复杂地质条件下隧道仰拱开裂病害分析与治理研究

蔡 涛

(中铁十四局铁正检测科技有限公司 山东济南 250014)

1 引言

仰拱是隧道中用于调整上部结构受力、协调整体结构变形的一种反向拱结构，是隧道结构的主要结构之一。仰拱作为隧道的主要承载结构，对于改善隧底围岩受力平衡、提高隧道整体性有着重要作用。然而，近年来在隧道建设施工过程中，“重上部、轻下部；重衬砌，轻隧底”的现象屡见不鲜，加上地质条件复杂、设计和施工技术不合理等原因，仰拱病害情况经常发生，给后期隧道的运营安全带来了极大隐患[1－3]。

针对仰拱病害，众多学者和技术人员开展了大量的研究工作。周森[4]针对公路隧道常发生的底鼓和衬砌结构变形的病害进行分析，提出了多方式支护、注浆等技术治理方法。白国权等[5]研究了平(远街)锁(龙寺)高速公路飞鱼泽隧道裂缝处治问题，制定相应处治的施工程序。王立川等[6]通过采用现场调查测试、理论分析和数值计算等手段，分析总结了隧道底部结构隆起的主要成因，提出治理隧道底部结构隆起的方向性建议。丁冬冬等[7]针对宝兰客专上庄隧道发生的底鼓现象，通过数值模拟对隧道可能发生软泥岩软化导致隧道仰拱变形进行了计算。郑波等[8]特别针对地下水对隧道底部结构开裂进行了研究，认为水压力和围岩压力的共同作用是隧道仰拱病害产生的重要因素。田向斌等[9]分析了涌水及仰拱裂缝发生原因，提出了采用以疏为主和地表、洞内仰拱加固措施的综合治理方法。赵建邦[10]研究了临县至离石高速公路白家山1号隧道仰拱开裂情况及处治方案。

上述研究为隧道仰拱病害的治理奠定了基础，在工程实际中也取得了很好的效果。但总的来说，目前对于复杂地质条件下的公路隧道仰拱病害研究相对较少，特别是对病害的形成原因缺乏试验数据支撑和理论依据。本研究以昆明绕城高速杨林隧道为研究对象，提出公路隧道仰拱受力模型，采用监控量测和质量检测相结合的方式综合分析了复杂地质条件下公路隧道仰拱开裂的原因，并提出了相应的治理措施。

2 工程概况

杨林隧道出口位于宜良县北古城镇，隧道为双向六车道分离式隧道，单洞平均开挖断面约150 m2。左线里程为ZK19＋740～ZK22＋712，长度为2 972 m；右线里程为K19＋740～K22＋690，长度为2 950 m。其中，Ⅲ级围岩1 460 m，Ⅳ级围岩3 200 m，Ⅴ级围岩1 255 m。除出口段右幅1 333.349 m位于半径1 752.213 m、左幅1 370.665 m位于半径1 714.246 8 m的曲线外，其余均位于直线上。右幅纵坡为－1.98%，起点K19＋740设计高程为1 833.35 m，终点K22＋680设计高程为1 774.50 m；左幅纵坡为－1.98%，起点ZK19＋740设计高程为1 834.31 m，终点ZK22＋680设计高程为1 774.48 m。本合同段内右幅隧道最大埋深约为290 m，左幅隧道最大埋深约为299 m。

A3工区段内地质构造较为发育，地势起伏较大，地貌上主要属构造侵蚀中山地貌(岩溶发育)，出露地层主要为澄江组砂岩、泥岩，灯影组白云岩、灰岩，沧浪铺组石英砂岩、泥质页岩、云母质石英砂岩，汤池组泥岩、砂岩，泥盆系白云岩。白云质灰岩，二叠系倒石头组主要岩性为浅灰、灰黄、紫红色细粒石英砂岩、铝土岩、黏土质页岩，部分地段夹炭质泥岩、煤层或煤线和泥晶灰岩，栖霞茅口组灰岩，峨眉山组玄武岩。该线路区冲沟发育，坡体上植被发育，人类活动主要为耕种。该线路区的主要工程地质问题为隧道开挖时断裂造成的破碎垮塌和碳酸岩区的溶洞、涌水、瓦斯等问题；另外，应该引起注意的是该线路在K19～K21段经过草海子煤矿矿区，采煤形成了采空区及塌陷区，对隧道的修建有较大影响。通过以上情况可以发现，该公路隧道总体地层结构较为复杂且出露地层较多。

3 隧道结构病害情况

隧道2017年10月26日于K19＋903发生大规模突水涌泥后，对K19＋879～K19＋921段42 m范围进行了加强变更设计，将该段仰拱厚度由70 cm增加至1 m，仰拱填充面厚度由2 m增加至2.6 m。同时，在初期支护面上增加间距1 m×1 m的径向6 m范围全断面注浆加固措施。K19＋863～K19＋943段仰拱填充层内增设横向和纵向碎石盲沟。横向盲沟每3 m增设一道，纵向盲沟在隧中增设一道。另外，在K19＋879～K19＋921段衬砌背后增设了纵向、环向波纹管排水管道。

隧道K19＋770～K19＋904段仰拱填充面在二衬施工完成及多雨季节后逐步出现了纵向裂缝(见图1)，特别是在2018年7月31日到8月4日连续降雨的情况下，仰拱裂缝宽度明显加大，最大处达到15 mm左右，且产生横向发展、纵向延伸趋势，局部地段仰拱明显下沉。K19＋903边墙位置处再次发生涌突水(见图2)，水量较大。沿出口方向因仰拱填充面上积水严重，暂时无法观察该段仰拱面上是否也出现类似小里程方向的裂缝。隧道裂缝示意见图3。K19＋850处出现裂缝涌水，水量较大。

图1 仰拱裂缝开裂

图2 隧道内涌突水

图3 隧道仰拱裂缝示意

4 仰拱结构病害机理分析

隧道仰拱受力较为复杂，特别是在初支结构已经稳定、二衬已经完成的情况下，整体隧道已经完成封闭成环，结构整体性已经形成，受力较为均匀，此时某个结构的突出受力有可能会产生结构的变形损伤。仰拱作为隧道受力平衡的一部分，易受到外界环境和施工技术的影响。因此，对杨林隧道仰拱开裂情况进行分析，需要采用结构受力分析与试验验证相结合的方式开展[11－12]。

隧道整体结构见图4。利用重心原理理论可确定隧道仰拱部分的薄弱损伤区和应力集中位置。仰拱受力分析模型见图5。其中，O为受力支点；F为衬砌围岩的集中受力荷载；Fx和Fy分别为衬砌围岩在水平和竖直方向的受力分量；G1和G2分别为分布在边墙衬砌和仰拱及围岩上的自重力。

图4 隧道整体结构模型

图5 仰拱受力分析模型

由于结构特征在水平方向的分力远小于竖直方向的分力，即Fx远小于Fy，所以，在隧道受力分析过程中，水平方向的分力可以忽略不计。如果支点O到边墙重心的距离为X1，距仰拱薄弱区的距离为X2，可建立力矩平衡方程:

从式(1)可以看出，隧道完成衬砌和仰拱施工后，隧道即达到整体稳定。而当隧道由于施工不规范或者受到其他外力(如水压力)作用时隧道受力平衡被打破，造成仰拱产生变形，产生图6所示仰拱隆起现象。

图6 隧道仰拱开裂隆起示意

因此，在处置杨林隧道仰拱开裂病害时，需要考虑仰拱受到外力作用而产生的薄弱区问题。此外，由于隧道受力复杂，还需要对衬砌和仰拱结构进行进一步的质量检测，以验证薄弱区分析的科学性。

5 质量检测与分析

5.1 衬砌结构检测

分别采用雷达无损检测、衬砌强度回弹检测和衬砌变形监测，分析衬砌结构的稳定性。雷达无损检测为K19＋750～K19＋950区域，分为拱顶、左右拱腰和左右边墙五条线；衬砌强度回弹检测分别对K19＋930～K19＋940、K19＋911～K19＋921、K19＋879～K19＋891、K19＋857～K19＋868、K19＋834～K19＋846、K19＋834～K19＋822、K19＋810～K19＋798、K19＋774～K19＋786、K19＋750～K19＋762、K19＋740～K19＋750里程段衬砌混凝土进行强度测定；衬砌变形监测分为拱顶沉降和周边收敛，周边收敛分为拱腰收敛和边墙收敛，测点分别为 K19＋755、K19 ＋785、K19 ＋809、K19 ＋832、K19＋867、K19＋892、K19＋910、K19＋940八个断面。

5.2 仰拱质量检测

检测分析仰拱病害情况，主要对仰拱内部结构情况进行了解，从而可以分析仰拱病害发生和发展。分别开展仰拱取芯分析和仰拱隆起检测，取芯段为K19＋940、K19 ＋905、K19 ＋890、K19 ＋850、K19 ＋800、K19＋750断面，共计六个断面18个钻孔；隆起检测分为K19＋755、K19＋785、K19＋809、K19＋832、K19＋867、K19＋892、K19＋910、K19＋940八个断面。

5.3 结果验证及病害原因分析

通过现场检测分析，可以得到以下结果:

(1)所检测测线范围内衬砌出现3处不密实，除个别存在施工缝钢筋少的情况，未发现少筋情况。

(2)里程段衬砌混凝土强度回弹法检测，设计强度为35 MPa，推定值分别为 46.9 MPa、38 MPa、41.8 MPa、44.1 MPa、43.5 MPa、45.3 MPa、42 MPa、42.2 MPa、41.9 MPa、42 MPa，满足设计要求。

(3)对衬砌拱顶沉降和周边收敛进行分析，拱顶沉降很小，周边收敛变化较小，平均累计变形量在1 mm以内，可以认为衬砌结构不变形。具体见图7～图9。

图7 拱顶沉降数据

图8 拱腰收敛数据

图9 边墙收敛数据

(4)仰拱芯样强度检测:K19＋940、K19＋905、K19＋890、K19＋850、K19＋800、K19＋750断面芯样强度分别为 9.7 MPa、11.9 MPa、4.6 MPa、10.4 MPa、17.0 MPa、6.8 MPa，设计强度 15 MPa，强度合格断面仅1处，为 K19＋800断面的 17.0 MPa，合格率16.7%。芯样外观情况:K19＋940断面芯样不完整、不成形，下部为夹泥喷锚料；K19＋800断面芯样不完整、不成形，芯样中部夹杂混凝土骨料碎石；K19＋905、K19＋890、K19＋850、K19＋750共4个断面表面气泡密集。芯样长度情况:18个孔均钻透混凝土层至基岩，其中芯样长度满足设计混凝土厚度的有3处，占比16.7%，其余芯样长度均不满足设计要求。

(5)仰拱在监测中存在数据的波动，整体累计变化量不是很大，但个别断面日最大变化速率较大；数据呈现较大波动，数据变化受天气影响较为明显，大部分断面在降雨期间呈现明显隆起，数据较大，在天气转好后又出现下降现象；且钻孔取芯后的钻孔大多出现涌水情况，具体数据见图10。

图10 仰拱沉降变形

对衬砌结构进行的雷达检测、回弹强度检测和监控量测分析，可知衬砌结构不存在明显的结构问题，强度达到了设计要求。监控量测分析拱顶沉降和周边收敛变化不明显，可以认为衬砌结构稳定，没有受到破坏；仰拱取芯检测中，从数据可以看出，强度、密实性、外观大多不满足设计要求，隆起较为明显，且现场取芯后钻孔出现涌水，可以判定仰拱底部受到水压侵蚀，仰拱受到损伤，产生损伤区，G2产生变化，衬砌结构不变，可以认为G1不变(见图5)。因此可以断定仰拱开裂的原因为仰拱损伤和水压影响导致，从而也验证了重心原理的正确性；同时还要认识到，由于仰拱不断受到水压侵蚀，G2会持续变化，最终导致衬砌结构的变形。因此亟需在衬砌结构变形之前对仰拱开裂病害进行整治。

6 处治方法探究

对隧道仰拱病害的处治关键在于对仰拱薄弱区的处理，杨林隧道病害产生主要原因有两个:一是隧道仰拱施工未达到设计标准，是造成仰拱病害的主要原因；二是仰拱下涌水问题，水压侵蚀也是造成仰拱不密实、强度下降的重要原因。

(1)采用型钢进行混凝土加固结合疏导排水的加固方案。

(2)对仰拱薄弱区进行锚固加固。

(3)拆除部分仰拱，更改设计方案，重新施作仰拱。

(4)采用小导管注浆堵水加置换仰拱的处治方案。

仰拱病害对隧道安全影响较大，合理的处治方案能够安全地处理仰拱病害问题，将损失降到最低。在各方案实施过程中，要把握工序的顺序性、施工技术的完整性以及施作时机。

7 结论

本文以杨林隧道为背景，针对隧道发生的仰拱开裂、涌水问题进行综合分析，采用受力分析、监控量测和质量检测相结合的方法，对病害产生机理进行分析，并针对病害的诱发原因提出了合理的综合治理方案。主要研究工作总结如下:

(1)针对仰拱开裂和涌水情况，提出隧道薄弱区受力模型，采用力矩平衡原理对仰拱病害进行受力分析，并提出了合理建议。

(2)采用无损雷达、回弹和监控量测的综合方法对衬砌结构进行验证，最终判定衬砌结构在复杂地质条件下的稳定情况。

(3)采用监控量测、现场钻孔取芯方法对仰拱进行检测，分析得出仰拱受到较大损伤是病害产生的主要因素的结论。