在役隧道襯砌結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理研究

吳京懋

摘 要：襯砌裂損作為在役隧道最常見的病害之一， 嚴(yán)重影響了隧道服役期間的結(jié)構(gòu)整體性，其對隧道二襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性均會(huì)造成一定程度的破壞。在役隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載性能劣化-耗散機(jī)理的進(jìn)一步研究使得對在役隧道襯砌結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理研究成為必要。文章總結(jié)了近年來隧道襯砌裂紋的幾種基本類型，分析了隧道二襯結(jié)構(gòu)開裂的原因，主要進(jìn)行了基于斷裂力學(xué)理論分析在役隧道襯砌結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理。

關(guān)鍵詞：裂紋；隧道；襯砌結(jié)構(gòu)；斷裂力學(xué)

中圖分類號：U451+.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0081-02

Abstract： As one of the most common diseases of existing tunnels， lining cracks seriously affect the integrity of the tunnel structure during service， which will cause some damage to the strength， stiffness and stability of the second lining structure of the tunnel. It is necessary to study the deterioration mechanism of in-service tunnel lining structure due to the further study of the deterioration and dissipation mechanism of in-service tunnel lining structure. This paper summarizes several basic types of tunnel lining cracks in recent years， analyzes the causes of tunnel second lining cracks， and mainly analyzes the deterioration mechanism of existing tunnel lining structures based on the theory of fracture mechanics.

Keywords： crack； tunnel； lining structure； fracture mechanics

隨著綜合國力的增強(qiáng)以及工程施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國隧道建設(shè)長度及速度均取得了突破性進(jìn)展，已然躋身于隧道大國行列。但由于隧道工程結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的局限和前期施工管理經(jīng)驗(yàn)的不足，以及我國地域遼闊，隧道所穿越山體工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，使得在役隧道皆出現(xiàn)了不同程度類型的病害，具體表現(xiàn)在：襯砌裂損、滲漏水、隧道凍害、襯砌腐蝕、震害、洞內(nèi)空氣污染和火災(zāi)危害。其中，襯砌裂損尤為突出。據(jù)2016年在役隧道檢測統(tǒng)計(jì)資料顯示，約占1/3的隧道處于帶裂紋工作狀態(tài)，因此，為控制裂紋擴(kuò)展引起隧道結(jié)構(gòu)坍塌，對在役隧道襯砌結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理以及斷裂力學(xué)理論分析將是必要的。

1 隧道裂紋類型及特征

1.1 襯砌受彎張口形裂紋

常見于拱腰部位和邊墻中部，襯砌承受較大的地層壓力作用，襯砌受彎向內(nèi)位移，內(nèi)緣拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，而發(fā)生張口型裂紋[1]。

1.2 內(nèi)緣受擠壓閉口形裂紋

常見于兩拱腰發(fā)生較嚴(yán)重的縱向張裂內(nèi)移地段的拱頂部位，出現(xiàn)閉口型縱裂，襯砌向上位移。其中較嚴(yán)重處，拱頂內(nèi)緣在高擠壓應(yīng)力作用下發(fā)生剝落掉塊。

1.3 襯砌受剪錯(cuò)臺(tái)型裂紋

偶見拱腰部位襯砌，在其背后局部松動(dòng)滑移圍巖的推力作用下，沿水平工作縫較薄弱處，有一側(cè)的襯砌變形突出，形成錯(cuò)臺(tái)型裂紋[2]。

1.4 收縮性環(huán)向裂紋

多見于隧道靠洞口地形，受氣溫變化影響較大，混凝土襯砌環(huán)向施工縫出現(xiàn)收縮性裂紋。

2 隧道裂紋形成原因分析

2.1 混凝土自身缺陷導(dǎo)致隧道襯砌開裂

混凝土結(jié)構(gòu)以其性能良好、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，已然成為目前應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式。長久以來，技術(shù)人員普遍認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)耐用持久。但是事實(shí)并非如此，混凝土結(jié)構(gòu)在建成后整個(gè)使用期間內(nèi)，在持續(xù)荷載的作用下以及周圍環(huán)境因素的影響下，隨其使用時(shí)間的延長，結(jié)構(gòu)內(nèi)部將發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其承載性能總是處于不斷的變化過程中，而其變化的總趨勢是由好到壞、由新到舊、由高到低的衰減過程?；炷劣捎谒喾N類及級配等外在因素的影響，致使其存在天然的缺陷，其產(chǎn)生的一系列反應(yīng)將導(dǎo)致隧道襯砌開裂，并伴隨著服役時(shí)間的延長而產(chǎn)生二襯結(jié)構(gòu)的劣化及承載能力的耗散[3]。

2.2 設(shè)計(jì)原因?qū)е滤淼酪r砌開裂

在勘測設(shè)計(jì)階段未對工程地質(zhì)條件進(jìn)行全面而精確的調(diào)查核實(shí)，引起對圍巖級別判定的失準(zhǔn)，這將使得設(shè)計(jì)的整個(gè)方案缺乏科學(xué)的理論依據(jù)。襯砌局部設(shè)計(jì)強(qiáng)度的不足，圍巖壓力過大使得襯砌結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生裂紋。對設(shè)計(jì)方案的任意變更也將使得裂紋引起的穩(wěn)定性破壞程度加劇[4]。

2.3施工工藝或現(xiàn)場操作不規(guī)范

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的提高，目前隧道施工多按信息化施工的思想進(jìn)行，及時(shí)將巖體的性質(zhì)和掘進(jìn)面位移信息進(jìn)行收集，專業(yè)評定，還可與工程信息庫已有的工程實(shí)例進(jìn)行比對，快速調(diào)整并指揮下一階段的掘進(jìn)方案。但在役隧道不同程度地受到當(dāng)時(shí)信息化程度不高的影響，施工指導(dǎo)資料滯后，施工工藝不當(dāng)，致使隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損[5]。主要存在于兩方面，一是監(jiān)控量測出現(xiàn)偏差，按經(jīng)驗(yàn)來確定襯砌混凝土的施作與收斂時(shí)間，同時(shí)過早地拆除模板，混凝土的拉壓強(qiáng)度不足，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使得襯砌結(jié)構(gòu)拱頂部位在外部荷載和自身重力的作用下產(chǎn)生彎拉裂縫，隧道邊墻在過早地成為自由面后，將同時(shí)承受彎矩和壓力雙重作用，造成邊墻變形過大，向內(nèi)產(chǎn)生張口型裂縫；其次是施工組織不當(dāng)，在采用上下導(dǎo)坑法施工時(shí)，先拱后墻中，鋼拱架變形過大，導(dǎo)致拱部襯砌出現(xiàn)不均勻沉降，拱肩和拱頂出現(xiàn)施工縫；由于施工順序的錯(cuò)亂，二襯結(jié)構(gòu)成環(huán)不及時(shí)，拱腳錨桿不達(dá)標(biāo)，開挖后結(jié)構(gòu)懸空時(shí)間過長、跨度過大，造成拱部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻下沉。

2.4 地下水引起隧道結(jié)構(gòu)襯砌開裂

圍巖地下水對隧道的影響可分為直接作用和間接作用[6]。直接作用即襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖直接發(fā)生物化轉(zhuǎn)換過程，地下水在水壓作用下透過襯砌的微小裂縫侵蝕結(jié)構(gòu)，微小裂縫將會(huì)在持續(xù)的沖刷腐蝕作用下穿透二襯結(jié)構(gòu)，從而出現(xiàn)襯砌滲漏水病害，若不及時(shí)處治，貫通裂縫將會(huì)在地下水的直接作用下擴(kuò)展增大；間接作用即在嚴(yán)寒地帶地下水所形成的凍脹土壓力，凍結(jié)土在拱肩和拱腳形成主動(dòng)土壓力，致使襯砌結(jié)構(gòu)開裂，凍融循環(huán)壓力對隧道襯砌結(jié)構(gòu)往復(fù)的加載和卸載，更會(huì)加重嚴(yán)寒地區(qū)地下水對隧道襯砌結(jié)構(gòu)所形成的病害。

3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)理論分析

3.1 隧道裂紋擴(kuò)展的三種類型

斷裂力學(xué)主要研究發(fā)生了位移間斷面的帶裂紋體結(jié)構(gòu)，根據(jù)裂紋體的受力特性及裂紋的形態(tài)特征，斷裂力學(xué)將裂紋分為三種基本類型[7]。張開型（Ⅰ型）：裂紋擴(kuò)展面與拉應(yīng)力垂直，上下裂紋面沿力的方向張開，裂紋沿垂直于力的方向發(fā)展，是最為常見的一種斷裂模式?；_型（Ⅱ型）：受剪應(yīng)力作用，裂紋面與力的方向平行，裂紋沿剪力滑移擴(kuò)展，上下面位移相反。撕開型（Ⅲ型）：受剪應(yīng)力控制，上下裂紋面與裂紋線均與力的方向平行，裂紋沿裂紋面撕開發(fā)展。

3.2 斷裂判據(jù)

在役隧道二襯產(chǎn)生劣化的機(jī)理可概括為： 二襯結(jié)構(gòu)在外力以及周圍環(huán)境溫濕度的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力超過材料自身的極限強(qiáng)度值而產(chǎn)生開裂[8]。外力一般包括圍巖松弛壓力、膨脹力、車輛荷載、地震作用等。靜荷載主要受圍巖松弛壓力影響，由于回填不密實(shí)，二襯結(jié)構(gòu)背后多有空洞存在，圍巖在構(gòu)造應(yīng)力場和重力應(yīng)力場的雙重作用下逐年變形劣化，圍巖松弛壓力隨之增大。動(dòng)荷載主要包括地震荷載和車輛荷載。兩種荷載均屬于動(dòng)荷載，地震荷載對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要是剪切作用，二襯結(jié)構(gòu)多產(chǎn)生斜裂縫；車輛荷載對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的主要是疲勞損傷，循環(huán)荷載作用下致使二襯開裂。

近年來，目前線彈性斷裂力學(xué)是斷裂理論中研究較為成熟的一部分，針對具體的隧道混凝土二襯結(jié)構(gòu)裂紋，其在外部作用下，對應(yīng)的混凝土材料的應(yīng)力強(qiáng)度因子K必然存在一個(gè)臨界值Kc，即斷裂韌度，當(dāng)K達(dá)到臨界值Kc 時(shí)，二襯裂紋隨即發(fā)生失穩(wěn)型擴(kuò)展[9]。

3.3 帶裂紋隧道襯砌結(jié)構(gòu)特征

基于斷裂力學(xué)，對帶裂紋隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，二襯結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)縱向裂縫，則拱頂上部圍巖和襯砌的位移和應(yīng)力均會(huì)有較為明顯的增大[10]；同時(shí)裂縫深度的不同，也會(huì)使得在結(jié)構(gòu)、荷載一定的情況下，結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力越大，裂縫尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，最終應(yīng)力強(qiáng)度因子K增大到斷裂韌度Kc，從而導(dǎo)致斷裂，并且形成擴(kuò)展裂紋，使得二襯結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)束語

隧道襯砌結(jié)構(gòu)作為混凝土承載結(jié)構(gòu)，由于隧道病害及混凝土本身缺陷的普遍存在，使其帶裂紋工作狀態(tài)將成為服役工作的常態(tài)。因此，基于斷裂力學(xué)理論，對帶裂紋隧道二襯結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析，對目前普遍存在裂損病害的隧道加固及整治將具有理論上的參考價(jià)值，使得隧道襯砌承載性能控制在安全適用的范圍。

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