黃土隧道施工期間仰拱底鼓機理及控制技術(shù)研究

楊華清

（甘肅省蘭州公路事業(yè)發(fā)展中心，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

甘肅省地處黃土高原西部，黃土分布面積占省域面積的26%，分布面積廣、厚度大、濕陷性強烈，且具有明顯的地域差異性，是甘肅省公路隧道穿越最多的地層之一。黃土的特殊工程性質(zhì)（水敏性、大孔性、結(jié)構(gòu)性）造成了黃土地區(qū)公路常常會出現(xiàn)多種工程病害，省內(nèi)部分在建黃土公路隧道在施工期間仰拱填充層經(jīng)常發(fā)生縱向開裂。

國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對路面底鼓病害產(chǎn)生機理和相應(yīng)的處治措施進行了研究。T Asakura等[1]總結(jié)了日本鐵路隧道針對不同病害的最新養(yǎng)護技術(shù)，并介紹了福岡等三座隧道的處治案例；S Seki等[2]通過模型試驗和數(shù)值分析對隧道路面底鼓病害成因進行了分析；白國權(quán)[3]將仰拱缺陷歸納為鋼架間距過大、混凝土厚度不足及不夠密實3類，并提出了針對性的處治措施；馮勇等[4]通過現(xiàn)場調(diào)查、專項檢測、實時變形監(jiān)測等方法對南陽山隧道路面底鼓病害原因進行了分析，并提出了相應(yīng)的處治措施；朱小明等[5]通過對甘肅省429座（單洞）運營公路隧道的調(diào)查與檢測，統(tǒng)計了仰拱變形病害的主要表現(xiàn)形式與仰拱缺陷的主要類型，分析了仰拱變形病害的主要原因；張建等[6]對蘭州南繞城高速公路某黃土隧道仰拱填充頂面豎向沉降進行了觀測和數(shù)值計算，分析了仰拱底鼓機理，并提出了防治方案；趙濤[7]開展了泥巖隧道仰拱底鼓模型試驗，探討了基底膨脹和軟化復(fù)合作用下泥巖隧道仰拱的受力特性、變形規(guī)律以及仰拱底鼓的控制措施。

目前針對隧道仰拱底鼓的產(chǎn)生機理及控制技術(shù)還不夠深入，尤其針對不同病害情況的處治措施還不夠完善。本文依托甘肅某在建高速公路黃土隧道，分析深埋老黃土隧道仰拱底鼓病害的原因，對不同的影響因素進行了分析，并提出了控制措施。本文提出的仰拱底鼓處治措施可為類似工程提供參考。

1 工程概況

某左右分離式長隧道右線里程樁號為YK57+794～YK57+420，長1626m，隧道最大埋深120m；左線里程樁號為ZK55+854～ZK57+395，長1541m，隧道最大埋深120m。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of the tunnel

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪，按地層時代及成因分類，隧址區(qū)整體上覆地層為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q3eo）l，上更新統(tǒng)沖積黃土（Q3a）l，中更新統(tǒng)離石黃土（Q2）l，工程地質(zhì)特征詳細描述如下：

風(fēng)積黃土（Q3eo）l；淺黃色，干燥～稍濕，稍密，土質(zhì)較均勻，主要以粉粒組成，大孔隙發(fā)育，土質(zhì)疏松，手捏易散，鐵鍬易挖，具強濕陷性，覆蓋于隧道地表。

沖積黃土（Q3a）l；黃褐色，稍濕，中密，土質(zhì)較均勻，粉粒為主，土塊手捏不易碎，局部可見少量白色菌絲，具中等濕陷性，分布于風(fēng)積黃土下部。

離石黃土（Q2）l；紅褐色，稍濕-干燥，中密-密實，土質(zhì)不均勻，含鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑2-5mm，干強度高，含黑色斑點，土體堅硬，日曬后易龜裂。分布于隧道洞身，是隧道洞身通過的主要地層。

1.2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

1）襯砌結(jié)構(gòu)形式

襯砌結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 SVa襯砌類型斷面圖Fig.2 Section view of SVa lining type

2 計算模型及參數(shù)

本計算中V級深埋黃土隧道埋深取為100m，建立該埋深隧道有限元模型，對圍巖和結(jié)構(gòu)的變形和受力進行計算分析。模型邊界均大于5倍的隧道開挖寬度。模型頂面為近似地表的自由邊界（其中75m地層荷載采用等效荷載加載），前、后、左、右邊界均施加水平約束，底部為固定約束，有限元計算模型見圖3。

圖3 有限元計算模型Fig.3 Finite element calculation model

圍巖和支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)取值見表1。圍巖采用實體單元，本構(gòu)模型為修正Mohr-Coulomb模型；初支和二襯均采用實體單元模擬。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

3 仰拱底鼓機理分析

3.1 臺車和二襯自重

為了研究二襯臺車自重對仰拱填充層結(jié)構(gòu)的影響，本計算工況為二襯澆筑前，圍巖和初支結(jié)構(gòu)共同承受圍巖荷載，二襯臺車的重量為78t，二襯臺車加載后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖見圖4。由圖可知，受二襯臺車荷載的影響，仰拱填充層頂面中心線附近混凝土受拉，拉應(yīng)力為10.81kPa，遠小于C15混凝土的極限抗拉強度，所以二襯臺車不會引起仰拱填充層開裂。

圖4 二襯臺車加載后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.4 The minimum principal stress nephogram of structure after loading of tunnel lining truck

為了研究二襯自重對仰拱填充層結(jié)構(gòu)的影響，本計算工況為二襯剛澆筑完，二襯僅受自重作用，因有防水板，二襯采用等效荷載方式加載，圍巖和初支結(jié)構(gòu)共同承受圍巖荷載，二襯澆筑完隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖見圖5。由圖可知，受二襯自重的影響，仰拱填充層頂面中心線附近混凝土受拉，拉應(yīng)力為13.63kPa，遠小于C15混凝土的極限抗拉強度，所以二襯自重不會引起仰拱填充層開裂。

圖5 二襯澆筑完隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.5 The minimum principal stress nephogram of structure after tunnel lining pouring

3.2 墻腳地基承載力

為了研究墻腳地基承載力不足對仰拱填充層結(jié)構(gòu)的影響，本計算工況中二襯承擔(dān)60%的圍巖荷載，圍巖和初支結(jié)構(gòu)承擔(dān)40%的圍巖荷載，隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖見圖6。由圖可知，考慮支護結(jié)構(gòu)的永久安全性時，仰拱填充層頂面中心線附近混凝土受拉，拉應(yīng)力為1.60MPa，大于C15混凝土的極限抗拉強度1.40MPa，所以仰拱填充層開裂是墻腳地基承載力不足引起的。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.6 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure

本計算工況中隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，見圖7。由圖可知，墻腳與仰拱中心的差異沉降為11.7mm。

圖7 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.7 The vertical displacement nephogram of tunnel structure

4 加固效果分析

本計算工況為墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖，見圖8。由圖可知，墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后，仰拱填充層頂面混凝土拉應(yīng)力減小為1.32MPa，減小了17.5%，略小于C15混凝土的極限抗拉強度1.40MPa，但安全富裕度不足。

圖8 墻腳鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.8 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure after the reinforcement of steel pipe piles with locking feet at the wall feet

墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，見圖9。由圖可知，墻腳采用鎖腳鋼管樁加固后，墻腳與仰拱中心的差異沉降為7.5mm，減小了35.9%。

圖9 墻腳鎖腳鋼管樁加固后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.9 The vertical displacement nephogram of tunnel structure after the reinforcement of steel pipe piles with locking feet at the wall feet

由于僅采用鎖腳鋼管樁加固，仰拱填充層結(jié)構(gòu)安全富裕度不足，再在路面基層加配抗裂鋼筋網(wǎng)。本計算工況下隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖，見圖10。由圖可知，加配抗裂鋼筋網(wǎng)后，仰拱填充層頂面混凝土拉應(yīng)力減小為1.12MPa，相比未加固前，減小了30.0%，小于C15混凝土的極限抗拉強度1.40MPa，具有足夠的安全度。

圖10 加配抗裂鋼筋網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖Fig.10 The minimum principal stress nephogram of tunnel structure with anti-cracking steel mesh

加配抗裂鋼筋網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖，見圖11。由圖可知，加配抗裂鋼筋網(wǎng)后，墻腳與仰拱中心的差異沉降為7.1mm，相比未加固前，減小了39.3%。

圖11 加配抗裂鋼筋網(wǎng)后隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.11 The vertical displacement nephogram of tunnel structure with anti-cracking steel mesh

5 結(jié)論

根據(jù)對隧道仰拱填充層開裂問題的分析與計算研究，可以得到以下結(jié)論：

1）臺車和二襯的自重不會引起隧道仰拱填充層的開裂。

2）隧道仰拱填充層開裂是墻腳地基承載力不足引起的。

3）墻腳采用鎖腳鋼管樁加固和路面基層加配鋼筋網(wǎng)均能有效改善仰拱填充層的受力，減小仰拱填充層頂面混凝土的拉應(yīng)力，但只采用其中一種加固措施，仰拱填充層的安全富裕度不足，建議同時采用兩種加固措施加固。

4）墻腳采用鎖腳鋼管樁加固時容易破壞隧道環(huán)縱橫向排水管，在打樁前應(yīng)確定排水管的位置，打樁時避開排水管。