支撐，避免上部圍巖襯砌出現(xiàn)較大沉降變形，具有穩(wěn)定隧道拱部圍巖襯砌作用。

（4）通過控制變量法研究可知，增加仰拱回填深度，可有效控制隧道仰拱隆起變形。對于隧道穿越軟巖地段，病害處治效果較為明顯。

參考文獻

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收稿日期：2024-03-30

作者簡介：謝 沃（1990—），碩士，工程師，主要從事隧道及地下工程勘察設計工作。