公路隧道襯砌縱向及斜向裂縫形成機理探討

黃云

摘要：襯砌裂縫是公路隧道比較常見的病害，也是影響隧道結(jié)構(gòu)性能與安全的主要病害之一。文章從公路隧道襯砌裂縫現(xiàn)狀出發(fā)，總結(jié)已有研究成果，并通過建立數(shù)值力學(xué)模型，探究縱向裂縫及斜向裂縫的形成機理。

關(guān)鍵詞：公路隧道;襯砌裂縫;形成機理

Highway tunnel;Lining crack;Formation mechanism

0 引言

廣西山區(qū)多，在高速公路修建過程中產(chǎn)生了大量的隧道工程。由于地質(zhì)水文條件、設(shè)計施工、自然災(zāi)害等不利因素的影響，隧道在運營過程中會出現(xiàn)不同程度的病害，其中襯砌裂縫是影響隧道結(jié)構(gòu)性能與安全的主要病害之一，而襯砌裂縫的形成是多種復(fù)雜因素相互作用的結(jié)果，不同類型的裂縫，形成機理也不同，盲目地采用處治方案，不僅達不到維修加固的效果，還可能錯過最佳的處治時期，造成更大的損失。本文在廣泛調(diào)查廣西多條高速公路隧道襯砌開裂情況的基礎(chǔ)上，分析了縱向裂縫或斜裂縫的形成機理，可為隧道工作者在減少或避免襯砌裂縫方面提供參考，其應(yīng)用于已建或在建的公路隧道中，有利于延長廣西區(qū)公路隧道的使用壽命，保障隧道施工運營的安全性、經(jīng)濟性。

1 隧道襯砌裂縫成因

公路隧道襯砌裂縫的形成是多種復(fù)雜因素相互作用的結(jié)果，這些影響因素中不僅包括前期的各種設(shè)計施工缺陷，還包括運營期間的各種自然災(zāi)害、變異、材料劣化等。對此，王建秀等[1]對云南三公箐隧道裂縫進行實測，指出混凝土溫度、不均勻沉降、偏壓荷載及施工工序不合理是導(dǎo)致襯砌裂縫的主要成因;嚴(yán)中、王飛[2]對某公路隧道洞口段襯砌裂縫進行了現(xiàn)場調(diào)查，推斷偏壓及混凝土收縮變形是導(dǎo)致襯砌開裂的主要因素;豐權(quán)章等[3]認為襯砌裂縫的產(chǎn)生主要受材料、溫度、受力、施工4方面的不利因素影響;宋瑞剛等[4]認為導(dǎo)致襯砌裂損的主要原因有兩大類，外因是外部圍巖條件發(fā)生變化，內(nèi)因是襯砌結(jié)構(gòu)本身存在缺陷;黃友林、吳連波[5]等認為偏壓、不均勻沉降、地下水作用及施工等不利因素是導(dǎo)致隧道襯砌開裂的主要原因。綜上，目前認為隧道襯砌裂縫形成的主要原因有：

（1）外荷載的直接應(yīng)力引起的裂縫;（2）變形變化引起的裂縫;（3）溫度變化引起的裂縫;（4）結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫;（5）地質(zhì)、勘察設(shè)計、施工環(huán)境等其他因素。

2 隧道襯砌裂縫形態(tài)及分布調(diào)研

根據(jù)裂縫形態(tài)與隧道的關(guān)系，可以將裂縫分為縱向裂縫（裂縫的發(fā)育大體上沿著隧道走向）、環(huán)向裂縫（裂縫的發(fā)育大體上沿著隧道的環(huán)向）、斜向裂縫（裂縫的發(fā)育與縱向成一定角度發(fā)育）、網(wǎng)狀裂縫等。

根據(jù)廣西公路隧道襯砌裂縫現(xiàn)狀的調(diào)查結(jié)果可知，裂縫形態(tài)主要有環(huán)向裂縫、縱向裂縫及斜裂縫三類，其中環(huán)向裂縫分布較為普遍，多分布在施工縫處，施工縫之間也有環(huán)向裂縫分布，不過經(jīng)過證實其中很多都只是防火涂料開裂，襯砌并未開裂;縱向裂縫多發(fā)生在拱頂及邊墻部位，縱向裂縫的發(fā)育多與溫度、混凝土本身的收縮徐變、施工縫、沉降縫等因素有關(guān);斜向裂縫多發(fā)生在邊墻檢修道上方，這些斜向裂縫往往具有貫穿性，尤其是對于尚在發(fā)展的斜裂縫，需要引起足夠重視。

3 縱向裂縫及斜向裂縫形成機理分析

為探究縱向裂縫、斜向裂縫及組合形態(tài)裂縫形成的機理，選取受力、沉降、溫度作為外部變化條件，并結(jié)合數(shù)值試驗及理論手段進行定性分析，研究襯砌裂縫發(fā)展的規(guī)律與趨勢。

3.1 荷載受力分析

一般情況下，隧道襯砌可簡化為平面應(yīng)變模式，但由于混凝土材料存在泊松比，其在縱向上也存在較大受力，復(fù)雜的受力模式會誘發(fā)多種形式的裂縫形態(tài)。采用MIDAS/GTS軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)三維模型，定性探究受力對隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的影響。選取如下三種工況：工況一，隧道襯砌承受規(guī)范規(guī)定的荷載，在縱向均勻分布;工況二，隧道襯砌兩端承受規(guī)范規(guī)定的荷載，中部承受為規(guī)范值2倍的荷載;工況三，隧道襯砌承受規(guī)范規(guī)定的荷載，中部局部地段承受一個很大的集中荷載。其中規(guī)范荷載為：豎向荷載q=150 kPa，水平荷載e=50 從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，受力不均勻或局部存在集中力時，其縱向應(yīng)力明顯不同。集中荷載存在時，在集中荷載周邊存在較大的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力區(qū)間。隧道襯砌中部存在較大荷載時，受力較大處縱向拉應(yīng)力較大，且分布不均勻。隧道受力的不均勻，使得其在隧道縱向上具有復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，多會形成環(huán)向裂縫或縱向裂縫。

一般情況下，隧道襯砌是環(huán)向受力構(gòu)件，工程實踐中，由于施工過程中對施工縫處理不當(dāng)，造成施工縫處襯砌脫開，隧道縱向長度與環(huán)向?qū)挾鹊谋壤郎p小，隧道襯砌結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)雙向受力狀態(tài)，在隧道縱向也會因荷載產(chǎn)生很大的縱向應(yīng)力?？v向應(yīng)力與其他多種原因產(chǎn)生的共同的應(yīng)力組合，可能造成環(huán)向裂縫、斜向裂縫等多種裂縫形態(tài)。

3.2 沉降分析

當(dāng)隧道在縱向上呈現(xiàn)不均勻沉降時，其對隧道的受力狀態(tài)會產(chǎn)生不同的影響。采用MIDAS/GTS軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)三維模型，共分析三種工況：工況一，隧道采用有仰拱形式，數(shù)值模型中部的彈簧抗力系數(shù)采用50 MPa，其余段落采用250 MPa;工況二，隧道采用有仰拱形式，在數(shù)值模型中，中部兩側(cè)一點范圍內(nèi)基底抗力系數(shù)分別采用50 MPa和25 MPa，其余段落采用250 MPa;工況三，隧道采用無仰拱形式，中部兩側(cè)一點范圍內(nèi)基底抗力系數(shù)分別采用50 MPa和25 MPa，其余段落采用250 MPa。由于中部彈簧抗力系數(shù)較小，中部將產(chǎn)生較大的變形和沉降。豎向荷載采用150 kPa，水平荷載采用50 kPa。僅用受壓彈簧作為邊界條件，數(shù)值試驗?zāi)Ｐ鸵妶D3。

從圖4（a）圖可以發(fā)現(xiàn)，在中部沉降后，除了沉降區(qū)外，沉降區(qū)附近也將產(chǎn)生較大的縱向應(yīng)力。中部沉降區(qū)內(nèi)側(cè)在環(huán)向有較大的縱向壓應(yīng)力，外側(cè)有較大的拉應(yīng)力。沉降區(qū)附近內(nèi)側(cè)有較大的拉應(yīng)力，外側(cè)有較大的壓應(yīng)力，且呈現(xiàn)傾斜趨勢。

從圖4（b）圖可以發(fā)現(xiàn)，在中部兩側(cè)沉降后，隧道底板的應(yīng)力變化最為明顯，在沉降區(qū)內(nèi)側(cè)底板承受較大的壓應(yīng)力，外側(cè)承受較大的拉應(yīng)力。在沉降區(qū)兩側(cè)，內(nèi)表面承受較大的拉應(yīng)力，外表面承受較大的壓應(yīng)力。

從圖4（c）圖可以發(fā)現(xiàn)，在仰拱兩側(cè)出現(xiàn)沉降后，無仰拱區(qū)的受力與有仰拱的工況二明顯不同，沉降區(qū)應(yīng)力影響最大的區(qū)域比較集中，應(yīng)力等值線呈傾斜趨勢，且內(nèi)外側(cè)應(yīng)力都為拉應(yīng)力，呈現(xiàn)出明顯的拉剪破壞特點。

隧道不均勻沉降對隧道襯砌的影響是一個復(fù)雜的過程，除了與沉降區(qū)的分布有關(guān)外，還與隧道是否設(shè)置仰拱及伸縮縫位置等有關(guān)。沉降引起的裂縫形態(tài)復(fù)雜，一般都有環(huán)向裂縫、斜向裂縫和縱向裂縫。隧道襯砌沉降后，通常先產(chǎn)生一種類型的裂縫，由于襯砌應(yīng)力重分布，以及裂縫的進一步發(fā)展，隧道襯砌會產(chǎn)生多種形態(tài)的裂縫。地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工的誤差、襯砌及變形縫的設(shè)置不合理等都可能引起沉降，進而誘發(fā)裂縫發(fā)展。

3.3 溫度分析

溫度場在隧道進出口分布是極不均勻的，但是在隧道深處，溫度場在整個隧道襯砌范圍內(nèi)分布較為均勻。鑒于隧道通常在縱向上有變形縫及施工縫，將數(shù)值試驗?zāi)Ｐ秃喕癁橐画h(huán)向?qū)嶓w襯砌，襯砌與圍巖之間相互作用，采用只受壓的法向彈簧和切向彈簧進行模擬，數(shù)值試驗?zāi)Ｐ鸵妶D5。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，襯砌結(jié)構(gòu)整體降溫后襯砌中部環(huán)向區(qū)域出現(xiàn)較大的縱向拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力最大達700 kPa;襯砌整體升溫后，在襯砌結(jié)構(gòu)的兩端存在縱向拉應(yīng)力，中部存在縱向壓應(yīng)力，拉壓應(yīng)力較大，最大達820 kPa。

隧道結(jié)構(gòu)表層通常會涂刷一定厚度的防火涂料，防火涂料雖然具有防火性能，但是其抗拉、抗壓強度相對于混凝土來說極低，通常防火涂料的粘結(jié)強度<150 kPa，抗壓強度基本在500 kPa以下。由于溫度場的作用，溫度在縱向上的應(yīng)力，很容易達到防火涂料的開裂應(yīng)力，在多次受到溫度差作用后，防火涂料表層會生成多種裂縫。根據(jù)裂縫調(diào)查結(jié)果，很多裂縫并未完全發(fā)育到襯砌結(jié)構(gòu)，通常僅在防火涂料范圍內(nèi)發(fā)育，這些裂縫通常不對襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成實質(zhì)性影響。

裂縫的形態(tài)往往呈現(xiàn)復(fù)雜多樣性，是多種因素共同作用的結(jié)果。除了外力、不均勻沉降、溫度等因素外，裂縫的發(fā)展過程也是造成襯砌多種裂縫形態(tài)的重要原因?；炷灵_裂后，襯砌應(yīng)力將發(fā)生重分布，裂縫逐步由開裂區(qū)向非開裂區(qū)發(fā)展，在發(fā)展的過程中逐步形成多種多樣的裂縫形態(tài)，這也是一種裂縫形態(tài)會伴隨有其他裂縫形態(tài)的重要原因。同時，混凝土施工后的各種缺陷及其各項特性也會造成隧道襯砌產(chǎn)生多種裂縫形態(tài)。

4 結(jié)語

（1）隧道受力不均勻，多會形成環(huán)向裂縫或縱向裂縫。

（2）隧道不均勻沉降引起的裂縫形態(tài)復(fù)雜，通常先產(chǎn)生一種類型的裂縫，由于襯砌應(yīng)力重分布及裂縫的進一步發(fā)展，繼而產(chǎn)生多種形態(tài)的裂縫。

（3）溫度變化多會形成環(huán)向裂縫，但大部分裂縫僅在防火涂料范圍內(nèi)發(fā)育，通常不對襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成實質(zhì)性影響。

參考文獻：

[1]王建秀，朱合華，唐益群，等.雙連拱公路隧道裂縫成因及防治措施[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（2）：195-202.

[2]嚴(yán) 中，王 飛.公路隧道襯砌裂縫處治技術(shù)研究[J].公路隧道，2016（1）：31-34.

[3]豐權(quán)章，董曉明，張素磊.公路隧道襯砌裂縫成因及其防治措施研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2010（8）：257-258.

[4]宋瑞剛，張頂立，伍 冬，等.隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損機理及定量評估[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2010，34（4）：22-26，35.

[5]黃友林，吳連波.公路隧道襯砌開裂和滲漏水的分析及防治[J].公路交通技術(shù)，2008（1）：115-117，124.