公路隧道二次襯砌裂縫的成因及其對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響

摘要：對(duì)于初期支護(hù)的設(shè)計(jì)，業(yè)界現(xiàn)在已達(dá)成比較一致的看法，換句話說，在相同的開挖斷面、相似的地質(zhì)條件下初期支護(hù)設(shè)計(jì)都是大同小異的。但對(duì)于二次襯砌的厚度、是否需要配筋的看法則有很大的不同。而二次襯砌直接關(guān)系到開挖斷面的大小和工程造價(jià)。公路隧道混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)是不可避免的，而裂縫的出現(xiàn)將迅速的加快其腐蝕劣化過程。本文首先對(duì)隧道襯砌構(gòu)件裂縫的成因及其對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的影響進(jìn)行了分析。然后結(jié)合某次靜力實(shí)驗(yàn)裂縫觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果，根據(jù)建立的隸屬度函數(shù)對(duì)裂縫諸因素的隸屬度進(jìn)行了計(jì)算，并運(yùn)用最大隸屬度原則對(duì)裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的影響程度進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：裂縫 公路隧道 二次襯砌 耐久性 隸屬度函數(shù)

公路隧道工程由于其工作環(huán)境的特殊性，如侵蝕性地下水的滲漏、汽車尾氣產(chǎn)生的有害氣體的侵蝕等，均會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)混凝土腐蝕及鋼筋銹蝕等多種病害產(chǎn)生。在影響耐久性的因素中，裂縫起著主要的作用。裂縫的出現(xiàn)將迅速加快以上的腐蝕過程，使隧道結(jié)構(gòu)未達(dá)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期即需大修，既浪費(fèi)了大量資金，又影響隧道的正常使用，縮短了隧道的維護(hù)周期和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅隧道內(nèi)行車的安全。

而長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下結(jié)構(gòu)的耐久性研究嚴(yán)重不足，研究裂縫對(duì)襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性影響規(guī)律的文獻(xiàn)更是寥寥無幾。因此有必要針裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的影響開展定量研究，為公路隧道的耐久性評(píng)定及加固維護(hù)提供必要參考。

為此，本文針對(duì)裂縫對(duì)公路隧道結(jié)構(gòu)的耐久性影響相關(guān)問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)研究。論文首先對(duì)公路隧道結(jié)構(gòu)裂縫的成因及其對(duì)管片結(jié)構(gòu)耐久性的影響進(jìn)行了分析，然后采用模糊集理論（Fuzzy set theory）研究、評(píng)價(jià)了了裂縫的寬度、長(zhǎng)度、方向和密度等因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性損傷度的單獨(dú)和綜合影響。

1 二次襯砌裂縫的成因

隧道施工中，因受現(xiàn)場(chǎng)管理和客觀因素和的影響，變形形式及對(duì)工程影響的大小不同，隧道二次襯砌混凝土裂縫類型常見幾種類型有:干縮裂縫、溫度裂縫、因外力作用造成的變形裂縫、施工處理不當(dāng)引起的施工縫、混凝土徐變?cè)斐傻牧芽p等。

干縮裂縫：所謂干縮裂縫是指由于水分蒸發(fā)造成混凝土干縮產(chǎn)生變形從而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫。此外，混凝土在硬化過程中，受圍巖和模板的約束而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。因此，干縮裂縫多為表面性。影響混凝土干縮裂縫的因素主要有:水泥品種、水灰比、骨料級(jí)配、外加劑品種和摻量等。

溫度裂縫：混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，其線膨脹系數(shù)一般為1×10-5/℃。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土內(nèi)部和表面間形成溫差而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土內(nèi)外的約束力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。

外力作用造成的變形裂縫：結(jié)構(gòu)混凝土受荷后產(chǎn)生裂縫的因素很多，例如早期受震、拆摸過早或方法不當(dāng)、仰拱和邊墻基礎(chǔ)的虛碴未清理干凈、混凝土澆筑后，基底產(chǎn)生不均勻沉降等。在荷載作用下往往出現(xiàn)不同程度的裂縫。

施工縫(接茬縫)：施工過程中由于停電、機(jī)械故障等原因造成混凝土澆筑中斷時(shí)間超過混凝土的初凝時(shí)間，而沒有進(jìn)行鑿毛處理，接縫處沒有設(shè)置連接筋，或者沒有鋪水泥砂漿墊層，就在原混凝土表面澆筑混凝土，致使新舊混凝土接茬間出現(xiàn)裂縫。

混凝土徐變：混凝土徐變?cè)斐砷_裂或裂縫發(fā)展的例子也很常見。主要是截面混凝土受壓徐變，致使混凝土變形增加2～3倍；因徐變產(chǎn)生較大的應(yīng)力損失，降低了混凝土的抗裂性能，以至于產(chǎn)生徐變裂縫。

總之，混凝土裂縫形成的原因非常復(fù)雜，往往是多種不利因素綜合作用的結(jié)果。但大多還是現(xiàn)場(chǎng)施工工藝或現(xiàn)場(chǎng)操作不規(guī)范造成的。

2 裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的影響

一般來說，裂縫的出現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性的影響主要有以下三個(gè)方面：①使結(jié)構(gòu)剛度軟化出現(xiàn)大的變形。如果混凝土出現(xiàn)裂縫，將有部分混凝土退出工作，從而減弱構(gòu)件剛度，影響結(jié)構(gòu)的正常使用；②影響外觀：隨著裂縫的發(fā)展致使混凝土構(gòu)件外表裝飾層脫落；③加快混凝土材料的裂化和和內(nèi)部鋼筋的腐蝕。加速構(gòu)件抗力劣化，出現(xiàn)承載力不足安全性破壞。相比之下，筆者認(rèn)為前兩者對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的影響不大，應(yīng)主要考慮裂縫對(duì)混凝土腐蝕和內(nèi)部鋼筋腐蝕的影響。

襯砌內(nèi)側(cè)（通道內(nèi)）裂縫的出現(xiàn)，則會(huì)使CO2更容易向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，加快了砼的碳化。同時(shí)，裂縫增大了混凝土的滲透性（裂縫中水的滲流與其開度近似成立方關(guān)系），另外混凝土裂隙壁對(duì)溶液中的離子有較強(qiáng)的吸附作用，相當(dāng)為離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散提供了較為穩(wěn)定和較高的表面濃度。因此，襯砌外側(cè)（與土壤地下水直接接觸）裂縫的出現(xiàn)，會(huì)加劇侵蝕性離子在襯砌中的侵入過程。另外，裂縫的出現(xiàn)，相當(dāng)于減小了混凝土“保護(hù)層”的厚度，也縮短了外界腐蝕介質(zhì)達(dá)到鋼筋表面所需要的時(shí)間，因而也加速了襯砌混凝土的劣化。因此，裂縫的出現(xiàn)會(huì)加速襯砌混凝土的碳化和腐蝕過程，加速鋼筋表面鈍化膜的脫鈍，進(jìn)而加快鋼筋的銹蝕。

而襯砌鋼筋銹蝕產(chǎn)物的膨脹作用和混凝土腐蝕又會(huì)引起自身開裂。因此，裂縫加劇腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展，同時(shí)腐蝕作用又進(jìn)一步增加了裂縫的數(shù)量，加大了裂縫的寬度，更進(jìn)一步加劇了腐蝕的發(fā)展。這樣，循環(huán)往復(fù)形成了一種惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)由于耐久性不足引起的失效。圖(1)給出了襯砌結(jié)構(gòu)中裂縫與腐蝕的相互關(guān)系。

就結(jié)構(gòu)整體而言，除脹裂裂縫外，一般的裂縫對(duì)腐蝕發(fā)展和影響不很嚴(yán)重。但是，應(yīng)該注意的是在裂縫的初期，裂縫對(duì)區(qū)域腐蝕的發(fā)展還是相當(dāng)顯著的，只是隨著時(shí)間的推移，這種影響逐漸減弱。實(shí)質(zhì)上，裂縫對(duì)腐蝕的影響不能簡(jiǎn)單定論，它是與眾多因素有關(guān)的一個(gè)復(fù)雜問題。評(píng)價(jià)裂縫的影響，應(yīng)該綜合考慮裂縫的成因、寬度、長(zhǎng)度、位置、方向和分布密度等因素的影響。

3 裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性影響的模糊評(píng)價(jià)

由于襯砌砼內(nèi)部裂縫難以觀測(cè)，因此筆者擬僅研究其表面裂縫寬度、長(zhǎng)度、方向和密度等因素的影響，顯然這些因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性的影響是難以給出精確描述和定義，因而具有模糊性。一方面，直接影響鋼筋銹蝕的裂縫是鋼筋表面裂縫而非砼表面裂縫，它們之間并且無明確的關(guān)系。另外，裂縫諸因素對(duì)襯砌構(gòu)件的耐久性損傷并不能規(guī)定一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)來判定，因此描述其耐久性損傷的語言具有模糊性。因此，適合用模糊數(shù)學(xué)方法來評(píng)價(jià)裂縫諸因素對(duì)管片結(jié)構(gòu)耐久性損傷。鑒于此，筆者擬通過分別構(gòu)建模糊隸屬度函數(shù)以評(píng)價(jià)裂縫寬度、長(zhǎng)度、方向和密度等因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性損傷，并運(yùn)用最大隸屬度原則對(duì)以上因素對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性損傷進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

以上因素對(duì)混凝土耐久性損傷影響的模糊隸屬度函數(shù)的確定應(yīng)該通過模糊統(tǒng)計(jì)分析得出，在缺少大量統(tǒng)計(jì)資料的情況下，可按照部分調(diào)查和實(shí)驗(yàn)結(jié)果及專家經(jīng)驗(yàn)確定。這樣，通過對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)側(cè)襯砌或模型試驗(yàn)（靜、動(dòng)力試驗(yàn)和土壤環(huán)境下腐蝕試驗(yàn)）中襯砌砼表面裂縫進(jìn)行觀測(cè)、統(tǒng)計(jì)，即可以掌握裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性影響狀況，又為隧道的加固維修提供參考。