隧道仰拱常见病害原因分析及处治措施探讨

春军伟 曾仲毅

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

仰拱是隧道衬砌支护体系重要的组成部分，仰拱的支护性能与隧道衬砌整体支护体系有着密切关系。仰拱结构包括仰拱和仰拱填充2部分，仰拱可以定义为隧道底部设置的与上部衬砌闭合成环、能够约束围岩变形、增加围岩稳定性的反拱形结构。

目前在隧道工程建设中，仰拱的作用仍未得到充分认识和重视，隧道仰拱病害诸如仰拱底鼓开裂、衬砌结构破坏、路面翻浆冒水等仍在工程建设中发生。本文针对隧道仰拱常见病害发生原因进行分析，并对其处治措施进行总结探讨。

1 隧道仰拱常见病害及原因分析

1.1 隧道仰拱常见病害

仰拱作为隧道的重要组成部分，直接影响隧道的整体稳定和长期运营安全。在新建和已运营的隧道中隧道底部结构经常出现开裂、破损甚至沉陷错台等现象，严重危及行车安全。隧道仰拱部位常见病害主要为隧道混凝土底板开裂变形、侧沟开裂变形(见图1)、底板下沉陷落、路面翻浆冒泥、仰拱底鼓、路面开裂(见图2)等。如兰新高铁中福川隧道底板找平层产生5～20 cm的纵向裂缝，隧道底板路面上鼓与找平层脱离，仰拱隆起量达26.6 mm[1]；云南小磨高速公里藤蔑山隧道仰拱沿隧道纵向开裂，裂缝宽度4～35 cm，裂缝发生在仰拱中间和左右侧排水沟，仰拱中部顶面底鼓，隆起高度最高为32.8 cm[2]；九武线某铁路隧道在隧道运营1年后，隧道内有约70 m范围内仰拱填充表面出现裂缝，裂缝宽度在0.4～30 mm，错台5～18 mm，隧道拱圈及边墙未发现有裂缝；重庆奉节至巫山高速公路桃树垭隧道施工过程中，隧道路面出现底鼓变形，沿隧道路面长200 m范围内出现纵向开裂和隆起，裂缝宽度5～35 cm，错台高差为10～20 cm。

图1 隧道侧沟开裂变形

图2 隧道路面基层开裂

1.2 隧道仰拱常见病害产生原因分析

仰拱产生病害的原因一般为多个因素共同导致，分析其根本主要为基底软化、地下水作用及仰拱结构缺陷3方面。

1.2.1基底软化

隧道仰拱基底软化主要由围岩因素和人为因素2方面造成。

1) 围岩因素。仰拱出现病害处基本上均位于围岩条件较差段落，岩性以软岩为主，如泥岩、炭质泥岩、泥质粉砂岩、泥灰岩等，该类岩石遇水具有明显软化性，致使基底围岩在地下水作用下发生劣化，产生较大的塑性变形区，基底围岩弹性抗力及岩体参数降低，地基承载力下降、围岩水平侧压力增大，从而使隧道边墙发生向内挤压，导致作用于结构上的荷载增大，进而产生隧道仰拱病害。个别隧道加之断层、褶曲、高地应力等围岩因素的影响，进一步加剧仰拱病害的产生。

2) 人为因素。隧道开挖扰动后仰拱基底原本较为完整的围岩产生裂隙，围岩由3D受力环境转化为2D受力，基底围岩由于人为因素未及时喷混封闭，使岩体长时间暴露风化，或由于排水不及时遭受长期浸泡，均能使岩体力学参数在开挖扰动导致降低，进一步加剧其基底软化。除此之外，人为因素还包括仰拱底部松散虚渣未清除完毕后便开始施做仰拱结构，造成人为软基，加之地下水或施工用水汇入浸泡，在隧道底部形成一层松散富水层，加速基底软化，且此时水更容易渗透至隧道底板更深部的岩层，使得底板在更大范围内的岩体强度降低，现场示意见图3、图4。

图3 仰拱基底松散虚渣未完全清除

图4 仰拱基底积水未引排

基底软化对隧道仰拱的破坏往往在当时并不直接表现出来，这是由于岩体最大的变形危害不是在开挖阶段造成的压力释放破坏，而是随着时间延续，在水的作用下岩石的微观结构中内部的调整和岩石颗粒间联接的运动变化，以及这些变化不断累积导致围岩变形突破其强度的极限变形直至破坏，这就是蠕变机理导致流变性的原因。

1.2.2地下水作用

隧道衬砌外存在地下水是不可避免的，而地下水对仰拱病害的产生有着至关重要的作用。地下水除了软化基底围岩，增大洞周塑性区范围外，地下水造成的外水压力也是导致仰拱病害的一个重要原因，这也是很多仰拱病害会出现路面翻浆冒水的根结所在。

目前隧道的排水系统主要以环向、纵向、横向排水管加排水暗沟组成，由分布在隧道二衬外侧的排水管将洞周地下水引排至排水暗沟，进而减小隧道洞周水害。然而隧道排水管由于施工因素或地下水结晶等原因导致堵塞，加之部分段落排水管设置稀疏，地下水很难排出，导致隧道衬砌外水压力增加，而隧道仰拱基底标高低于排水暗沟，由于排水系统不通，仰拱周围外水压力必然随之增高。同时在水的作用下，原本仰拱周边已产生松动的岩体破坏范围将进一步加大，围岩裂隙的大量存在，使得地下水在岩体中的渗透流动变得更容易，随着水对岩石的侵蚀，隧道仰拱岩石强度进一步降低，强度降低后的岩石在岩层水平应力的作用下又进一步被破坏，地下水使隧道仰拱围岩强度不断降低和不断破坏。

隧道外水压力对仰拱结构受力影响很大，在外水压力作用下会明显增加仰拱结构的内力值，对弯矩影响较为明显。外水压力和基底软化对仰拱结构受力的影响规律相一致，引起了衬砌结构内力重分布，改变了仰拱结构弯矩分布形态，仰拱弯矩由“驼峰状”分布向“鱼肚状”分布变化，弯矩最大值由两侧向仰拱中心转移，增大了仰拱结构偏心程度和应力集中情况，使仰拱结构受力条件恶化，易导致仰拱发生拉裂破坏。

1.2.3仰拱结构缺陷

仰拱结构缺陷往往是人们对隧道仰拱重视程度不足导致的，隧道施工质量差，施工质量管理不到位，偷工减料等。主要表现为仰拱深度和弧度未施工到位、仰拱底部松动虚渣未清除、仰拱与仰拱填充整体浇筑、仰拱厚度不足、仰拱钢筋布置不规范等，现场示意见图5。

图5 仰拱钢筋布置不规范

研究成果表明[3]，仰拱的施设将使隧道结构的承载力提高10%，使隧道周边位移减小20%，使隧道周边围岩的塑性区深度减少30%以上，对改善隧道结构的受力状况、提高隧道结构的稳定性都有非常重要作用。仰拱结构存在一定的缺陷势必会对整个隧道的受力产生一定的影响，最终导致隧道病害的产生。

2 隧道仰拱病害处治措施

根据仰拱病害产生的原因分析，其处治措施主要有拱脚锁脚、仰拱拆换、基底加固、地下水引排等。

2.1 拱脚锁脚

拱脚锁脚为仰拱病害出现之后对隧道拱脚施做锁脚注浆钢花管，通过加固拱脚处的围岩，从而减小拱脚处塑性区范围并通过钢花管自身刚度以减小侧向水平力对仰拱基底的挤压作用，进而改善仰拱处的受力状态，避免因基底软化、地下水作用及仰拱结构缺陷等因素导致的仰拱病害的进一步扩展，同时对隧道上部结构起到一定的加强保护作用，在仰拱拆换时为隧道上部结构提供一定的基底支撑。

拱脚锁脚一般为在隧道边墙底部施做2～3排较大直径的注浆钢花管，沿隧道纵向排距为50～100 cm，隧道左右侧对称设置，见图6。钢花管采用规格为直径×壁厚=76 mm×6 m或108 mm×6 m热轧无缝钢管，管壁设置注浆孔，管体长度为4.5～6 m，为提高其抗弯刚度，内部加设钢筋笼，注浆浆液水灰质量比0.4～0.5，注浆压力1.5～2.0 MPa，对于富水区段落可采用水泥-水玻璃混合双液浆，注浆后钢管内采用M30水泥砂浆填充。周森等[4]通过在隧道两侧边墙施做锁脚注浆钢花管有效地控制了西南地区某山岭隧道仰拱病害的进一步扩展。

图6 隧道拱脚锁脚钢花管

2.2 基底加固

仰拱基底加固为仰拱病害处治中运用最为广泛的方法，主要是采用注浆钢化管对仰拱以下基底进行注浆加固，在隧道底部纵、横向形成密集的小型钢管桩，从而提高整个基底的力学参数和改善隧道仰拱的受力环境，解决因基底软化导致的仰拱病害。

基底加固从仰拱填充顶面施做注浆钢花管，纵、横向排距为100 cm左右，将仰拱填充、仰拱、基底围岩连接在一起，从而形成一个整体受力结构，见图7。其中，钢化管采用直径×壁厚=42 mm×4 mm或76 mm×6 mm热轧无缝钢管，管壁设置注浆孔，管体长度根据仰拱结构厚度和基底软化程度而定，长度一般为4.5～9 m，注浆浆液水灰质量比0.5～0.6，注浆压力应根据现场具体情况进行调整，一般为0.2～0.5 MPa，注浆过程除控制压力外，还应根据注浆时间和注浆量进行控制，以免造成浆液流失。杨伟等[5]通过注浆加固仰拱基底，有效地控制了仰拱及路面混凝土面板的开裂变形。

图7 仰拱基底注浆加固

2.3 仰拱拆换

仰拱拆换主要针对隧道仰拱结构已无法满足隧道结构受力的要求下，进而对病害段仰拱、仰拱填充、路面结构等进行拆除并重新修筑，同时对仰拱下部已遭受破坏软化的软弱基底进行清除换填或注浆加固，以达到彻底解决因基底软化、仰拱结构缺陷等因素导致的仰拱病害的目的。

仰拱拆换一般分段落间隔实施拆换，一次沿隧道纵向拆换长度2 m左右，隧道整幅拆除整幅重新浇筑，拆除过程应采用人工手持式小型器具(切割机、风镐等)对拆换段落进行拆除开挖，严禁爆破，同时清理仰拱基槽，对基底积水、虚渣、软基等清除，特别是对于已被地下水浸泡软化的基底应向下清除，以挖到新鲜岩面为准，若软化深度较深，应采用如注浆加固的其他加固方式。若基底存在地下水渗漏点应进行封堵处理，避免地下水再次对基底软化破坏。为提高仰拱受力性能，可在仰拱底部设置型钢拱架使初支封闭成环，仰拱应采用钢筋混凝土结构，并在浇筑之前在两侧边墙基础内置入连接钢筋，以加强仰拱和整个衬砌结构的完整性，最后施做防排水、仰拱填充、路面结构等，见图8。仰拱换拆过程，可对相邻段落采用临时型钢拱架进行临时加固支撑，以免发生较大变形。钟祖良等[6]通过对仰拱进行拆除置换，成功地治理了重庆奉节至巫山段高速公路桃树垭隧道的仰拱底鼓开裂。

图8 隧道仰拱拆换

2.4 地下水引排

地下水为仰拱发生病害的诱因或直接原因，因此，对地下水引排对于处治仰拱病害至关重要。在病害处治中应全面清通隧道排水设施，特别确保隧道排水暗沟和排水管的通畅，以将隧道洞周积水排除洞外，从而减少隧道底部外水压力，避免仰拱基底进一步软化。对于地下水丰富的段落可在隧道边墙下部钻设泄水孔，钻孔穿透二衬和初支进入围岩，内设透水管引排至排水沟内，通过加强排水降压方式，减少地下水的汇集对衬砌结构的影响。李国英等[7]通过在边墙下部增设泄水孔将初支背后围岩与排水沟相连，同时配合仰拱基底注浆加固等措施成功地解决了武九线某隧道运营期的仰拱病害问题。

3 结语

本文分析了目前隧道仰拱常见病害发生的原因及其机理，认为基底软化、地下水作用、仰拱结构缺陷3方面因素是产生仰拱常见病害的根源，其中基底软化除围岩自身原因外，更大程度上是源于人为因素，开挖扰动后未能及时引排地下水或施工用水，且施工仰拱时仰拱基底松动虚渣未完全清除，使隧道底部形成一层松散富水层，加速了基底软化。

文中总结了仰拱常见病害的处治措施，通过施做拱脚锁脚注浆钢花管，减小侧向水平力对仰拱基底的挤压作用，抑制或减缓病害的扩张；通过施做基底加固或仰拱拆换，从根本上解决基底软化、仰拱结构缺陷的问题；通过地下水引排，减少隧道底部外水压力，避免仰拱基底进一步软化。通过上述分析总结，希望为隧道仰拱施做阶段、病害处治阶段提供一定的借鉴。