某鐵路明洞拱部裂縫成因分析

張鴻昆， 王立川, 2， 練發(fā)勝， 劉志強(qiáng)， 吳 劍， 龔 倫， 王 剛

(1. 中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司, 四川 成都 610082； 2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司, 四川 成都 611731； 4. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

0 引言

明洞作為隧道工程中的一種型式，是部分隧道洞口段施工質(zhì)量安全控制的重要環(huán)節(jié)，明洞結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生原因及整治措施，一直是隧道工程領(lǐng)域的難點(diǎn)問題之一。明洞結(jié)構(gòu)主要問題表現(xiàn)在基礎(chǔ)的不均勻沉降、結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面溫差引起溫度應(yīng)力、偏壓及結(jié)構(gòu)裂縫等。程正明[1]分析了海底隧道軟基地段明洞不均勻沉降后的回填安全性并提出加固措施；劉浩[2]通過實(shí)測(cè)明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差及數(shù)值計(jì)算分析，得出溫差對(duì)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響規(guī)律；劉新榮等[3]、吳啟勇[4]對(duì)不良地質(zhì)條件下偏壓引起的結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行了分析；陳國(guó)富[5]針對(duì)偏壓錯(cuò)臺(tái)明洞結(jié)構(gòu)，提出對(duì)邊坡坡腳位置及抗偏壓墻處采用反壓回填法等處治方法；徐湉源等[6]通過考慮大體積混凝土水化熱導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，提出超高填方明洞的雙層襯砌型式；趙鵬[7]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)提出采用格柵、EPS板對(duì)黃土高填方明洞的減載措施。國(guó)內(nèi)業(yè)者同時(shí)對(duì)明洞隧道結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行了相關(guān)的研究工作[8-9]： 馬洪玉等[10]通過對(duì)煤礦主副平洞明挖回填段的結(jié)構(gòu)裂縫分析，查明了裂縫產(chǎn)生的原因并提出整治方案建議；楊建龍等[11]對(duì)南京地鐵部分明挖段結(jié)構(gòu)裂縫原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的裂縫處治方案；崔毓善等[12]對(duì)地表水下滲及車輛荷載作用下的明洞結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行了分析研究。

總體上，國(guó)內(nèi)業(yè)者主要關(guān)注施工完成后的明洞結(jié)構(gòu)裂縫，而對(duì)施工過程尤其是由施工工序影響所致的裂縫研究較少，本文就明洞在此研究領(lǐng)域出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行成因分析并提出防治的思路。

1 工程概況

GD鐵路擴(kuò)改工程YY雙線隧道采用明洞型式，全長(zhǎng)440 m(D1K122+580～D1K123+020)，隧道區(qū)域上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積粉質(zhì)黏土、膨脹土，更新統(tǒng)松毛坡組粉質(zhì)黏土、粉土、中砂、角礫土、碎石土，下伏基巖為三疊系云南驛組一段頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖，特殊巖土為膨脹土。地表水主要為溝水，水量不大，季節(jié)性明顯；地下水主要為坡洪積覆蓋層中的孔隙潛水和基巖裂隙水，水量豐富，水位季節(jié)性特征顯著，鉆孔揭示穩(wěn)定水位2.8～15.0 m。進(jìn)口段D1K122+580～+670和出口段D1K122+970～D1K123+020為斜切式洞門及斜切延伸段，采用C40耐腐蝕混凝土，厚0.8 m，環(huán)向主筋為HRB400φ25@200，縱向主筋為HRB335φ18@400；D1K122+670～+970段為I型明洞，采用C40耐腐蝕混凝土，仰拱襯砌厚1.3 m，拱墻厚1.2 m，內(nèi)側(cè)主筋為HRB400φ25@200，外側(cè)主筋為HRB400φ28@200，縱向主筋為HRB335φ18@400。線路縱坡為12‰及6‰上坡。

隧道防水層由1 cm厚聚合物水泥砂漿找平層+防水板+土工布+2 cm厚聚合物水泥砂漿保護(hù)層構(gòu)成；回填由C15混凝土+碎石反濾層+夯填土石+黏土隔水層構(gòu)成。明洞橫斷面如圖1所示。

圖1 明洞橫斷面圖(單位： cm)

全隧挖方深度最大27 m，回填厚度最大15 m；仰拱和拱墻結(jié)構(gòu)分別分段整體澆筑；洞頂回填厚度2～15 m。D1K122+580～+670、D1K122+970～D1K123+020回填厚度2 m；D1K122+670～+800、D1K122+840～+970段回填厚度2～15 m，縱坡10%；D1K122+800～+840段回填厚度15 m。隧道縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面圖

全隧按設(shè)計(jì)采用明挖法施工，從進(jìn)口向出口順序施工，設(shè)計(jì)回填方式為： 明洞結(jié)構(gòu)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%后，回填兩側(cè)C15混凝土至設(shè)計(jì)高度，拆除明洞拱架，及時(shí)對(duì)稱回填土石，拱頂齊平后再分層滿鋪至設(shè)計(jì)高度，回填土壓實(shí)系數(shù)不應(yīng)低于0.8，分層厚度不宜大于0.3 m，如采用機(jī)械回填，應(yīng)在人工夯填超過拱頂1 m以上后進(jìn)行，且不宜采用大型機(jī)械設(shè)備。該明洞隧道2014年6月開工，2015年5月7日完成第一單元拱墻結(jié)構(gòu)澆筑，2016年6月施工完畢。

2 拱頂開裂情況

2.1 裂縫情況

2017年3—4月，發(fā)現(xiàn)D1K122+730～D1K123+020段拱部90°范圍內(nèi)出現(xiàn)密集的縱向裂縫。典型裂縫分布情況見圖3： D1K122+730～D1K123+020段隧道拱頂中心線兩側(cè)約2.5 m范圍內(nèi)，分布縱向裂縫7～10條，裂縫間距20～60 cm，無錯(cuò)臺(tái)，沿隧道縱向線性分布。2017年7月，局部清除該隧裂縫對(duì)應(yīng)段落回填土，觀察拱部外側(cè)無裂縫產(chǎn)生(見圖4)，表明隧道拱部?jī)?nèi)側(cè)裂縫為張拉裂縫。

圖3 拱部典型裂縫照片

2.2 裂縫寬度與分布特征

通過對(duì)2個(gè)獨(dú)立檢測(cè)單位的明洞裂縫檢測(cè)資料匯總和梳理，得到裂縫寬度統(tǒng)計(jì)見表1。裂縫寬度為0.17～0.98 mm。

圖4 拱頂外側(cè)照片

斷面里程裂縫寬度/mm回填土石厚度/mD1K122+7530.4210.3D1K122+7880.4813.8D1K122+7920.6714.2D1K122+8010.6815D1K122+8130.5615D1K122+8260.9815D1K122+8410.7114.9D1K122+8450.7314.5D1K122+8580.8513.2D1K122+8650.6712.5D1K122+8830.5810.7D1K122+9000.2510D1K122+9130.177.7

裂縫寬度隨回填厚度的變化曲線如圖5所示。由圖5可見： 裂縫寬度與回填厚度存在一定正相關(guān)性，裂縫寬度隨回填厚度的增加而增大，裂縫最大寬度出現(xiàn)在回填土石厚度為15 m段落，表明回填土石厚度對(duì)裂縫的寬度具顯著影響。當(dāng)回填厚度為15 m時(shí)，裂縫寬度為0.55～1.00 mm。

圖5 裂縫寬度隨回填土石厚度變化曲線圖

Fig. 5 Variation curves of crack widths with thickness of backfill rock

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

使用ANSYS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)、荷載-結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算埋深按回填厚度考慮，襯砌采用平面單元，周邊采用彈性鏈桿模擬地層反力。按照設(shè)計(jì)驗(yàn)算要求，同時(shí)考慮回填土體未完全固結(jié)不能形成承載拱，因此15 m回填厚度范圍內(nèi)均按松散土體自重考慮，將回填土石自重轉(zhuǎn)化為單元節(jié)點(diǎn)荷載，計(jì)算模型如圖6所示。分別計(jì)算回填土石自重作用、回填土石自重及施工荷載作用、邊墻回填不密實(shí)對(duì)明洞結(jié)構(gòu)受力的影響。分析單元受拉應(yīng)力與出現(xiàn)部位，并與材料受拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，不單獨(dú)進(jìn)行裂縫模擬。

圖6 計(jì)算模型圖

參考TB10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，回填土石按Ⅴ級(jí)圍巖取下限值，計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)如表2所示，拱墻結(jié)構(gòu)厚度按設(shè)計(jì)取120 cm。

表2 計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 回填土石自重作用下結(jié)構(gòu)受力分析

明洞結(jié)構(gòu)在其上回填土石自重作用下，結(jié)構(gòu)所受拉應(yīng)力最大在拱頂部位，通過計(jì)算得到不同厚度回填土石自重作用下結(jié)構(gòu)的拱頂拉應(yīng)力，拱頂拉應(yīng)力值如表3所示，拱頂拉應(yīng)力云圖如圖7所示。

表3不同填土厚度明洞拱頂拉應(yīng)力

Table 3 Tensile stresses of open-cut tunnel with different backfill heights

填土厚度/m1251015拱頂拉應(yīng)力/MPa000.111.152.18

由表3可知： 明洞結(jié)構(gòu)在回填厚度小于5 m時(shí)，拱頂基本不產(chǎn)生拉應(yīng)力；拱頂回填厚度與拱頂拉應(yīng)力值呈線性正相關(guān)關(guān)系，回填厚度15 m時(shí)，拱頂拉應(yīng)力為2.18 MPa。

(a) 回填土石厚度5 m

(b) 回填土石厚度10 m

(c) 回填土石厚度15 m

Fig. 7 Nephograms of tensile stresses of crown top under weight load of backfill rock (unit: Pa)

3.3 回填施工動(dòng)載計(jì)算分析

由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查知，回填土石壓實(shí)采用前輪軸質(zhì)量為9.2 t的壓路機(jī)，因此，對(duì)明洞施工過程進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，除計(jì)算回填土石靜載外，還應(yīng)納入壓路機(jī)的工作動(dòng)載。

施工動(dòng)載按2.6倍軸重，壓路機(jī)振動(dòng)輪按寬度2 130 mm計(jì)算，得到施工動(dòng)載為112.3 kN/m。施工時(shí)任意回填土石厚度下隧道周邊各節(jié)點(diǎn)受到的豎向附加應(yīng)力σz按土力學(xué)中條形面積豎向均布荷載公式計(jì)算如下：

(1)

式中：p為均布荷載；m=x/B；n=z/B；x為任意點(diǎn)水平距離；z為任意點(diǎn)深度值；B為均布荷載寬度。

水平附加應(yīng)力仍按垂直附加應(yīng)力乘以側(cè)壓力系數(shù)0.43獲取。

按施工動(dòng)載在拱頂正上方的最不利情況計(jì)算，得到不同回填厚度下結(jié)構(gòu)受力如圖8所示，拱頂拉應(yīng)力值匯總?cè)绫?所示。

(a) 回填土石厚度1 m

(b) 回填土石厚度2 m

(c) 回填土石厚度5 m

(d) 回填土石厚度10 m

(e) 回填土石厚度15 m

Fig. 8 Nephograms of tensile stresses of crown top under dynamic load effect of backfill (unit: Pa)

由計(jì)算知，當(dāng)考慮明洞回填土石壓實(shí)的施工荷載時(shí)，由于施工動(dòng)載的存在，使得拱頂拉應(yīng)力呈現(xiàn)兩頭大，中間小的特點(diǎn)，即當(dāng)回填厚度小于5 m時(shí)，隨著拱頂回填厚度的減小，拱頂拉應(yīng)力增大，表明此時(shí)施工動(dòng)載對(duì)明洞結(jié)構(gòu)受力影響顯著；當(dāng)回填厚度大于5 m時(shí)，隨著拱頂回填厚度的增加，拱頂拉應(yīng)力增大，表明此時(shí)回填土石自重對(duì)明洞結(jié)構(gòu)受力影響顯著。

表4施工動(dòng)載作用明洞拱頂拉應(yīng)力

Table 4 Tensile stresses of open-cut tunnel under dynamic load effect of construction

填土厚度/m1251015拱頂拉應(yīng)力/MPa1.581.371.161.682.52

3.4 邊墻回填不密實(shí)計(jì)算分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查知，設(shè)計(jì)的邊墻回填混凝土部分更改為回填土石，時(shí)有邊墻回填不密實(shí)，因此采用減弱邊墻的彈性抗力系數(shù)來模擬邊墻回填不密實(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，計(jì)算回填厚度取15 m。將邊墻彈性抗力系數(shù)按密實(shí)度折減來近似模擬計(jì)算，得到拱頂拉應(yīng)力值匯總?cè)绫?所示。

表5邊墻回填不密實(shí)時(shí)明洞拱頂拉應(yīng)力

Table 5 Tensile stresses of open-cut tunnel when sidewall backfill is uncompacted

密實(shí)度/%拱頂拉應(yīng)力/MPa比值1002.181802.671.22603.151.44403.641.67204.121.89

注： 比值以密實(shí)度100%為基準(zhǔn)。

由計(jì)算知，邊墻回填密實(shí)度對(duì)拱頂拉應(yīng)力影響顯著，密實(shí)度為60%時(shí)，拱頂拉應(yīng)力值為完全密實(shí)時(shí)的1.44倍，且已超出結(jié)構(gòu)C40的極限抗拉強(qiáng)度值2.7 MPa。

4 裂縫成因分析

該明洞結(jié)構(gòu)拱部裂縫為受拉狀態(tài)，從受力分析來看，可分為2個(gè)方面，一是拱部受到外部荷載的作用導(dǎo)致混凝土受拉產(chǎn)生裂縫，外部荷載主要包含回填土石自重及施工動(dòng)載等；二是明洞兩側(cè)回填物的約束減弱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在相同荷載作用下變形增大而產(chǎn)生裂縫。

4.1 成因分析

1)裂縫寬度隨回填厚度的變化規(guī)律表明，裂縫與回填厚度存在正相關(guān)關(guān)系。按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)回填土石自重作用與施工動(dòng)載作用下的驗(yàn)算表明，拱墻結(jié)構(gòu)所受拉應(yīng)力是滿足要求的。該驗(yàn)算為隧道結(jié)構(gòu)最終的受力狀態(tài)，未考慮混凝土養(yǎng)護(hù)過程中強(qiáng)度的增長(zhǎng)過程及在養(yǎng)護(hù)期施工動(dòng)載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，但現(xiàn)場(chǎng)確有混凝土強(qiáng)度不足即回填的現(xiàn)象。

2)混凝土抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的增長(zhǎng)公式[13]：

ft=f28·lg(t)/lg(28)。

(2)

式中f28為28 d的抗壓強(qiáng)度。

按式(2)計(jì)算，混凝土齡期與其28 d強(qiáng)度變化的近似曲線如圖9所示。由圖9可見： 混凝土第3 d抗壓強(qiáng)度為28 d強(qiáng)度的48%，即混凝土抗壓強(qiáng)度僅為19.2 MPa，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為1.6～1.9 MPa(抗拉強(qiáng)度按抗壓強(qiáng)度的1/12～1/10取值)；第10 d抗壓強(qiáng)度為28 d強(qiáng)度的69%，即混凝土抗壓強(qiáng)度僅為27.6 MPa，對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度為2.3～2.7 MPa。

圖9 混凝土齡期與28 d強(qiáng)度變化曲線圖

Fig. 9 Variation curve of concrete age with 28-day strength

3)在拱部回填壓實(shí)過程中，回填厚度在5 m以內(nèi)時(shí)，施工動(dòng)載對(duì)拱頂拉應(yīng)力的作用非常明顯，如圖10中的區(qū)域A。因此，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)不到位或過早實(shí)施回填施工時(shí)，因混凝土抗拉強(qiáng)度尚未達(dá)設(shè)計(jì)值，施工動(dòng)載會(huì)導(dǎo)致在拱部混凝土產(chǎn)生裂縫，尤其當(dāng)回填土石厚度僅1 m時(shí)(通常2 m以上壓實(shí)，2 m以下夯實(shí)；該案例工程施工中，1 m以上已采用壓路機(jī)壓實(shí))，填土自重及施工動(dòng)載作用下拱頂拉應(yīng)力已達(dá)1.58 MPa。

圖10 襯砌拱頂拉應(yīng)力曲線圖

4)通過對(duì)全隧施工過程的分析可判斷，進(jìn)口段50 m范圍內(nèi)，因工序未全部鋪展開，混凝土結(jié)構(gòu)與回填施工的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，混凝土養(yǎng)護(hù)周期較長(zhǎng)，因此回填施工并未導(dǎo)致明洞結(jié)構(gòu)拱部產(chǎn)生裂縫，伴隨全工序鋪開及施工進(jìn)度的加快，之后的混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短(對(duì)應(yīng)混凝土臨界抗壓強(qiáng)度值16～19 MPa)的情況下，立即實(shí)施回填施工，導(dǎo)致混凝土在回填土石自重與施工動(dòng)荷載作用下出現(xiàn)裂縫。因此，D1K122+730～D1K123+020段(即除進(jìn)口50 m外)拱部出現(xiàn)了大面積裂縫。

同時(shí)，由于施工中部分明洞段落邊墻回填采用回填土石替代混凝土，兩者密實(shí)度差別較大，回填土石段落對(duì)邊墻的約束減弱，在拱部回填土石及施工動(dòng)載作用下，邊墻向兩側(cè)產(chǎn)生更大的水平位移，因而拱部產(chǎn)生更大的豎向位移，導(dǎo)致拱部受拉加劇，使拱部裂縫呈現(xiàn)環(huán)向范圍的差異化現(xiàn)象。

4.2 結(jié)論

基于以上受力狀態(tài)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)吻合度較高的現(xiàn)狀，得出導(dǎo)致該明洞拱部裂縫的主因如下：

1)該明洞拱部裂縫寬度與回填厚度存在正相關(guān)性，裂縫寬度隨回填厚度增加而增大，最大裂縫寬度0.98 mm，出現(xiàn)在回填厚度15 m段落；

2)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度未達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度即實(shí)施回填施工及邊墻回填不密實(shí)是導(dǎo)致該明洞回填厚度大于5 m段落拱部產(chǎn)生裂縫的主因；

3)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)未納入施工動(dòng)載，也是回填厚度小于5 m段落拱部產(chǎn)生拉應(yīng)力進(jìn)而致裂的主因之一；基于回填壓實(shí)的必然性和分層厚度的隨機(jī)性，不能排除施工動(dòng)載對(duì)回填厚度大于5 m段落拱部產(chǎn)生拉應(yīng)力進(jìn)而致裂的影響。

5 結(jié)論與討論

通過對(duì)GD鐵路擴(kuò)改工程YY明洞結(jié)構(gòu)拱部裂縫的分析，得到預(yù)防同類裂縫的主要結(jié)論與討論如下：

1)設(shè)計(jì)方面。在明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),除進(jìn)行靜態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)計(jì)算外，需結(jié)合回填壓實(shí)設(shè)備和工作方式，包絡(luò)性納入施工動(dòng)載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)驗(yàn)算和界定動(dòng)載影響的回填厚度邊界；設(shè)計(jì)文件中，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土齡期和(或)強(qiáng)度指標(biāo)、回填物密實(shí)度的邊界予以說明；宜對(duì)施工工況的不利疊加對(duì)結(jié)構(gòu)特定部位的不利影響給予排除性提示。

2)施工方面。除執(zhí)行相關(guān)施工規(guī)范(規(guī)程、規(guī)定、指南)和驗(yàn)收規(guī)范外，一方面，要研究施工力學(xué)行為，以尊重但不迷信設(shè)計(jì)的科學(xué)精神認(rèn)真審核施工圖設(shè)計(jì)，檢漏查缺勘誤；另一方面，要特別關(guān)注和考量不同設(shè)備及其不同工作模式引起的施工動(dòng)載及其差異化影響，研究結(jié)構(gòu)混凝土齡期和部位與回填時(shí)機(jī)的契合，持續(xù)優(yōu)化施工流程，提高施工行為與設(shè)計(jì)的吻合度，避免稍有差池而不合理地承擔(dān)非己方責(zé)任。

3)建設(shè)管理方面。建設(shè)管理機(jī)構(gòu)宜著力提升專業(yè)能力，除應(yīng)就特殊結(jié)構(gòu)、特殊工程部位、特殊工況對(duì)設(shè)計(jì)提出檢算要求外，需規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)單位、施工圖審核單位、監(jiān)理單位書面意見的閉環(huán)管理；編制指導(dǎo)性施組應(yīng)具包容性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)施組的動(dòng)態(tài)管理與優(yōu)化； 1 m的回填厚度即采用重型壓路機(jī)靜壓、邊墻回填的差異化和不密實(shí)，實(shí)乃建設(shè)管理的明顯缺失。

4)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料無法確認(rèn)明洞仰拱(隧底)與拱墻結(jié)構(gòu)間縱向施工縫的規(guī)范性和有效性，故本論文未專事研究其對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響及對(duì)拱部裂縫產(chǎn)生的成因，但也無法排除其影響，下一步應(yīng)對(duì)其深入探討。

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