浅谈隧道仰拱的技术要点及病害机理

高 辉

（山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司） ，山西 太原 030006）

1 概述

近年来国家大力发展高速公路建设，高速公路建设规模不断增大，公路隧道数量也随之增多。山西省是“隧道大省”，其典型的特长隧道有：太古高速公路西山特长隧道（13.5 km）、长平高速公路虹梯关特长隧道（13.2 km）、榆和高速公路云山特长隧道（11.4 km）、平榆高速公路宝塔山特长隧道（11.2 km）等。即将新建的高速公路也将有一批特长隧道出现。

随着隧道数量和长度的增加，运营隧道病害越来越多，大多表现为衬砌裂缝、渗漏水，基底沉陷或隆起等病害。基底沉陷或隆起主要表现形式为隧道拱脚下沉、路面中心拱起、路面开裂，其主要原因在于隧道施工过程中对仰拱重要性认识不足，施工质量差而造成的。经过对隧道病害的调查，由仰拱缺陷造成的病害占到了45%左右，处治费用占了整个病害处治费用的70%以上。

2 隧道仰拱的原理及作用

2.1 隧道仰拱的原理

隧道仰拱是为上部支护结构提供支撑，它是设置在隧道底部的反向拱形支护结构，其将隧道上部的荷载压力传递到隧道底部，同时又有效地抵抗隧道下部地层传来的反力。仰拱通俗解释为向上仰的拱，一般分为3部分，即仰拱的初期支护、仰拱的二次衬砌支护、仰拱的填充层（见图1）。对于部分围岩条件较好的隧道段，仰拱结构可不设初期支护。

图1 隧道仰拱示意图

2.2 隧道仰拱的作用

仰拱在隧道整个受力体系中，发挥着重要的作用，具体而言，其作用有：

a）隧道仰拱能解决基础承载力不够，减小隧道衬砌下沉，同时调整衬砌应力。

b）隧道围岩破碎段、黄土段及时施做仰拱，可以提早使衬砌结构封闭成环，阻止围岩变形过大，提高隧道整体承载力。

c）隧道仰拱在隧道底部也有一个横向支撑力，防止隧道两侧内挤而产生剪切破坏。

3 隧道仰拱的设计要点

a）隧道仰拱一般布设在Ⅳ-Ⅴ级围岩中，但在Ⅳ级围岩中，其强度、裂隙的数量、破碎程度以及产状差别较大。传统的隧道设计时，大多数仅仅依靠经验，同一级别的围岩仰拱设计采用同一个标准。尤其是施工时开挖出来的围岩强度低、围岩破碎、围岩整体性差，但是未及时进行设计调整，后期隧道底部的承载力远远不能满足要求，导致隧道运营后出现一系列病害，其病害处治既费时、费力，处治效果欠佳，又无法一次性完全处治到位。

b）隧道设计阶段，应根据勘察报告的各个参数，综合分析，制定合理的仰拱标准。在隧道施工阶段，一旦实际开挖围岩与勘察不符，应及时对仰拱设计参数进行调整，保证隧道仰拱支撑力满足衬砌的实际要求。

c）为了避免由于仰拱薄弱，出现隧道衬砌受力不足的情况，为日后隧道的运营埋下隐患，因此建议在设计阶段加强仰拱的设计参数，如提高仰拱厚度、仰拱衬砌强度。

d）黄土隧道局部段落稳定极差，建议隧道开挖后，先对仰拱底部进行加固，建议采用处治黄土沉陷比较成熟的、效果很好的高压旋喷桩加固方法，处治深度可根据工程具体情况确定。

4 隧道仰拱施工要点

a）隧道底部两侧拱脚处开挖时应平顺，避免应力集中。底部禁止有虚渣、杂物，钢拱架与隧底应接触密实。

b）在膨胀岩地区开挖仰拱时，底面和两隅应提前打入锚杆后，再行开挖[1]。

c）仰拱开挖后，应尽快进行支护施工，为防止隧道出现较大变形。

d）当仰拱底层无初期支护时，应用混凝土做垫层，进行找平，确保仰拱钢筋能安装到位。

e）仰拱上部的填充层混凝土配比应准确，仰拱施工时必须使用模板，同时机械捣固密实。原则上要求仰拱和上部的填充层应一次立模施工，但是鉴于二者混凝土强度标号不一致，故在仰拱施工完成后，适当停歇后，再进行填充层混凝土施工。

f）仰拱一旦出现超挖现象时，应采用与衬砌相同强度等级的混凝土进行浇筑。

仰拱填充采用片石混凝土时，片石应距模板50 mm以上，片石间距应大于粗集料的最大粒径，并应分层摆放，捣固密实[1]。

5 隧道仰拱施工管理要点

a）建设单位要强化管理，在仰拱的施工过程中，一旦出现施工质量存在缺陷，实行顶格处罚，并且对项目负责人进行全线通报。采用现代化的科技手段，在仰拱施工过程中，现场必须有实时监测系统，监测系统与建设单位管理平台相连，以便业主对仰拱的开挖情况实时掌握。

b）设计单位应在隧道的开挖过程中，根据围岩的变化情况，及时对仰拱的支护级别进行调整，保证仰拱的支撑能力满足隧道的承载力。

c）施工单位在隧道工程施工中，应选用施工水平过关、施工质量可靠、施工组织有序的队伍，同时现场技术人员应对重点、要点部位进行全程指导，不能任凭施工队随意施工。

6 工程实例

6.1 隧道基本情况

该隧道设计为左右线分离式。左线洞体全长964 m，进口底板设计高程为682.879 m，出口底板设计高程为692.211 m，洞体最大埋深102.140 m。右线洞体全长939.0 m，进口底板设计高程为683.131 m，出口底板设计高程为692.162 m，洞体最大埋深101.098 m。隧道总体走向呈东西向为81°。

6.2 水文地质

隧址区地下水主要为基岩裂隙水，接受大气降水入渗补给。地层中岩石胶结较松散，纵横向水力联系一般，本区降水量少，无常年地表径流及大型地表水体，因此，地下水补给来源贫乏，岩石含水性从上到下逐渐变弱，且地形坡度变化较大，地表光秃利于地表径流与排泄，并利于渗透补给下覆地层，进口段区域地下水位标高1 260 m，出口段地下水位标高1 100 m，均低于隧道设计标高，中、深部地层含水性极弱，区内水文地质条件属于简单类型。

6.3 病害现状

图2 某高速公路隧道路面错台裂缝

该隧道2013年建成通车，2014年4月路面中心出现拱起现象，路面两侧出现裂缝，裂缝宽度约8 mm，局部出现错台（图2）。建设单位委托第三方进行了隧道变形监测，经过近1个月的监测，隧道两侧处于不均匀下沉，累计下沉量达到了7 mm。监测单位建议业主单位尽快进行病害处治。

6.4 病害勘察

随后业主委托设计单位进行了病害勘察设计，设计单位接到任务后，第一时间对该隧道进行了病害勘察。经钻探后显示：a）路面以下0～0.5 m为沥青路面及混凝土结构层；b）路面以下0.5～1.0 m为碎石土层，成分为石灰质泥岩，角砾岩；c）路面下1.0～2.50 m为基岩层，泥岩，砖红色，碎块状结构，强度极低。

6.5 病害原因

该隧道在病害段设计有仰拱，根据勘察资料分析，病害出现原因如下：a）隧道仰拱下部浮渣过多，其主要原因是由于现场管理混乱，施工监管不力，造成仰拱浇筑前，未将仰拱底部的浮渣清除干净。b）浮渣遇水软化。该隧道的裂隙水主要为地表水，2016年雨期较往年比较长，且雨水较多，大量的地表水下渗进入了隧道，导致仰拱下部的浮渣软化，承载力降低。c）本段围岩主要为泥岩，强风化，强度低，遇水后强度更低。d）仰拱填充层厚度不足。根据钻探结果，本段仰拱填充层的厚度明显低于设计值。在上述4个原因共同作用下，该隧道拱脚的承载力明显不足，拱脚下沉挤压，导致路面中线出现拱起。

7 结论

在隧道施工过程中，应重视仰拱的动态设计调整，严格控制施工质量，保证仰拱充分发挥其承载作用，避免其在运营过程中出现病害，影响行车安全。