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，也是影響隧道結構性能與安全的主要病害之一。文章從公路隧道襯砌裂縫現狀出發，總結已有研究成果，并通過建立數值力學模型，探究縱向裂縫及斜向裂縫的形成機理。

關鍵詞：公路隧道;襯砌裂縫;形成機理

Highway tunnel;Lining crack;Formation mechanism

0 引言

廣西山區多，在高速公路修建過程中產生了大量的隧道工程。由于地質水文條件、設計施工、自然災害等不利因素的影響，隧道在運營過程中會出現不同程度的病害，其中襯砌裂縫是影響隧道結構性能與安全的主要病害之一，而襯砌裂縫的形成是多種復雜因素相互作用的結果，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。本文在廣泛調查廣西多條高速公路隧道襯砌開裂情況的基礎上，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，其應用于已建或在建的公路隧道中，有利于延長廣西區公路隧道的使用壽命，保障隧道施工運營的安全性、經濟性。

1 隧道襯砌裂縫成因

公路隧道襯砌裂縫的形成是多種復雜因素相互作用的結果，這些影響因素中不僅包括前期的各種設計施工缺陷，還包括運營期間的各種自然災害、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致襯砌裂縫的主要成因;嚴中、王飛[2]對某公路隧道洞口段襯砌裂縫進行了現場調查，推斷偏壓及混凝土收縮變形是導致襯砌開裂的主要因素;豐權章等[3]認為襯砌裂縫的產生主要受材料、溫度、受力、施工4方面的不利因素影響;宋瑞剛等[4]認為導致襯砌裂損的主要原因有兩大類，外因是外部圍巖條件發生變化，內因是襯砌結構本身存在缺陷;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）結構次應力引起的裂縫;（5）地質、勘察設計、施工環境等其他因素。

2 隧道襯砌裂縫形態及分布調研

根據裂縫形態與隧道的關系，可以將裂縫分為縱向裂縫（裂縫的發育大體上沿著隧道走向）、環向裂縫（裂縫的發育大體上沿著隧道的環向）、斜向裂縫（裂縫的發育與縱向成一定角度發育）、網狀裂縫等。

根據廣西公路隧道襯砌裂縫現狀的調查結果可知，裂縫形態主要有環向裂縫、縱向裂縫及斜裂縫三類，其中環向裂縫分布較為普遍，多分布在施工縫處，施工縫之間也有環向裂縫分布，不過經過證實其中很多都只是防火涂料開裂，襯砌并未開裂;縱向裂縫多發生在拱頂及邊墻部位，縱向裂縫的發育多與溫度、混凝土本身的收縮徐變、施工縫、沉降縫等因素有關;斜向裂縫多發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，并結合數值試驗及理論手段進行定性分析，研究襯砌裂縫發展的規律與趨勢。

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，復雜的受力模式會誘發多種形式的裂縫形態。采用MIDAS/GTS軟件建立荷載-結構三維模型，定性探究受力對隧道襯砌裂縫產生的影響。選取如下三種工況：工況一，隧道襯砌承受規范規定的荷載，在縱向均勻分布;工況二，隧道襯砌兩端承受規范規定的荷載，中部承受為規范值2倍的荷載;工況三，隧道襯砌承受規范規定的荷載，中部局部地段承受一個很大的集中荷載。其中規范荷載為：豎向荷載q=150 kPa，水平荷載e=50 從圖2中可以發現，受力不均勻或局部存在集中力時，其縱向應力明顯不同。集中荷載存在時，在集中荷載周邊存在較大的拉應力或壓應力區間。隧道襯砌中部存在較大荷載時，受力較大處縱向拉應力較大，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雜的應力狀態，多會形成環向裂縫或縱向裂縫。

一般情況下，隧道襯砌是環向受力構件，工程實踐中，由于施工過程中對施工縫處理不當，造成施工縫處襯砌脫開，隧道縱向長度與環向寬度的比例減小，隧道襯砌結構將呈現雙向受力狀態，在隧道縱向也會因荷載產生很大的縱向應力。縱向應力與其他多種原因產生的共同的應力組合，可能造成環向裂縫、斜向裂縫等多種裂縫形態。

3.2 沉降分析

當隧道在縱向上呈現不均勻沉降時，其對隧道的受力狀態會產生不同的影響。采用MIDAS/GTS軟件建立荷載-結構三維模型，共分析三種工況：工況一，隧道采用有仰拱形式，數值模型中部的彈簧抗力系數采用50 MPa，其余段落采用250 MPa;工況二，隧道采用有仰拱形式，在數值模型中，中部兩側一點范圍內基底抗力系數分別采用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，中部兩側一點范圍內基底抗力系數分別采用50 MPa和25 MPa，其余段落采用250 MPa。由于中部彈簧抗力系數較小，中部將產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，數值試驗模型見圖3。

從圖4（a）圖可以發現，在中部沉降后，除了沉降區外，沉降區附近也將產生較大的縱向應力。中部沉降區內側在環向有較大的縱向壓應力，外側有較大的拉應力。沉降區附近內側有較大的拉應力，外側有較大的壓應力，且呈現傾斜趨勢。

從圖4（b）圖可以發現，在中部兩側沉降后，隧道底板的應力變化最為明顯，在沉降區內側底板承受較大的壓應力，外側承受較大的拉應力。在沉降區兩側，內表面承受較大的拉應力，外表面承受較大的壓應力。

從圖4（c）圖可以發現，在仰拱兩側出現沉降后，無仰拱區的受力與有仰拱的工況二明顯不同，沉降區應力影響最大的區域比較集中，應力等值線呈傾斜趨勢，且內外側應力都為拉應力，呈現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雜的過程，除了與沉降區的分布有關外，還與隧道是否設置仰拱及伸縮縫位置等有關。沉降引起的裂縫形態復雜，一般都有環向裂縫、斜向裂縫和縱向裂縫。隧道襯砌沉降后，通常先產生一種類型的裂縫，由于襯砌應力重分布，以及裂縫的進一步發展，隧道襯砌會產生多種形態的裂縫。地質條件的復雜性、施工的誤差、襯砌及變形縫的設置不合理等都可能引起沉降，進而誘發裂縫發展。

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，將數值試驗模型簡化為一環向實體襯砌，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，數值試驗模型見圖5。

從圖6可以發現，襯砌結構整體降溫后襯砌中部環向區域出現較大的縱向拉應力，且拉應力最大達700 kPa;襯砌整體升溫后，在襯砌結構的兩端存在縱向拉應力，中部存在縱向壓應力，拉壓應力較大，最大達820 kPa。

隧道結構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，溫度在縱向上的應力，很容易達到防火涂料的開裂應力，在多次受到溫度差作用后，防火涂料表層會生成多種裂縫。根據裂縫調查結果，很多裂縫并未完全發育到襯砌結構，通常僅在防火涂料范圍內發育，這些裂縫通常不對襯砌結構的穩定性造成實質性影響。

裂縫的形態往往呈現復雜多樣性，是多種因素共同作用的結果。除了外力、不均勻沉降、溫度等因素外，裂縫的發展過程也是造成襯砌多種裂縫形態的重要原因。混凝土開裂后，襯砌應力將發生重分布，裂縫逐步由開裂區向非開裂區發展，在發展的過程中逐步形成多種多樣的裂縫形態，這也是一種裂縫形態會伴隨有其他裂縫形態的重要原因。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生多種裂縫形態。

4 結語

（1）隧道受力不均勻，多會形成環向裂縫或縱向裂縫。

（2）隧道不均勻沉降引起的裂縫形態復雜，通常先產生一種類型的裂縫，由于襯砌應力重分布及裂縫的進一步發展，繼而產生多種形態的裂縫。

（3）溫度變化多會形成環向裂縫，但大部分裂縫僅在防火涂料范圍內發育，通常不對襯砌結構的穩定性造成實質性影響。

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].巖石力學與工程學報，2005，24（2）：195-202.

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

[3]豐權章，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（應用技術版），2010（8）：257-258.

[4]宋瑞剛，張頂立，伍 冬，等.隧道襯砌結構裂損機理及定量評估[J].北京交通大學學報，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，2008（1）：115-117，124.