淺談隧道仰拱的技術要點及病害機理

高 輝

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司） ，山西 太原 030006）

1 概述

近年來國家大力發展高速公路建設，高速公路建設規模不斷增大，公路隧道數量也隨之增多。山西省是“隧道大省”，其典型的特長隧道有：太古高速公路西山特長隧道（13.5 km）、長平高速公路虹梯關特長隧道（13.2 km）、榆和高速公路云山特長隧道（11.4 km）、平榆高速公路寶塔山特長隧道（11.2 km）等。即將新建的高速公路也將有一批特長隧道出現。

隨著隧道數量和長度的增加，運營隧道病害越來越多，大多表現為襯砌裂縫、滲漏水，基底沉陷或隆起等病害。基底沉陷或隆起主要表現形式為隧道拱腳下沉、路面中心拱起、路面開裂，其主要原因在于隧道施工過程中對仰拱重要性認識不足，施工質量差而造成的。經過對隧道病害的調查，由仰拱缺陷造成的病害占到了45%左右，處治費用占了整個病害處治費用的70%以上。

2 隧道仰拱的原理及作用

2.1 隧道仰拱的原理

隧道仰拱是為上部支護結構提供支撐，它是設置在隧道底部的反向拱形支護結構，其將隧道上部的荷載壓力傳遞到隧道底部，同時又有效地抵抗隧道下部地層傳來的反力。仰拱通俗解釋為向上仰的拱，一般分為3部分，即仰拱的初期支護、仰拱的二次襯砌支護、仰拱的填充層（見圖1）。對于部分圍巖條件較好的隧道段，仰拱結構可不設初期支護。

圖1 隧道仰拱示意圖

2.2 隧道仰拱的作用

仰拱在隧道整個受力體系中，發揮著重要的作用，具體而言，其作用有：

a）隧道仰拱能解決基礎承載力不夠，減小隧道襯砌下沉，同時調整襯砌應力。

b）隧道圍巖破碎段、黃土段及時施做仰拱，可以提早使襯砌結構封閉成環，阻止圍巖變形過大，提高隧道整體承載力。

c）隧道仰拱在隧道底部也有一個橫向支撐力，防止隧道兩側內擠而產生剪切破壞。

3 隧道仰拱的設計要點

a）隧道仰拱一般布設在Ⅳ-Ⅴ級圍巖中，但在Ⅳ級圍巖中，其強度、裂隙的數量、破碎程度以及產狀差別較大。傳統的隧道設計時，大多數僅僅依靠經驗，同一級別的圍巖仰拱設計采用同一個標準。尤其是施工時開挖出來的圍巖強度低、圍巖破碎、圍巖整體性差，但是未及時進行設計調整，后期隧道底部的承載力遠遠不能滿足要求，導致隧道運營后出現一系列病害，其病害處治既費時、費力，處治效果欠佳，又無法一次性完全處治到位。

b）隧道設計階段，應根據勘察報告的各個參數，綜合分析，制定合理的仰拱標準。在隧道施工階段，一旦實際開挖圍巖與勘察不符，應及時對仰拱設計參數進行調整，保證隧道仰拱支撐力滿足襯砌的實際要求。

c）為了避免由于仰拱薄弱，出現隧道襯砌受力不足的情況，為日后隧道的運營埋下隱患，因此建議在設計階段加強仰拱的設計參數，如提高仰拱厚度、仰拱襯砌強度。

d）黃土隧道局部段落穩定極差，建議隧道開挖后，先對仰拱底部進行加固，建議采用處治黃土沉陷比較成熟的、效果很好的高壓旋噴樁加固方法，處治深度可根據工程具體情況確定。

4 隧道仰拱施工要點

a）隧道底部兩側拱腳處開挖時應平順，避免應力集中。底部禁止有虛渣、雜物，鋼拱架與隧底應接觸密實。

b）在膨脹巖地區開挖仰拱時，底面和兩隅應提前打入錨桿后，再行開挖[1]。

c）仰拱開挖后，應盡快進行支護施工，為防止隧道出現較大變形。

d）當仰拱底層無初期支護時，應用混凝土做墊層，進行找平，確保仰拱鋼筋能安裝到位。

e）仰拱上部的填充層混凝土配比應準確，仰拱施工時必須使用模板，同時機械搗固密實。原則上要求仰拱和上部的填充層應一次立模施工，但是鑒于二者混凝土強度標號不一致，故在仰拱施工完成后，適當停歇后，再進行填充層混凝土施工。

f）仰拱一旦出現超挖現象時，應采用與襯砌相同強度等級的混凝土進行澆筑。

仰拱填充采用片石混凝土時，片石應距模板50 mm以上，片石間距應大于粗集料的最大粒徑，并應分層擺放，搗固密實[1]。

5 隧道仰拱施工管理要點

a）建設單位要強化管理，在仰拱的施工過程中，一旦出現施工質量存在缺陷，實行頂格處罰，并且對項目負責人進行全線通報。采用現代化的科技手段，在仰拱施工過程中，現場必須有實時監測系統，監測系統與建設單位管理平臺相連，以便業主對仰拱的開挖情況實時掌握。

b）設計單位應在隧道的開挖過程中，根據圍巖的變化情況，及時對仰拱的支護級別進行調整，保證仰拱的支撐能力滿足隧道的承載力。

c）施工單位在隧道工程施工中，應選用施工水平過關、施工質量可靠、施工組織有序的隊伍，同時現場技術人員應對重點、要點部位進行全程指導，不能任憑施工隊隨意施工。

6 工程實例

6.1 隧道基本情況

該隧道設計為左右線分離式。左線洞體全長964 m，進口底板設計高程為682.879 m，出口底板設計高程為692.211 m，洞體最大埋深102.140 m。右線洞體全長939.0 m，進口底板設計高程為683.131 m，出口底板設計高程為692.162 m，洞體最大埋深101.098 m。隧道總體走向呈東西向為81°。

6.2 水文地質

隧址區地下水主要為基巖裂隙水，接受大氣降水入滲補給。地層中巖石膠結較松散，縱橫向水力聯系一般，本區降水量少，無常年地表徑流及大型地表水體，因此，地下水補給來源貧乏，巖石含水性從上到下逐漸變弱，且地形坡度變化較大，地表光禿利于地表徑流與排泄，并利于滲透補給下覆地層，進口段區域地下水位標高1 260 m，出口段地下水位標高1 100 m，均低于隧道設計標高，中、深部地層含水性極弱，區內水文地質條件屬于簡單類型。

6.3 病害現狀

圖2 某高速公路隧道路面錯臺裂縫

該隧道2013年建成通車，2014年4月路面中心出現拱起現象，路面兩側出現裂縫，裂縫寬度約8 mm，局部出現錯臺（圖2）。建設單位委托第三方進行了隧道變形監測，經過近1個月的監測，隧道兩側處于不均勻下沉，累計下沉量達到了7 mm。監測單位建議業主單位盡快進行病害處治。

6.4 病害勘察

隨后業主委托設計單位進行了病害勘察設計，設計單位接到任務后，第一時間對該隧道進行了病害勘察。經鉆探后顯示：a）路面以下0～0.5 m為瀝青路面及混凝土結構層；b）路面以下0.5～1.0 m為碎石土層，成分為石灰質泥巖，角礫巖；c）路面下1.0～2.50 m為基巖層，泥巖，磚紅色，碎塊狀結構，強度極低。

6.5 病害原因

該隧道在病害段設計有仰拱，根據勘察資料分析，病害出現原因如下：a）隧道仰拱下部浮渣過多，其主要原因是由于現場管理混亂，施工監管不力，造成仰拱澆筑前，未將仰拱底部的浮渣清除干凈。b）浮渣遇水軟化。該隧道的裂隙水主要為地表水，2016年雨期較往年比較長，且雨水較多，大量的地表水下滲進入了隧道，導致仰拱下部的浮渣軟化，承載力降低。c）本段圍巖主要為泥巖，強風化，強度低，遇水后強度更低。d）仰拱填充層厚度不足。根據鉆探結果，本段仰拱填充層的厚度明顯低于設計值。在上述4個原因共同作用下，該隧道拱腳的承載力明顯不足，拱腳下沉擠壓，導致路面中線出現拱起。

7 結論

在隧道施工過程中，應重視仰拱的動態設計調整，嚴格控制施工質量，保證仰拱充分發揮其承載作用，避免其在運營過程中出現病害，影響行車安全。