公路隧道仰拱质量问题的病害特征及机理初探

刘会钢 李鹏

【摘要】

文章总结了公路隧道仰拱质量问题的病害特征，通过专项检查手段分析了这些病害产生的主要原因，查明仰拱质量问题与表观病害特征是相关的。通过有限元分析软件对病害产生的机理进行了探讨，表明隧道仰拱质量问题会使仰拱端头和边墙处弯矩剪力增大，是诱导隧道结构变形开裂的主要因素。

【关键词】

【中国分类号】U457+.2【文献标志码】A

近些年来，我国公路隧道建设迅猛发展，截至2017年末全国公路隧道为16 229处、1 528.51×104 m[1]。隧道是一种穿越地层的结构，在施工期间对原有地层岩体进行扰动，周边围岩应力场发生应力重分布，隧道结构与周边围岩组成共同承受压力的共同体，研究隧道结构如何有效承受围岩压力，如何保持隧道的安全性及稳定性是一项重要课题[2]。

仰拱是隧道结构的重要组成部分，隧道仰拱就是为了改善上部结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，主要是将隧道上部底层压力有效传到地下，并承受隧道下部地层反力，增加隧道结构稳定性[2]。

但隧道仰拱作为一项隐蔽工程，其施工质量不易控制，如果施工质量低下，不能满足设计要求，在运营过程中隧道会出现仰拱病害，影响隧道结构安全，甚至危及行人、行车安全。

1 隧道仰拱病害特征

隧道在运营过程中，会表现出各种各样的病害，通过隧道定期检查，可以掌握隧道技术状况，发现隧道的主要病害，通过总结分析，可以将隧道仰拱病害分为直接病害与间接病害[3]。

隧道仰拱产生的直接病害主要表现为路面开裂及隆起，中央排水沟及横向排水系统破坏，水积于面板下不能排出，丧失正常使用功能。病害如图1～图3所示。

隧道仰拱产生的间接病害主要表现在衬砌及检修道上，病害为衬砌对称性纵裂，检修道倾斜或侧壁挤裂。病害如图4、图5所示。

2 仰拱病害原因分析

通过隧道定期检查仅能查得隧道表观病害，不能查明病害产生的主要原因，要查明隧道病害产生的原因，还需要进行相应的专项检查手段，对衬砌、路面、检修道出现的病害形式进行进一步检查分析，可以采用地质雷达配合钻孔取芯法对仰拱进行检查[4-7]，得到隧道仰拱可能存在的质量问题。

地质雷达法可查明隧道路面下仰拱及回填密实情况，钻孔取芯法可直观查看仰拱及回填施作质量及下方围岩情况。

通过检查发现，路面开裂、隆起，检修道倾斜、侧壁挤裂等病害产生的主要原因是仰拱未施作或开挖深度不够，衬砌不能形成一个闭合的环，造成结构整体承载能力不足，拱脚处发生沉降，路面受拉开裂或隆起，衬砌也在边墙及拱腰处开裂[8-11]。

通过地质雷达及钻孔取芯检查结果示例如图6、图7所示。

3 仰拱病害产生机理分析

隧道仰拱一般设置在软弱围岩及不良地质段，设置仰拱的目的是为了提高结构整体性和支撑承载能力;与二次衬砌形成封闭的环形，控制围岩产生过大变形;调整衬砌结构受力，防止底鼓或内挤等变形破坏;解决基础承载力不足，减少下沉。考虑到施工及成本因素，仰拱不能设置成圆形，造成仰拱与拱墙连接处存在应力集中，仰拱端头存在两个弯矩较大的反弯区域，存在质量问题时，应力集中现象更加明显[12-16]。

仰拱有施工就设置仰拱，或施作初期先支护再施作仰拱，施作加深仰拱等情况。本文通过有限元数值模拟计算，探究隧道仰拱不同施工质量缺陷的隧道结构受力情况，选取仰拱正常施作、深度不足、无仰拱、分幅施作等4种情况，作为4种工况采用数值模拟的方法进行计算。采用ANSYS12.0有限元软件进行建模分析，网格尺寸为0.5 m，衬砌结构采用beam3模型，地层弹簧单元采用Link10单元进行模拟。隧道覆土深度为60 m，隧道外轮廓宽度为12.74 m，宽度为9.99 m，二次衬砌厚度为0.5 m，选用C25混凝土[3]。

计算段隧道处于V级围岩，根据JTG D70-2004《公路隧道设计规范》，围岩参数和衬砌混凝土参数选取如表1所示。

通过计算发现：

（1）正常施作仰拱的情况下，仰拱端头存在两个弯矩较大的反弯区域。

（2）仰拱开挖深度不足情况与正常施作仰拱相比，仰拱端头、拱脚的弯矩、剪力明显增大，影响区域也增大，出现应力集中现象。

（3）未施作仰拱情况，拱腰及边墙弯矩较施作仰拱情况明显增大。

（4）仰拱分幅施工情况，先施工一侧边墙及拱脚、仰拱弯矩、剪力明显增大，造成两侧受力不平衡，造成衬砌、路面非对称性开裂、隆起等病害。

4 结束语

本文研究了公路隧道仰拱不同质量缺陷下表观病害出现机理，在仰拱开挖深度不足的情况下（含未施工仰拱），隧道仰拱端头、边墙处弯矩剪力较正常施工有明显增大，易诱导隧道结构变形、沉降、内挤等，表现出来就是路面隆起、开裂，衬砌纵向裂缝，检修道倾斜、侧壁内挤。另外隧道仰拱分幅施工会造成先施工一侧边墙及拱脚、仰拱端头弯矩剪力明显增大，造成隧道结构两侧受力不平衡，造成隧道非对称性变形及破损，表现出来就是隧道单侧结构衬砌开裂、路面开裂

等病害。

本文的研究对于公路隧道病害检查方面有一定指导意义，也指明隧道病害产生的主要原因是施工质量问题，解决隧道仰拱质量问题一是要求严格管理施工过程，二是研究新工艺，如推广装配式仰拱，解决由于图方便造成的仰拱施工质量问题。

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