黄土隧道施工期间仰拱底鼓机理及控制技术研究

杨华清

（甘肃省兰州公路事业发展中心，甘肃 兰州 730030）

0 引言

甘肃省地处黄土高原西部，黄土分布面积占省域面积的26%，分布面积广、厚度大、湿陷性强烈，且具有明显的地域差异性，是甘肃省公路隧道穿越最多的地层之一。黄土的特殊工程性质（水敏性、大孔性、结构性）造成了黄土地区公路常常会出现多种工程病害，省内部分在建黄土公路隧道在施工期间仰拱填充层经常发生纵向开裂。

国内外学者及工程技术人员对路面底鼓病害产生机理和相应的处治措施进行了研究。T Asakura等[1]总结了日本铁路隧道针对不同病害的最新养护技术，并介绍了福冈等三座隧道的处治案例；S Seki等[2]通过模型试验和数值分析对隧道路面底鼓病害成因进行了分析；白国权[3]将仰拱缺陷归纳为钢架间距过大、混凝土厚度不足及不够密实3类，并提出了针对性的处治措施；冯勇等[4]通过现场调查、专项检测、实时变形监测等方法对南阳山隧道路面底鼓病害原因进行了分析，并提出了相应的处治措施；朱小明等[5]通过对甘肃省429座（单洞）运营公路隧道的调查与检测，统计了仰拱变形病害的主要表现形式与仰拱缺陷的主要类型，分析了仰拱变形病害的主要原因；张建等[6]对兰州南绕城高速公路某黄土隧道仰拱填充顶面竖向沉降进行了观测和数值计算，分析了仰拱底鼓机理，并提出了防治方案；赵涛[7]开展了泥岩隧道仰拱底鼓模型试验，探讨了基底膨胀和软化复合作用下泥岩隧道仰拱的受力特性、变形规律以及仰拱底鼓的控制措施。

目前针对隧道仰拱底鼓的产生机理及控制技术还不够深入，尤其针对不同病害情况的处治措施还不够完善。本文依托甘肃某在建高速公路黄土隧道，分析深埋老黄土隧道仰拱底鼓病害的原因，对不同的影响因素进行了分析，并提出了控制措施。本文提出的仰拱底鼓处治措施可为类似工程提供参考。

1 工程概况

某左右分离式长隧道右线里程桩号为YK57+794～YK57+420，长1626m，隧道最大埋深120m；左线里程桩号为ZK55+854～ZK57+395，长1541m，隧道最大埋深120m。

图1 隧道地质纵断面Fig.1 Geological profile of the tunnel

1.1 地质条件

根据地质调绘，按地层时代及成因分类，隧址区整体上覆地层为上更新统风积黄土（Q3eo）l，上更新统冲积黄土（Q3a）l，中更新统离石黄土（Q2）l，工程地质特征详细描述如下：

风积黄土（Q3eo）l；浅黄色，干燥～稍湿，稍密，土质较均匀，主要以粉粒组成，大孔隙发育，土质疏松，手捏易散，铁锹易挖，具强湿陷性，覆盖于隧道地表。

冲积黄土（Q3a）l；黄褐色，稍湿，中密，土质较均匀，粉粒为主，土块手捏不易碎，局部可见少量白色菌丝，具中等湿陷性，分布于风积黄土下部。

离石黄土（Q2）l；红褐色，稍湿-干燥，中密-密实，土质不均匀，含钙质结核，粒径2-5mm，干强度高，含黑色斑点，土体坚硬，日晒后易龟裂。分布于隧道洞身，是隧道洞身通过的主要地层。

1.2 支护结构设计参数

1）衬砌结构形式

衬砌结构形式见图2。

图2 SVa衬砌类型断面图Fig.2 Section view of SVa lining type

2 计算模型及参数

本计算中V级深埋黄土隧道埋深取为100m，建立该埋深隧道有限元模型，对围岩和结构的变形和受力进行计算分析。模型边界均大于5倍的隧道开挖宽度。模型顶面为近似地表的自由边界（其中75m地层荷载采用等效荷载加载），前、后、左、右边界均施加水平约束，底部为固定约束，有限元计算模型见图3。

图3 有限元计算模型Fig.3 Finite element calculation model

围岩和支护结构的参数取值见表1。围岩采用实体单元，本构模型为修正Mohr-Coulomb模型；初支和二衬均采用实体单元模拟。

表1 材料物理力学参数表Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

3 仰拱底鼓机理分析

3.1 台车和二衬自重

为了研究二衬台车自重对仰拱填充层结构的影响，本计算工况为二衬浇筑前，围岩和初支结构共同承受围岩荷载，二衬台车的重量为78t，二衬台车加载后隧道结构最小主应力云图见图4。由图可知，受二衬台车荷载的影响，仰拱填充层顶面中心线附近混凝土受拉，拉应力为10.81kPa，远小于C15混凝土的极限抗拉强度，所以二衬台车不会引起仰拱填充层开裂。

图4 二衬台车加载后隧道结构最小主应力云图Fig.4 The minimum principal stress nephogram of structure after loading of tunnel lining truck

为了研究二衬自重对仰拱填充层结构的影响，本计算工况为二衬刚浇筑完，二衬仅受自重作用，因有防水板，二衬采用等效荷载方式加载，围岩和初支结构共同承受围岩荷载，二衬浇筑完隧道结构最小主应力云图见图5。由图可知，受二衬自重的影响，仰拱填充层顶面中心线附近混凝土受拉，拉应力为13.63kPa，远小于C15混凝土的极限抗拉强度，所以二衬自重不会引起仰拱填充层开裂。

图5 二衬浇筑完隧道结构最小主应力云图Fig.5 The minimum principal stress nephogram of structure after tunnel lining pouring

3.2 墙脚地基承载力

为了研究墙脚地基承载力不足对仰拱填充层结构的影响，本计算工况中二衬承担60%的围岩荷载，围岩和初支结构承担40%的围岩荷载，隧道结构最小主应力云图见图6。由图可知，考虑支护结构的永久安全性时，仰拱填充层顶面中心线附近混凝土受拉，拉应力为1.60MPa，大于C15混凝土的极限抗拉强度1.40MPa，所以仰拱填充层开裂是墙脚地基承载力不足引起的。

图6 隧道结构最小主应力云图Fig.6 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure

本计算工况中隧道结构竖向位移云图，见图7。由图可知，墙脚与仰拱中心的差异沉降为11.7mm。

图7 隧道结构竖向位移云图Fig.7 The vertical displacement nephogram of tunnel structure

4 加固效果分析

本计算工况为墙脚采用锁脚钢管桩加固后隧道结构最小主应力云图，见图8。由图可知，墙脚采用锁脚钢管桩加固后，仰拱填充层顶面混凝土拉应力减小为1.32MPa，减小了17.5%，略小于C15混凝土的极限抗拉强度1.40MPa，但安全富裕度不足。

图8 墙脚锁脚钢管桩加固后隧道结构最小主应力云图Fig.8 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure after the reinforcement of steel pipe piles with locking feet at the wall feet

墙脚采用锁脚钢管桩加固后隧道结构竖向位移云图，见图9。由图可知，墙脚采用锁脚钢管桩加固后，墙脚与仰拱中心的差异沉降为7.5mm，减小了35.9%。

图9 墙脚锁脚钢管桩加固后隧道结构竖向位移云图Fig.9 The vertical displacement nephogram of tunnel structure after the reinforcement of steel pipe piles with locking feet at the wall feet

由于仅采用锁脚钢管桩加固，仰拱填充层结构安全富裕度不足，再在路面基层加配抗裂钢筋网。本计算工况下隧道结构最小主应力云图，见图10。由图可知，加配抗裂钢筋网后，仰拱填充层顶面混凝土拉应力减小为1.12MPa，相比未加固前，减小了30.0%，小于C15混凝土的极限抗拉强度1.40MPa，具有足够的安全度。

图10 加配抗裂钢筋网后隧道结构最小主应力云图Fig.10 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure with anti-cracking steel mesh

加配抗裂钢筋网后隧道结构竖向位移云图，见图11。由图可知，加配抗裂钢筋网后，墙脚与仰拱中心的差异沉降为7.1mm，相比未加固前，减小了39.3%。

图11 加配抗裂钢筋网后隧道结构竖向位移云图Fig.11 The vertical displacement nephogram of tunnel structure with anti-cracking steel mesh

5 结论

根据对隧道仰拱填充层开裂问题的分析与计算研究，可以得到以下结论：

1）台车和二衬的自重不会引起隧道仰拱填充层的开裂。

2）隧道仰拱填充层开裂是墙脚地基承载力不足引起的。

3）墙脚采用锁脚钢管桩加固和路面基层加配钢筋网均能有效改善仰拱填充层的受力，减小仰拱填充层顶面混凝土的拉应力，但只采用其中一种加固措施，仰拱填充层的安全富裕度不足，建议同时采用两种加固措施加固。

4）墙脚采用锁脚钢管桩加固时容易破坏隧道环纵横向排水管，在打桩前应确定排水管的位置，打桩时避开排水管。