隧道路面拱起病害成因分析及治理措施研究

文章依托靖西至那坡高速公路金龍巖隧道工程實例，分析了公路隧道路面拱起變形的原因和設計及施工中存在的問題，并提出“加固襯砌拱腳+仰拱基礎開挖+注漿加固仰拱基礎+增加鋼筋混凝土仰拱+仰拱與原二襯連接+恢復路面和排水設施”的解決方案，為以后公路隧道路面拱起病害的預防與處治提供參考。

運營隧道；仰拱；路面拱起；原因分析；技術方法

U457+.2A270882

作者簡介：

廖江林（1978—），碩士，高級工程師，主要從事高速公路建設及養護管理工作。

0" 引言

隧道路面拱起病害是隧道常見的病害之一，國內很多學者對隧道仰拱隆起病害的成因及處治方式進行了一定的研究。代仲宇等［1］針對高地應力軟弱泥巖地層的仰拱隆起病害進行了研究，分析了仰拱隆起的原因，并提出了拱腳加固+拆除重置的處治方案；周旭東［2］依據工程實際案例分析了北方地區隧道路面拱起的原因及處治措施；黃忠財［3］利用有限元軟件模擬了隧道圍巖軟化時，路面拱起的變化情況；崔穎［4］采用FLAC 3D軟件，分析了寒區隧道路面隆起與斷層破碎帶、凍融作用、附加行車荷載的關系，并通過數值模擬對比權重分析出了病害產生的主控因素。

目前，針對無仰拱隧道路面拱起的研究還比較少，本文針對這種情況，結合靖西至那坡高速公路金龍巖隧道病害處治工程，分析無仰拱隧道路面拱起病害產生的原因，并提出了相應的處治方案，可以為今后類似工程提供參考。

1" 金龍巖隧道概況

金龍巖隧道位于靖西至那坡高速公路那坡縣城廂鎮境內東南側，隧道右洞長946 m，左洞長890 m，隧道位于廣西那坡縣城廂鎮境內，屬亞熱帶濕潤季風性高原氣候，雨熱同季、干濕分明，氣溫垂直變化比較明顯，春夏秋長，冬寒甚短。年平均氣溫18.4 ℃，極端最低氣溫-4.4 ℃，極端最高氣溫35.5 ℃，年降雨量為1 533.4 mm，降雨量季節分配不均，總體為夏秋多、春冬少，全年降雨量的80%集中在5～10月。隧道區穿越山脊或斜坡地帶，無地表水體分布。

根據地質測繪及鉆探揭示，隧道區穿越地層主要為第四系全新統殘坡積層（Q4el+dl）和石炭系上統黃龍組（C2h），各地層巖性特征自上而下分述如下：

（1）第四系全新統殘坡積層（Q4el+dl）：巖性為雜色碎石土，稍密狀，碎石成分為灰巖、頁巖，粒徑一般為2～10 cm，最大15 cm，次棱角狀，含量約占70％，少量黏土充填，表層0.40 m為耕植土。該地層主要分布于隧道淺表層，厚7.5～19.0 m。

（2）石炭系上統黃龍組（C2h）：巖性為淺灰色石灰巖，微晶結構，中厚層狀構，溶蝕裂隙較發育，局部裂隙面附泥膜，巖石微風化，巖芯為短柱-柱狀，RQD=62％。該地層廣泛分布于整個隧道區域。

2" 金龍巖隧道病害狀況

為探明隧道路面拱起的內在原因，對金龍巖隧道進行了專項檢查。通過現場情況與靖西至那坡高速公路金龍巖隧道檢驗檢測報告相關結果進行對比驗證，進一步判斷病害成因。

2.1" 路面拱起段表觀情況和地質雷達檢測情況

金龍巖隧道YK488+361～K488+412段路面出現明顯起拱，該段的地質雷達圖顯示該段確實存在基巖松散，節理裂隙發育，深度約為1～14 m。

2.2" 隧道邊墻瓷磚破裂情況和地質雷達檢測情況

金龍巖隧道YK488+394～K488+420段邊墻瓷磚破裂，該段的地質雷達圖顯示該段及附近局部二襯脫空或圍巖節理裂隙發育。

2.3" 金龍巖隧道病害位置情況

金龍巖隧道右線路面起拱段，襯砌結構右側病害明顯比左側多，且右側變形、開裂更嚴重，推測襯砌結構受力存在偏壓現象（按小樁號到大樁號前進方向，右側圍巖壓力大于左側圍巖壓力）。YK488+390～YK488+440段襯砌結構右側存在襯砌裂縫，右側邊墻墻角瓷磚存在擠壓破損，而左側襯砌病害較少，可見下行線也在一定程度上受到偏壓作用。

3" 金龍巖隧道路面起拱產生的原因分析

根據金龍巖隧道地質報告、設計圖紙、施工日志、專項檢測報告、結合病害的發展歷史及發展趨勢分析，金龍巖隧道病害受多方面因素影響。

3.1" 地形原因

金龍巖隧道出現病害段位于隧道出口端，隧道左洞埋深淺，右線埋深大，隧道處地勢是右高左低，病害位置正上方地表相對高差最大約45 m，隧道3倍洞徑范圍內地表相對高差最大約120 m，隧道洞身存在較大偏壓。偏壓位于隧道洞口的附近，山坡本身具有不穩定性，而且壓力過大，加上地質本身的不均勻性，斷裂的狀況相繼出現。在后期的運營中受雨水、振動的影響，隧道的偏壓逐漸增大，導致隧道襯砌開裂變形［5］。

隧道路面拱起病害成因分析及治理措施研究/廖江林，王頒法

3.2" 地質原因

隧址區穿越地層主要為第四系全新統殘坡積層（Q4el+dl）碎石土和石炭系上統黃龍組（C2h）灰巖，溶蝕現象較發育，巖層產狀250°∠75°，節理裂隙發育，金龍巖隧道開挖暴露出來的圍巖屬于弱風化或者強風化炭質巖，比較破碎，屬于軟巖層，強度和硬度值都較低，在次級結構面的影響下易破碎。圍巖的強度和硬度較低，其力學的特征表現為流變性及可塑性等。在有豐富的地下水時，巖層結構下沉，以致超出二襯基礎承載的范圍，結構開始下沉，出現路面向上翹起的起拱現象。

3.3" 地下水的原因

金龍巖隧道附近降雨豐富，地下水活躍，下部基巖在長期的溶蝕作用下生成溶蝕裂隙，形成地下水通道，同時引起淺部基巖松散，軟化、節理裂隙發育，在偏壓圍巖的作用下引起路面起拱。

3.4" 結構原因

金龍巖隧道設計過程中針對結構受力、地基的總體承載力等問題的考慮，設計跟實際情況相差較大，在施工的過程中沒有針對性變更。隧道路面起拱段襯砌結構未設置仰拱，主體結構沒有成環，襯砌結構拱腳部位應力集中，隧道內側擠壓變形，結構下沉導致隧道圍巖發生松動，隨即圍巖壓力增大，引起路面起拱。同時隧道出現不均勻沉降，導致襯砌開裂。

金龍巖隧道開挖之后，應力重新分布，整個過程十分復雜，短期內結構出現暫時穩定的假象，長時間后應力慢慢釋放，路面開始拱起，進而引起一系列病害。

3.5" 養護原因

2016年底，金龍巖隧道路面有輕微隆起現象，但未作處理，致使病害繼續發展。2018年初發現隧道隆起病害加劇且局部出現裂縫時，將其作為重要工作進行跟蹤觀測。直至2019年發現隧道隆起變形加快，存在重大安全隱患，嚴重影響行車安全，才進行交通管制，減輕車輛動載對隧道的影響，減緩病害發展。

3.6" 監理原因

建設施工期，金龍巖隧道開挖后，實際圍巖與隧道設計圍巖不符，監理未嚴格執行隧道動態設計及動態施工的要求，沒有做好監控量測，為金龍巖隧道后期運營埋下了隱患。

4" 金龍巖隧道路面起拱病害治理方案

依據病害原因分析，結合巖溶地區巖溶裂隙、溶洞發育及降雨豐富等因素的影響，該項目按照根治病害的理念進行處治。即對金龍巖隧道左線ZK488+318～ZK488+440段和右線K488+310～ZK488+427段采用“加固襯砌拱腳+仰拱基礎開挖+注漿加固仰拱基礎+增加鋼筋混凝土仰拱+仰拱與原二襯連接+恢復路面和排水設施”的方案，從根本上解決隧道病害問題。見圖1～2。

4.1" 鎖腳導管注漿加固襯砌拱腳

仰拱開挖后，會導致二襯拱腳地基承載力降低，出現二襯變形收斂［6］。為此，仰拱開挖前需要對二襯拱腳進行鎖腳導管注漿加固。加固方式為：在隧道拱腳處兩側，按縱向間距100 cm，布置單根長600 cm的89 mm×8 mm注漿鋼管，然后進行注漿加固。

4.2" 仰拱開挖

先鑿除現有路面及電纜溝，然后采用馬口跳槽方式開挖仰拱，仰拱單次開挖長度應控制在2 m以內。仰拱開挖宜采用人工或機械開挖，施工過程中應查看原施工日志，充分了解隧道原來的施工情況，嚴控施工質量，避免引起隧道襯砌開裂。

4.3" 注漿加固仰拱基礎

由于病害段基巖松散，節理裂隙發育，深度約為1～14 m，為此需要對仰拱基礎進行注漿加固。本工程的加固方案為采用單根長450 cm的50 mm×4 mm注漿鋼管，按100 cm×200 cm間距布置（環×縱），然后采用水泥漿注漿加固，以確保仰拱基礎的承載力滿足要求。

4.4" 增加鋼筋混凝土仰拱

（1）鋼筋混凝土仰拱環向采用22 mm主筋，間距25 cm布設；縱向采用10 mm鋼筋，間距30 cm布設；采用8 mm鉤筋滿掛，用鐵絲將主筋、分布筋、及鉤筋綁扎形成鋼筋骨架，鋼筋的搭接方式、搭接長度及保護層厚度應滿足相關規范要求。

（2）仰拱混凝土采用50 cm厚C30混凝土，仰拱填充采用C20混凝土。仰拱施工前應查清原二襯混凝土沉降縫的位置，確保新建仰拱與原二襯混凝土在同一豎直面斷開，并且按規范要求做好沉降縫施工，保證工程質量。

4.5" 仰拱與原二襯的連接

在澆筑仰拱混凝土前，在仰拱與原二襯的連接處鉆孔植入22 mm鋼筋，鋼筋長80 cm，間距25 cm×25 cm，并與仰拱主筋焊接。

4.6" 防排水

采用中央排水溝與開口式路基邊溝組合方式，中央排水溝為寬40 cm、高50 cm的矩形溝，現澆隧道中心排水溝溝身時預留直徑100 mm泄水孔；兩側采用預制開口式路基邊溝，邊溝內徑為15 cm；橫向排水管采用100 mm的PVC管，每隔10 m設置一道。

4.7" 路面混凝土

路面采用瀝青混凝土路面，路面結構從下至上為：20 cm厚C20混凝土基層，28 cm厚C40混凝土面層，6 cmAC-20C改性瀝青混凝土下面層，4 cmAC-13C阻燃改性瀝青混凝土表面層。在混凝土基層與面層之間施做防水隔離層，在混凝土面層與瀝青混凝土面層之間鋪設改性瀝青粘結防水層，在瀝青混凝土面層之間鋪設A級70#熱瀝青黏層。

4.8" 監控量測

施工過程中做好監控量測，重點監控施工期間拱頂是否下沉，拱腳是否收斂，每天至少檢測一次。

5" 處治效果

金龍巖隧道路面拱起病害處治工程于2020年12月完工，經過三年的通車運營，路面平整度為95.10，未出現跳車、路面拱起、檢修道開裂、二襯裂縫等問題，通過該方案很好地解決了未設仰拱隧道路面拱起的問題。

6" 結語

（1）由于金龍隧道的病害段處于偏壓洞口附近，地質復雜，后期雨水較多，排水不暢，致使隧道底部基巖松散、軟化節理裂隙發育，隧道底部承載力不足，二襯結構受力發生變化，并且病害段未設置仰拱，隧道上部受力不能很好地分散到隧道地下層，最后出現路面拱起變形。

（2）增做仰拱+拱底注漿加固可以很好地解決未設仰拱隧道運營期因洞身偏壓或基巖松散、軟化節理裂隙發育引起的路面拱起病害。

（3）建設期設計單位應充分考慮桂西地區巖溶地質的特殊性，考慮到后期圍巖等級變化的因素，適當提高設計要求。

［1］代仲宇，寇" 昊，扶親強，等.高地應力軟巖隧道仰拱隆起處治措施研究［J］.施工技術（中英文），2023（1）：69-73.

［2］周旭東.某隧道路面隆起病害成因分析及整治措施［J］.北方交通，2020（12）：77-81.

［3］黃忠財，熊雅文.公路運營隧道路面起拱病害檢測及成因分析［J］.西部交通科技，2021（3）：179-183.

［4］崔" 穎.寒區長大隧道路面變形病害形成機制與防治措施研究［D］．石家莊：石家莊鐵道大學，2022.

［5］張" 濤，夏述光，譚顯坤，等.斷裂構造對山區公路隧道選線與施工的影響研究［J］.巖土力學，2005，2（增2）：275-278.

［6］朱合華，劉學增.仰拱施工工序對隧道變形及結構內力的影響分析［C］.第六次全國巖石力學與工程學術大會論文集，2000.

20240420