公路隧道仰拱力學性能及施工關鍵點分析

潘 競 虎

(甘肅公航旅路業有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

作為隧道結構中至關重要的一部分，仰拱結構在抵抗洞身底部反力、傳遞襯砌承擔的壓力、承受路面臨時的行車荷載等方面發揮了不可或缺的作用，同時也造成了仰拱自身受力較為復雜，容易發生開裂、破損、底鼓、變形等病害，嚴重影響了行車安全性和舒適性，對公路隧道的增持使用性能和耐久性造成了極大的影響[1]。目前的研究，大多集中于通過采用較為成熟的施工工藝來進行隧道仰拱病害的防治，如在路面層下額外增加一層鋼筋混凝土結構并采用注漿加固基底圍巖的方式來實現對仰拱開裂的防治[2]；或者針對某一線路具體的病害和地質條件，采取對應的整治措施[3]。

有研究表明，引起隧道仰拱變形的主要因素包括地下水、施工質量、結構剛度、施工工藝、圍巖應力、構造應力等，因此應該基于上述因素的分析，采取針對性的措施進行防治，如加強隧道基底的防水與排水施工質量把控、嚴格要求施工質量、增強仰拱結構的剛度和強度等[5-9]。但對于隧道仰拱的受力機理分析及仰拱力學計算模型構建方面的研究進行的相對較少，有必要進行進一步的深化和研究。本研究擬進行公路隧道仰拱受力特性的分析，構建仰拱的力學計算模型，并基于分析結果，提出一些公路隧道仰拱施工過程中應該注意的問題。

2 公路隧道仰拱受力特性分析

2.1 隧道上部巖體松動壓力

根據俄國學者普羅托季亞克諾夫的研究結果，公路隧道中的圍巖、開挖之初以及后期施工運營過程中，均存在一定程度的裂隙和破損，在進行力學分析中，可以將其當作有粘結力的散粒狀顆粒體，并提出關于深埋隧道松動壓力的計算理論，其基本的理論依據為天然拱理論，天然拱理論基本計算圖示如圖1所示。天然拱尺寸在理論上可表示為：

其中，h0為隧道的天然拱的高度；b0為天然拱的跨度；f為堅固性系數。

根據天然拱計算理論，可得：

其中，bm為隧道自身凈跨徑的1/2；hn為公路隧道凈高。

若隧道自身圍巖較為穩定，則隧道施工開挖后其側壁不產生滑移，隧道天然拱的寬度與公路隧道實際設計或施工的寬度相同。因此，根據上述理論可得，隧道仰拱自身承受的豎向松動壓力的計算式可以表達為：

仰拱承受的水平松動壓力為：

普羅托季亞克諾夫的計算理論在計算隧道深埋松動壓力時較為簡潔，若對其進行修正，則能反映隧道圍巖的物理力學綜合性能，與實際工程中的情況較為吻合。

2.2 結構自重荷載

根據隧道結構各自組成部分中，上拱圈、仰拱、邊墻等的力學性能和結構特征，分別對各部分的自重荷載進行計算。計算自重荷載時，縱向上取襯砌的單位長度為計算單元，假定上述三個結構的初期支護所用材料相同，結構截面均為等截面，則可以根據這些假設將隧道結構的自重荷載在計算時簡化為均布荷載，計算圖示如圖2所示。

因此可得，自重均布荷載的計算方式為：

gq=γr·V。

其中，gq為自重均布荷載的荷載集度，kN/m；γr為隧道所用襯砌材料自身的容重，kN/m3；α為圓弧的角度；G為自重荷載，kN。

2.3 仰拱力學計算模型

分析仰拱結構的力學計算模型時，基于上述假設與推導結果，并將公路隧道仰拱簡化為圓心角為φ0和半徑為R的拱結構進行分析，以其圓心為坐標原點建立坐標系以便于力學分析負展開，如圖3所示。

首先建立力法方程為：

求解，得到如下計算式：

代入力法方程可得：

進而可以得到隧道仰拱結構任意位置處的軸力、彎矩以及剪力的計算模式為：

FN=X1+(R-Rcosφ0)X2,

M=qR+X2cosφ0,FQ=-X2sinφ0。

3 公路隧道仰拱施工關鍵點

3.1 重視仰拱施作支護

結合仰拱的力學計算模型并以之作為設計與施工的指導和參考，對隧道仰拱襯砌選擇適宜的方法進行支護，則能有效地保證隧道仰拱的施工質量和使用壽命。隨著時代和科學技術的發展，隧道襯砌的支護技術與工法已經發展的較為成熟。傳統的支護措施包括采用錨桿、隧道內注漿、管棚等改善圍巖力學性能并有效提高圍巖承載能力的加固支護，公路隧道超前導洞卸壓、洞內外鉆孔卸壓、爆破卸壓等轉移或釋放圍巖壓力并減少應力集中的卸壓支護，以及采用多種方式專門針對復雜條件下隧道內部多個部位進行聯合支護的聯合支護法等。此外，還有一些施工區域受地形地貌以及地質條件等的制約，傳統支護方式不能有效進行支護時，可以采取特殊支護措施。常見的特殊支護措施有：能有效保證注漿漿液向隧道圍巖內部深度擴散并防止墻角出現受力不合理而發生剪切滑移的浮渣注漿法、可以有效解決拱架受力不均勻及穩定性差等問題的U型封閉鋼拱架法、能高效合理地抑制仰拱底鼓現象的鋼樁法等。此外，還有一些針對隧道圍巖不均勻而研發的不對稱支護措施。

3.2 注重仰拱開裂防治

隧道仰拱開裂時，根據行業內專家的研究及現場調研，裂縫大多位于道路中線范圍內，且仰拱內部填充的混凝土出現裂縫時，一般沿施工縫產生，且裂縫呈現上部較寬，下部狹窄的特征。一般 Ⅳ 類圍巖處的隧道仰拱填充混凝土容易產生裂縫。隧道仰拱結構混凝土的開裂，影響因素包括洞身土體及圍巖的應力、地下水的流動與滲透、施工速度過快導致混凝土工程質量無法保證、圍巖應力釋放未完成、洞身變形未完全穩定、施工工藝未嚴格把控等，此外，設計強度與配筋率偏低、隧道仰拱與填充混凝土未分批澆筑、支護措施與支護結構不合理等，也會導致仰拱結構出現開裂。因此，仰拱結構的開裂防治，應該從改善圍巖自身受力狀況與力學性能及提高支護體的物理力學性能方面進行。具體的防治措施包括噴錨加固改善圍巖性能與力學條件、通過套襯加仰拱的方式改善仰拱受力性能并減小地下水影響、采用套襯和基層加固的方式降低隧道掘進和開挖對仰拱的影響并降低地下水對仰拱侵襲等，可以實現裂縫的防治及減小地下水對仰拱結構影響。

3.3 加強防排水處治

隧道防排水問題一直是大部分隧道施工中的主要關注點之一，也是隧道施工質量的薄弱點之一。隧道施工完成后，改變了原有地下水的補給和徑流方式，隧道自身所形成的結構形式成為了地下水流通的全新廊道，加之隧道施工進程會導致隧道圍巖的應力重分布并形成一個新的平衡狀態，因此，巖體內原有的水流通道和徑流與排泄模式會發生較大改變，水流對于隧道結構的沖蝕、浸透作用，也會表現出較為復雜多樣的形式。部分隧道在使用數年后會出現多處滲漏情況，不僅會影響襯砌質量和使用壽命，嚴重的會引起拱腳下沉，甚至威脅行車安全。隧道仰拱施作過程中，要結合當地水文情況、地質條件、年降水量等因素，篩選多種坑道涌水預測方法并得出最優方案，常見的如斯佳科夫公式、大島洋志公式、地下水徑流模數法、降水入滲法等，作為公路隧道防排水設計的依據。施工時，結合底層巖性與地質構造情況，采用二次襯砌中設置復合防水板、仰拱等防水措施，同時采用中心排水溝、橫向排水管、縱向集水溝等排水措施，加強隧道及其仰拱部位防排水工作，保證仰拱在施工、運營期間的服役質量和服役壽命。

4 結語

公路隧道仰拱的力學性能可以反映出仰拱的受力過程及破壞機理，通過研究仰拱的受力特性并分析其力學性能，可以從力學層面了解公路隧道仰拱的受力特點，進而判斷其可能的破壞形式，并針對其提出相應的防治措施，在仰拱出現病害之前進行預防，可以減少公路隧道后期運營過程中的維護成本，并有效提高其使用壽命和使用安全性。本研究分析了公路隧道仰拱的受力特性及具體的受力形式，并構建了仰拱的力學計算模型。基于力學分析，提出了公路隧道仰拱在施工過程中應該注意的關鍵技術點，包括施作仰拱時應該重視支護，采用傳統的支護措施、特殊支護措施以及不對稱支護，可以對不同施工條件與地質特征的隧道仰拱進行合理有效地支護。此外，公路隧道仰拱施工時，也應該注重仰拱開裂的防治以及基地的防排水處理。