高速鐵路隧道襯砌開裂因素及整治對策研究

王 碩 閆 晶

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132001； 2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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高速鐵路隧道襯砌開裂因素及整治對策研究

王 碩1,2閆 晶1

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132001； 2.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

闡述了引起隧道襯砌開裂的相關(guān)因素，研究了襯砌裂縫的分布特征，從外力作用、施工工藝與質(zhì)量方面，分析了產(chǎn)生隧道襯砌混凝土裂縫的原因，提出了相應(yīng)的整治對策，對高速鐵路隧道襯砌裂縫的防治有一定意義。

隧道，襯砌裂縫，開裂原因，整治對策

近幾年來，中國的高速鐵路建設(shè)穩(wěn)定而有序的發(fā)展，隧道作為鐵路線路上的重要結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，其安全性將對列車的運(yùn)營產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，而關(guān)于隧道襯砌的多種病害中裂縫則是威脅結(jié)構(gòu)安全的常見病害。因此，對高速鐵路隧道襯砌裂縫開裂因素以及相應(yīng)整治技術(shù)的研究顯得十分必要。

伴隨國家經(jīng)濟(jì)的騰飛，我國的高鐵技術(shù)已經(jīng)處于世界的領(lǐng)先水平。近年以來，國內(nèi)的高鐵建設(shè)始終保持著快速而有序的發(fā)展，而這也同時(shí)帶來了一些工程質(zhì)量上的問題。以高速鐵路隧道為例，如果在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)中的任一環(huán)節(jié)存在缺陷就會(huì)對隧道的結(jié)構(gòu)造成質(zhì)量上的隱患，這其中隧道的襯砌裂縫是最常見的也是安全隱患較為嚴(yán)重的病害。裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展不僅會(huì)影響工程結(jié)構(gòu)的自身強(qiáng)度。同時(shí)，裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致隧道滲漏水現(xiàn)象的發(fā)生，特別是在地下水豐富且水質(zhì)有腐蝕性的情況下會(huì)對襯砌結(jié)構(gòu)造成非常大的危害。

高速鐵路隧道二次襯砌的開裂不論是處在何種地質(zhì)狀況下，都是一個(gè)廣泛存在并具有普遍性的長期問題，通常意義上講鐵路隧道在正常的運(yùn)營過程中二襯表面不同程度都會(huì)存在裂縫，所以在對鐵路隧道進(jìn)行相關(guān)理論研究時(shí)，其裂縫因素是必須考慮的問題，否則相關(guān)的研究所得到的結(jié)論將會(huì)有很大的局限性。運(yùn)營過程中由于二次襯砌上裂縫的存在將會(huì)改變襯砌在修建之初內(nèi)部的應(yīng)力場，尤其是對于裂縫的尖端部位，其附近的開裂面的應(yīng)力分布將變得更為復(fù)雜，此處應(yīng)力場將具有較大奇異性，在高應(yīng)力梯度場中混凝土材料將發(fā)生損傷，而這種損傷又帶有很大程度的連續(xù)性，所以需要詳細(xì)的展開對于二次襯砌裂縫開裂因素的系統(tǒng)研究。

本文意在通過對高速鐵路隧道襯砌引起開裂的相關(guān)因素的探討，從而研究襯砌裂縫的特征及引起襯砌開裂的主要原因，通過研究尋找整治對策，為隧道襯砌的開裂防治提供借鑒意義。

1 隧道襯砌開裂機(jī)理

1.1 開裂機(jī)理

從襯砌本身材料缺陷及施工缺陷上考慮，由于隧道襯砌在澆筑過程中不可避免會(huì)存在微孔洞和微缺陷，而這些孔洞、缺陷的存在就是初始微裂縫發(fā)生并發(fā)展的起源。在圍巖壓力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力逐漸增大，特別是在襯砌的某些部位諸如拱頂，由于澆筑不足夠等原因造成襯砌后背空洞等問題，會(huì)使襯砌產(chǎn)生拉力區(qū)，當(dāng)其抗拉壓強(qiáng)度超過其自身所能承受的拉壓強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)發(fā)生損傷出現(xiàn)微觀甚至宏觀裂縫，而這些缺陷在外力場和變形場的作用下，裂縫的尖端處由于應(yīng)力集中而成為高應(yīng)力區(qū)，這些區(qū)域的存在又將進(jìn)一步使已產(chǎn)生的缺陷發(fā)生進(jìn)一步的損傷。

從襯砌與圍巖的相互作用上考慮，山體內(nèi)部的地應(yīng)力作用于圍巖，圍巖將這部分荷載傳遞到二次襯砌上面，并且在各種地質(zhì)環(huán)境因素的作用下其隧道襯砌的裂縫開展可以假定為兩種力學(xué)破壞行為，分別是拉伸開裂以及由于達(dá)到極限抗壓強(qiáng)度而發(fā)生的破碎現(xiàn)象。在單軸拉伸的受力環(huán)境中，混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在達(dá)到破壞應(yīng)力前可以視作處于線彈性范圍之內(nèi)，此時(shí)該破壞時(shí)的應(yīng)力相當(dāng)于材料自身的微裂縫初始。當(dāng)經(jīng)過破壞應(yīng)力后，混凝土處于彈塑性范圍，此時(shí)出現(xiàn)的微裂縫多而密集并引起襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生局部的應(yīng)變變化。對于處在單軸壓縮受力環(huán)境下的襯砌結(jié)構(gòu)來講，在初始的屈服應(yīng)力之前可視作線彈性，隨著應(yīng)力的增大，當(dāng)出現(xiàn)塑性區(qū)時(shí)，此時(shí)襯砌的變形為應(yīng)變強(qiáng)化，超過其抗壓極限強(qiáng)度后表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，即發(fā)生較大的塑性變形。

從裂縫本身的形態(tài)方面考慮，在斷裂力學(xué)理論中按受力情況的不同，將裂縫分為三種基本類型，即張開型裂縫、剪切型裂縫以及撕開型裂縫。張開型裂縫是在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生方向垂直于裂縫面的裂縫形式，剪切型裂縫在垂直于裂縫前端而平行于裂縫面的剪應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的，撕開型裂縫則是在平行于裂縫前端并且平行于裂縫面的剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。當(dāng)然，對于實(shí)際的結(jié)構(gòu)物上的裂縫來講，其可能是張開型與剪切型相復(fù)合的裂縫形式，也可能是張開型，剪切型與撕開型三者相復(fù)合的裂縫形式?？梢约僭O(shè)三種裂縫形式分別相對應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K1，K2，K3以及斷裂韌性K1C,K2C,K3C。這時(shí)裂縫擴(kuò)展時(shí)的臨界條件和延伸方向與單一型裂縫的延展方向有所不同，判斷復(fù)合型裂縫是否穩(wěn)定可以應(yīng)用最大軸向拉應(yīng)力理論，應(yīng)變能密度理論以及最大能量釋放率理論。

1.2 裂縫平均寬度計(jì)算

通常情況下，混凝土的平均拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于鋼筋拉應(yīng)變，可忽略不計(jì)。故而裂縫平均寬度計(jì)算可簡化為：

2 襯砌裂縫分布特征

1)裂縫寬度沿截面發(fā)生顯著變化，襯砌表面的裂縫寬度最大，裂縫表面是一個(gè)規(guī)則的曲面。2)鋼筋表層的界面裂縫寬度較小，鋼筋與混凝土相對的滑移量較小。3)襯砌的受拉區(qū)裂縫除襯砌表面寬度較大的主裂縫外，還有產(chǎn)生于鋼筋肋處延伸出的內(nèi)部斜裂縫，其在鋼筋界面附近產(chǎn)生，隨著鋼筋應(yīng)力的增大，內(nèi)裂縫的數(shù)量增多，間距密且向外延伸。4)對于貫通性裂縫，其特征為外寬內(nèi)窄，而襯砌表層與內(nèi)部的應(yīng)變差是引起這一現(xiàn)象的根本原因。

3 開裂原因

隧道襯砌混凝土裂縫種類主要有：由于混凝土自身在硬化過程中水分蒸發(fā)引起干縮產(chǎn)生的裂縫，受到溫度應(yīng)力的影響產(chǎn)生的裂縫以及外荷載(諸如圍巖壓力)作用下產(chǎn)生的變形裂縫等，究其原因主要有以下幾方面。

3.1 外力作用方面

外力作用是指由于地質(zhì)環(huán)境作用以及圍巖隨時(shí)間發(fā)生的變形作用在襯砌上的荷載。

1)松弛作用。由于巖體風(fēng)化和地下水的作用使得圍巖強(qiáng)度弱化以及澆筑混凝土不足使得拱頂產(chǎn)生空洞等原因造成，圍巖松弛會(huì)隨時(shí)間逐年發(fā)展，在拱頂沿隧道縱向產(chǎn)生張開型裂縫，如果拱頂后背空洞較大則圍巖隨時(shí)間的變化中由于松弛產(chǎn)生剝離而掉落的巖塊對襯砌形成沖擊作用，過強(qiáng)的沖擊作用會(huì)使二次襯砌發(fā)生較大的變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生諸如崩塌等現(xiàn)象。

2)偏壓的作用。在一些特殊的地質(zhì)地貌及施工環(huán)境下，諸如隧道建址在山腳處，地質(zhì)褶皺以及傾斜性地貌等情況下，圍巖會(huì)產(chǎn)生傾斜。另外諸如洞頂山體覆土填挖方或者地下水位的升降，都會(huì)形成偏壓力，即使洞身承受的偏壓力不大也會(huì)使襯砌產(chǎn)生裂縫，其裂縫特點(diǎn)是：近山體側(cè)拱肩部產(chǎn)生平行于洞身走向的開裂，遠(yuǎn)側(cè)的拱肩部則產(chǎn)生龜甲形狀的開裂，接縫處發(fā)生錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

3)膨脹性土質(zhì)產(chǎn)生的土壓力。膨脹性土壓力是由于含有黏土礦物質(zhì)的圍巖產(chǎn)生體積膨脹所引起的附加應(yīng)力，其中圍巖產(chǎn)生的一部分塑性變形也是由于附加應(yīng)力的作用。此種土壓力隨時(shí)間的增長而增長，并保持很長時(shí)間，是危害比較大的作用力，它的存在將會(huì)引起隧道邊墻與拱肩部水平向的開裂，有接縫處依然會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，拱頂后背存在空洞時(shí)會(huì)有局部壓潰的現(xiàn)象發(fā)生。

4)地下水產(chǎn)生的作用力。地下水產(chǎn)生的作用力包括地下水壓力以及寒冷天氣中對圍巖造成的凍脹力，一般情況下隧道設(shè)計(jì)中并不著意考慮地下水對于圍巖的作用力影響，但是在涌水巨大，滲透性較高的地區(qū)中很有可能會(huì)因?yàn)榕潘煌〞扯顾畨毫Τ掷m(xù)作用在圍巖上使其長時(shí)間處于極限平衡狀態(tài)，而引起襯砌的開裂，一般出現(xiàn)水平狀裂縫以及環(huán)向裂縫。特別是在寒冷地區(qū)襯砌后背的地下水結(jié)冰進(jìn)而圍巖凍結(jié)而產(chǎn)生的凍脹力，這種凍脹力的作用依然是持續(xù)的，其變形也是逐步積累，凍脹力使得拱下部至邊墻的范圍內(nèi)產(chǎn)生主動(dòng)土壓力引起拱頂附近局部范圍內(nèi)產(chǎn)生壓潰現(xiàn)象。

5)溫度應(yīng)力作用。隧道襯砌的混凝土澆筑完成后發(fā)生干縮、凝縮以及溫縮引起襯砌對其的約束反力作用，由于混凝土的抗壓性能優(yōu)于抗拉性能，當(dāng)溫度上升時(shí)混凝土膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)溫度下降范圍超過7 ℃～10 ℃時(shí)，混凝土難以抵抗由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力而出現(xiàn)沿洞身方向的環(huán)向開裂。

6)不均勻下沉引起的作用力。如果隧道的仰拱與邊墻相交部位的承載力不足則會(huì)引起隧道的不均勻沉降，沿洞身的方向發(fā)生沉降時(shí)，隧道襯砌邊墻的接地部位將發(fā)生垂直向的開裂，并逐漸延伸成環(huán)向，轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)向開裂，當(dāng)在隧道的橫截面方向發(fā)生沉降時(shí)，將在拱頂部發(fā)生縱向開裂。

3.2 施工工藝與質(zhì)量方面

1)施工技術(shù)條件限制。由于施工技術(shù)不先進(jìn)，施工企業(yè)的管理松散等原因造成施工質(zhì)量缺陷，諸如施工配合比控制不嚴(yán)謹(jǐn)，水灰比過大，澆筑質(zhì)量以及振搗質(zhì)量不佳造成襯砌后背空洞，振搗不密實(shí)混凝土內(nèi)外部氣孔過多造成蜂窩麻面引發(fā)質(zhì)量不良等。另外澆筑時(shí)混凝土模板不平順導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸形狀差異引起受力不良，出現(xiàn)裂縫，造成承載能力降低。

2)施工組織不當(dāng)。由于施工組織不當(dāng)，引起機(jī)械開挖時(shí)的超欠挖，施工過程中各工序銜接不夠緊密導(dǎo)致成環(huán)不及時(shí)都會(huì)使拱頂部和拱腰處出現(xiàn)裂縫。

4 整治對策

當(dāng)裂縫寬度小于0.5mm時(shí)，裂縫無明顯的錯(cuò)動(dòng)以及無滲漏等現(xiàn)象發(fā)生，不影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用，故可采用直接涂抹法封縫；當(dāng)裂縫長度小于5m時(shí)，寬度在0.5mm～3mm之間時(shí)，如果此時(shí)裂縫范圍較小，數(shù)量不多時(shí)，可采用鑿槽嵌補(bǔ)法進(jìn)行整治；寬度在3mm～5mm之間時(shí)，裂縫有明顯的剪力錯(cuò)動(dòng)和滲漏現(xiàn)象，這時(shí)可采用騎縫注漿的方法進(jìn)行整治；當(dāng)裂縫長度為5m～10m，寬度大于5mm時(shí)，若存在偏壓，襯砌厚度不足等情況時(shí)可采用碳纖維加固的方法進(jìn)行整治；當(dāng)裂縫長度大于10m且寬度大于5mm時(shí)，如存在襯砌后背空洞等情況可采用錨固注漿法進(jìn)行襯砌加固。

[1] 李固華，郭建國.隧道襯砌裂縫和滲漏的成因、預(yù)防及治理[J].鐵道建筑，2003(1):23-25.

[2] 黃新社.隧道襯砌裂縫及滲漏水治理技術(shù)[J].隧道建設(shè),2006,26(3):32-35.

[3] 羅 勇.隧道襯砌開裂機(jī)理及控制方法研究[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

[4] 陳東柱.高速鐵路隧道襯砌裂縫病害及其整治措施研究[D].長沙：中南大學(xué),2012.

Study on lining cracking and treatment countermeasures of high speed railway tunnel

Wang Shuo1,2Yan Jing1

(1.JilinRailwayTechnologyCollege,Jilin132001,China；2.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

This paper elaborated the related factors caused tunnel lining cracking, researched the distribution characteristics of lining crack, from the external force, construction technology and quality aspects, analyzed the causes of tunnel lining concrete cracks, proposed corresponding control countermeasures, had certain significance for high-speed rail tunnel lining crack control.

tunnel, lining crack, cracking reason, control countermeasure

1009-6825(2016)05-0203-02

2015-11-25

王 碩(1984- )，男，助教，在讀碩士

U457.2

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