隧道仰拱的常见病害原因及处理对策

黄 钒

（四川省交通勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610000）

0 引言

据统计，截止到2018 年底全国公路总里程484.65 万公里，其中公路隧道17738座，里程达17236 公里。为改善隧道结构受力条件，在隧道底部设置反向拱形结构，即仰拱，其作用主要是对上部支护结构的受力条件进行改善。作为组成隧道结构所不可或缺的部分，仰拱的作用并不仅仅是借助隧道边墙结构，将地层压力、路面荷载向地下进行传递，还包括对地层所传来反力进行抵抗。

1 隧道仰拱常见病害原因

仰拱是隧道主要部分之一，对隧道稳定性及长期运行有直接影响。而新建与已经长时间运营的隧道，其底部结构所产生的裂缝和错台，对行车安全造成严重影响。仰拱结构的病害包括：底板开裂和变形、侧沟开裂和变形、底板沉陷、面层翻浆、隆起。无论仰拱结构产生哪一种病害，都有可能使其处在不稳定状态，因此，必须认真对待和处理所有类型的病害。

1.1 基底软化

主要由两方面因素造成：其一，围岩，仰拱产生病害的部位主要为围岩情况较差的部位，其岩性偏软，这种岩性在遇水后将发生软化，导致围岩进一步劣化，出现塑性变形，围岩技术参数大幅降低，导致承载力减小，受到侧向压力后，边墙产生内侧挤压，荷载因此进一步增大。局部隧道在高地应力等因素的影响下，还会产生更加严重的病害。

1.2 地下水作用

隧道底部岩体在开挖初期完整性较高，随着时间推移，隧道底部岩体在地下水等因素作用下逐渐发生劣化，导致其完整性变差。在动荷载反复作用下超孔隙水压力使施工缝逐渐贯通，地下水携带的泥沙进入裂缝后难以排走，致使道床板与仰拱填充层顶面间水平施工缝逐渐贯通。同时，地下水也会作用在中心水沟侧壁上，造成局部沟壁向沟心倾斜，沟壁与仰拱填充分离，形成纵向裂缝。

1.3 仰拱结构

由于施工单位没有对仰拱引起足够重视，导致仰拱结构自身存在问题导致病害，如仰拱底鼓的本质原因是由于支护与围岩关系中支护（仰拱结构）强度不足以承受围岩荷载带来的压力，在围岩静载已经确定的情况下，结构强度是影响仰拱是否底鼓的核心问题，主要包括仰拱厚度、强度以及曲率等。

2 隧道仰拱缺陷与变形病害

通过对某省高速公路400 余座（单洞）公路隧道的调查与检测，发现45 座隧道存在严重病害，主要病害类型有3 种，分别为仰拱变形、衬砌严重裂损、渗水挂冰，其中仰拱变形21 座，衬砌严重裂损16 座，渗水挂冰8 座。调查表明，虽然在400 余座隧道病害形式中以衬砌裂损最多，但是从严重影响行车安全、结构安全的隧道病害来看，仰拱变形与衬砌严重裂损为主要类型。

通过对该省运营公路隧道的调查，仰拱变形病害主要表现形式有：路面隆起、墙脚下沉、电缆槽侧壁倾斜、路面纵向拉裂错台等。

3 隧道仰拱缺陷与变形病害治理措施

质量缺陷是导致隧道病害产生的重要原因之一，部分情况下的隧道外观病害是内在缺陷的外在表现形式，对于隧道仰拱病害与缺陷处治，需要考虑以下4 点：

（1）病害与缺陷组合情况；（2）病害发展程度、趋势以及对隧道结构长期安全稳定性的影响；（3）地质、地下水情况；（4）维修措施的施工便利性、快捷性。

基于以上考虑，应对仰拱缺陷及病害发展程度分类处治，而不是一概采取拆换处治，那样只会对隧道结构造成较大的扰动破坏。

通常按以下几类处治：

（1）病害已经显现且有发展趋势（出现较为严重的路面底鼓、墙脚沉降）或质量缺陷严重（实际无仰拱且芯样松散、基底围岩软弱），已经危及到行车安全，结构承载能力严重降低的，采取重处治手段，一般以拆换为主。

（2）有一定程度的缺陷（芯样厚度欠缺或局部松散、基底围岩较软弱），虽已产生病害，但是病害无明显发展趋势，考虑到病害及缺陷对结构的削弱作用，影响结构的长期稳定性与耐久性，可采取中等处治手段，以加固为主。

仰拱拆换是隧道仰拱缺陷与病害处治的最常用手段之一，目前已经较为成熟，本文不再赘述。

对于仰拱与填充层钻探芯样厚度欠缺或局部松散、基底围岩较软弱，但是目前尚无明显变形病害，可采取加固处治，有时候为了减小开挖过深，减小结构扰动，也会倾向于采取加固处治方案。

有时隧道附近不具备交通分流条件，如果采用仰拱开挖方案，通常要中断交通，社会影响太大，此时采用隧道加固方案可以实现边通车边施工，即一次施工半幅，另半幅通行车辆，具有一定的社会效益。当然如果能将大型车辆提前分流至附近路网通行，不进入隧道，对于施工安全更好。

加固方案通常采取注浆锚管、钢管桩等对仰拱、填充层、基底围岩进行加固。为了注浆钢管桩能够整体受力，在钢管桩上部采用横向型钢支撑连接，横向支撑两侧通过纵向槽钢焊接形成整体，相邻横向支撑之间采用纵向钢筋焊接。为了提高混凝土底板上缘受拉能力，设钢筋网片，钢筋网片采用架立钢筋与型钢横向支撑连接，如图1 所示。

图1 仰拱加固方案示意

现场实施时需要注意以下几点。

（1）开挖深度不宜太深，通常以型钢横向支撑两侧位于电缆槽底部进行控制，需注意恢复混凝土底板下部排水设施，尤其是地下水较发育的隧道，可采用两侧拉槽埋设纵向排水盲沟（管），并间隔设置横向排水盲沟（管），与下游既有排水设施通过检查井衔接。

（2）注浆作业需要注意防止堵塞排水管路。锁脚锚管端头采用钢垫板加强与墙脚衬砌的连接，如果能将衬砌表面混凝土凿除露出钢筋，钢垫板与钢筋焊接，效果会更好。底板施工缝与原来的施工缝对接一致，即整板施工，这样以利于与衬砌结构变形协调，改善受力。

（3）仰拱加固的连接作业较多，应可靠。型钢横向支撑一般采用I28 工字钢，纵向间距1m，两侧与纵向32a 槽钢焊接，槽钢与两侧斜向下的注浆钢管桩焊接，槽钢需要在对应钢管桩位置开孔，钢管桩端头开孔穿插钢筋与槽钢连接。整幅施工最好，对于边通车边施工需要分幅施工时，应做好中间连接，型钢中部错缝断开，采用高强螺栓与钢垫板连接，上部钢筋网也错缝断开然后焊接，新浇筑混凝土与后浇筑混凝土界面应凿毛，在浇筑混凝土之前，一定要清除灰浆、碎屑等垃圾，即混凝土底板下方应保持干净、平整。

（4）虽然加固方案开挖深度相对较小，但是也不能一次性开挖纵向进尺过大，一般控制在一板衬砌长度范围（9m）之内，并且应加强监控量测。

4 结束语

综上所述，引起隧道仰拱病害的原因是多方面的，而且有些是无法预测的，这就需要在保证仰拱施工质量的基础上，通过检查及时发现仰拱结构病害，并分析病害产生原因，采取相应治理措施，解决隧道仰拱病害，从而保证隧道正常运营。