公路隧道仰拱力学性能及施工关键点分析

潘 竞 虎

(甘肃公航旅路业有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

作为隧道结构中至关重要的一部分，仰拱结构在抵抗洞身底部反力、传递衬砌承担的压力、承受路面临时的行车荷载等方面发挥了不可或缺的作用，同时也造成了仰拱自身受力较为复杂，容易发生开裂、破损、底鼓、变形等病害，严重影响了行车安全性和舒适性，对公路隧道的增持使用性能和耐久性造成了极大的影响[1]。目前的研究，大多集中于通过采用较为成熟的施工工艺来进行隧道仰拱病害的防治，如在路面层下额外增加一层钢筋混凝土结构并采用注浆加固基底围岩的方式来实现对仰拱开裂的防治[2]；或者针对某一线路具体的病害和地质条件，采取对应的整治措施[3]。

有研究表明，引起隧道仰拱变形的主要因素包括地下水、施工质量、结构刚度、施工工艺、围岩应力、构造应力等，因此应该基于上述因素的分析，采取针对性的措施进行防治，如加强隧道基底的防水与排水施工质量把控、严格要求施工质量、增强仰拱结构的刚度和强度等[5-9]。但对于隧道仰拱的受力机理分析及仰拱力学计算模型构建方面的研究进行的相对较少，有必要进行进一步的深化和研究。本研究拟进行公路隧道仰拱受力特性的分析，构建仰拱的力学计算模型，并基于分析结果，提出一些公路隧道仰拱施工过程中应该注意的问题。

2 公路隧道仰拱受力特性分析

2.1 隧道上部岩体松动压力

根据俄国学者普罗托季亚克诺夫的研究结果，公路隧道中的围岩、开挖之初以及后期施工运营过程中，均存在一定程度的裂隙和破损，在进行力学分析中，可以将其当作有粘结力的散粒状颗粒体，并提出关于深埋隧道松动压力的计算理论，其基本的理论依据为天然拱理论，天然拱理论基本计算图示如图1所示。天然拱尺寸在理论上可表示为：

其中，h0为隧道的天然拱的高度；b0为天然拱的跨度；f为坚固性系数。

根据天然拱计算理论，可得：

其中，bm为隧道自身净跨径的1/2；hn为公路隧道净高。

若隧道自身围岩较为稳定，则隧道施工开挖后其侧壁不产生滑移，隧道天然拱的宽度与公路隧道实际设计或施工的宽度相同。因此，根据上述理论可得，隧道仰拱自身承受的竖向松动压力的计算式可以表达为：

仰拱承受的水平松动压力为：

普罗托季亚克诺夫的计算理论在计算隧道深埋松动压力时较为简洁，若对其进行修正，则能反映隧道围岩的物理力学综合性能，与实际工程中的情况较为吻合。

2.2 结构自重荷载

根据隧道结构各自组成部分中，上拱圈、仰拱、边墙等的力学性能和结构特征，分别对各部分的自重荷载进行计算。计算自重荷载时，纵向上取衬砌的单位长度为计算单元，假定上述三个结构的初期支护所用材料相同，结构截面均为等截面，则可以根据这些假设将隧道结构的自重荷载在计算时简化为均布荷载，计算图示如图2所示。

因此可得，自重均布荷载的计算方式为：

gq=γr·V。

其中，gq为自重均布荷载的荷载集度，kN/m；γr为隧道所用衬砌材料自身的容重，kN/m3；α为圆弧的角度；G为自重荷载，kN。

2.3 仰拱力学计算模型

分析仰拱结构的力学计算模型时，基于上述假设与推导结果，并将公路隧道仰拱简化为圆心角为φ0和半径为R的拱结构进行分析，以其圆心为坐标原点建立坐标系以便于力学分析负展开，如图3所示。

首先建立力法方程为：

求解，得到如下计算式：

代入力法方程可得：

进而可以得到隧道仰拱结构任意位置处的轴力、弯矩以及剪力的计算模式为：

FN=X1+(R-Rcosφ0)X2,

M=qR+X2cosφ0,FQ=-X2sinφ0。

3 公路隧道仰拱施工关键点

3.1 重视仰拱施作支护

结合仰拱的力学计算模型并以之作为设计与施工的指导和参考，对隧道仰拱衬砌选择适宜的方法进行支护，则能有效地保证隧道仰拱的施工质量和使用寿命。随着时代和科学技术的发展，隧道衬砌的支护技术与工法已经发展的较为成熟。传统的支护措施包括采用锚杆、隧道内注浆、管棚等改善围岩力学性能并有效提高围岩承载能力的加固支护，公路隧道超前导洞卸压、洞内外钻孔卸压、爆破卸压等转移或释放围岩压力并减少应力集中的卸压支护，以及采用多种方式专门针对复杂条件下隧道内部多个部位进行联合支护的联合支护法等。此外，还有一些施工区域受地形地貌以及地质条件等的制约，传统支护方式不能有效进行支护时，可以采取特殊支护措施。常见的特殊支护措施有：能有效保证注浆浆液向隧道围岩内部深度扩散并防止墙角出现受力不合理而发生剪切滑移的浮渣注浆法、可以有效解决拱架受力不均匀及稳定性差等问题的U型封闭钢拱架法、能高效合理地抑制仰拱底鼓现象的钢桩法等。此外，还有一些针对隧道围岩不均匀而研发的不对称支护措施。

3.2 注重仰拱开裂防治

隧道仰拱开裂时，根据行业内专家的研究及现场调研，裂缝大多位于道路中线范围内，且仰拱内部填充的混凝土出现裂缝时，一般沿施工缝产生，且裂缝呈现上部较宽，下部狭窄的特征。一般 Ⅳ 类围岩处的隧道仰拱填充混凝土容易产生裂缝。隧道仰拱结构混凝土的开裂，影响因素包括洞身土体及围岩的应力、地下水的流动与渗透、施工速度过快导致混凝土工程质量无法保证、围岩应力释放未完成、洞身变形未完全稳定、施工工艺未严格把控等，此外，设计强度与配筋率偏低、隧道仰拱与填充混凝土未分批浇筑、支护措施与支护结构不合理等，也会导致仰拱结构出现开裂。因此，仰拱结构的开裂防治，应该从改善围岩自身受力状况与力学性能及提高支护体的物理力学性能方面进行。具体的防治措施包括喷锚加固改善围岩性能与力学条件、通过套衬加仰拱的方式改善仰拱受力性能并减小地下水影响、采用套衬和基层加固的方式降低隧道掘进和开挖对仰拱的影响并降低地下水对仰拱侵袭等，可以实现裂缝的防治及减小地下水对仰拱结构影响。

3.3 加强防排水处治

隧道防排水问题一直是大部分隧道施工中的主要关注点之一，也是隧道施工质量的薄弱点之一。隧道施工完成后，改变了原有地下水的补给和径流方式，隧道自身所形成的结构形式成为了地下水流通的全新廊道，加之隧道施工进程会导致隧道围岩的应力重分布并形成一个新的平衡状态，因此，岩体内原有的水流通道和径流与排泄模式会发生较大改变，水流对于隧道结构的冲蚀、浸透作用，也会表现出较为复杂多样的形式。部分隧道在使用数年后会出现多处渗漏情况，不仅会影响衬砌质量和使用寿命，严重的会引起拱脚下沉，甚至威胁行车安全。隧道仰拱施作过程中，要结合当地水文情况、地质条件、年降水量等因素，筛选多种坑道涌水预测方法并得出最优方案，常见的如斯佳科夫公式、大岛洋志公式、地下水径流模数法、降水入渗法等，作为公路隧道防排水设计的依据。施工时，结合底层岩性与地质构造情况，采用二次衬砌中设置复合防水板、仰拱等防水措施，同时采用中心排水沟、横向排水管、纵向集水沟等排水措施，加强隧道及其仰拱部位防排水工作，保证仰拱在施工、运营期间的服役质量和服役寿命。

4 结语

公路隧道仰拱的力学性能可以反映出仰拱的受力过程及破坏机理，通过研究仰拱的受力特性并分析其力学性能，可以从力学层面了解公路隧道仰拱的受力特点，进而判断其可能的破坏形式，并针对其提出相应的防治措施，在仰拱出现病害之前进行预防，可以减少公路隧道后期运营过程中的维护成本，并有效提高其使用寿命和使用安全性。本研究分析了公路隧道仰拱的受力特性及具体的受力形式，并构建了仰拱的力学计算模型。基于力学分析，提出了公路隧道仰拱在施工过程中应该注意的关键技术点，包括施作仰拱时应该重视支护，采用传统的支护措施、特殊支护措施以及不对称支护，可以对不同施工条件与地质特征的隧道仰拱进行合理有效地支护。此外，公路隧道仰拱施工时，也应该注重仰拱开裂的防治以及基地的防排水处理。