鐵路隧道襯砌混凝土溫度裂縫原因分析與防治措施

王家赫 黃法禮 李化建 仲新華 謝永江

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081）

我國鐵路工程建設的重點逐步向西部地區轉移。西部地區山巒眾多、地形復雜，隧道工程建造過程容易受到不良地質條件、障礙物、復雜嚴酷環境等的影響［1-2］。特別是高速鐵路隧道，因其斷面面積大、施工風險高、耐久性要求高等特點，往往成為全線控制性工程。

我國鐵路暗挖隧道普遍采用復合式襯砌支護體系。復合式襯砌由“圍巖+初期支護+二次襯砌”共同組成，并在初期支護與二次襯砌之間設置防水隔離層。地下水狀況和圍巖級別不同，復合式襯砌的形式也不同。Ⅰ級和Ⅱ級圍巖隧道的復合式襯砌通常采用曲墻帶底板的結構形式，地下水特別發育時可采用曲墻帶淺仰拱形式。Ⅲ級圍巖隧道的底部位于弱風化、完整性好的硬質巖時，可采用拱墻加底板結構形式，底板施工前先施作10 cm 厚的混凝土找平層。當底部為軟質巖、節理裂隙發育的硬質巖時，可采用曲墻帶仰拱的結構形式。Ⅳ～Ⅵ級圍巖隧道采用曲墻帶仰拱的結構形式。

TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》規定，在復合式襯砌支護體系結構設計中，初期支護應按主要承載結構計算，二次襯砌在Ⅰ～Ⅲ級圍巖可作為安全儲備，在Ⅳ～Ⅵ級圍巖宜按照承載結構設計。具體而言，Ⅲ級圍巖可取計算荷載的20%，Ⅳ級圍巖可取50%，Ⅴ級圍巖可取70%。即在復合式襯砌結構體系中二次襯砌混凝土主要作為安全儲備，并承擔由于初期支護可能劣化而作用于二次襯砌上的荷載或由于軟巖蠕變、環境條件變化等引起的附加荷載。工程實踐表明，隧道襯砌混凝土由荷載或者非荷載因素導致的開裂現象時有發生，這嚴重影響了隧道襯砌結構的完整性和承載能力，同時也為圍巖中有害物質的侵入提供通道，對隧道結構耐久性影響較大。

本文分析696座服役隧道襯砌混凝土的開裂情況及其影響因素，針對非荷載因素中溫度應力導致的開裂，探討隧道襯砌混凝土溫度裂縫的防治措施。

1 隧道襯砌混凝土開裂現象及原因分析

1.1 隧道襯砌混凝土裂縫分類

隧道襯砌結構處于復雜的圍巖地質條件中，在作為安全儲備的同時也將承受由于圍巖變形、松動等導致的附加荷載。現場調查結果表明，隧道襯砌混凝土裂縫大多出現在隧道建成初期，甚至在建設過程中即產生了大量裂縫［3-5］。在隧道建成后5～10 年內裂縫產生的數量較少，在建成10年后由于各種原因也會出現損壞、滲漏等劣化現象。隧道襯砌混凝土裂縫產生的原因較多，依據是否承受荷載作用可分為荷載裂縫和非荷載裂縫。

荷載裂縫主要是指由于直接承受圍巖等外部荷載或次生應力而產生的裂縫。當混凝土實際承受拉應力達到其極限抗拉強度時即出現裂縫，包括壓裂性裂縫、拉裂性裂縫和剪切裂縫。

非荷載裂縫主要是指襯砌混凝土在未承受荷載時，由于自身溫度或收縮變形受到約束產生拉應力，當該拉應力達到混凝土極限抗拉強度時產生的裂縫。

1.2 隧道襯砌混凝土開裂情況

混凝土是一種準脆性材料，無論是荷載因素還是非荷載因素導致的開裂，都會迅速產生宏觀裂縫，對襯砌混凝土耐久性造成嚴重影響。已有研究表明，隧道襯砌混凝土因荷載作用導致的開裂主要呈縱向裂縫或斜向裂縫，而因非荷載作用導致的開裂則主要呈現環向裂縫［6］。工程實踐表明，環向裂縫是目前隧道襯砌混凝土中數量最多的裂縫形式。為準確了解工程現場隧道襯砌混凝土裂縫形式及數量，本文通過文獻調研，匯總國內外目前服役隧道696 座，分析其開裂情況（表1）。

表1 國內外隧道襯砌混凝土開裂情況

由表1 可知，隧道襯砌混凝土因非荷載因素導致的環向裂縫較多，且上述裂縫主要出現在施工縫、沉降縫或伸縮縫附近。對于隧道襯砌混凝土結構，其非荷載因素主要包括溫度應力和收縮應力。隧道襯砌混凝土厚度通常為0.7～1.5 m，是典型的大體積混凝土結構。因此，其非荷載因素中溫度應力導致的開裂占比很大。本文重點討論隧道襯砌混凝土溫度應力導致的開裂現象，并總結相應的防治措施。

1.3 隧道襯砌混凝土溫度應力

在施工過程中水泥水化產生大量水化熱，而混凝土本身為熱的不良導體，所以大體積混凝土內部溫度顯著高于周圍環境溫度。在混凝土澆筑完成后一段時間，內部溫度開始下降，且混凝土表面溫度下降速率遠大于其內部溫度變化速率，進而產生溫度應力［11-12］。根據產生原因，可以將隧道襯砌混凝土溫度應力分為約束應力和非線性應力。

1）約束應力。由于襯砌混凝土結構溫度變化而產生溫度變形，當受到周圍結構（如隧道初期支護、圍巖等）約束時，溫度變形得不到釋放從而在混凝土結構內部產生溫度應力。

2）非線性應力。隧道襯砌混凝土澆筑完成后，其內部溫度由于水泥水化放熱作用而迅速升高［13］。當水泥水化放熱基本完成后，在環境溫度作用下混凝土表面和內部溫度均開始下降。但由于混凝土導熱性能較差，襯砌混凝土表面溫度下降較快而內部核心區混凝土溫度下降較慢，便在襯砌混凝土中出現溫度梯度。溫度不均勻分布直接導致大體積混凝土（隧道襯砌）內部各位置處變形不均勻，從而出現自生應力。需要注意的是，大體積混凝土因溫度非線性分布產生的應力不受周圍約束條件的影響，即使大體積混凝土處于完全自由狀態，該溫度非線性應力仍然存在。

在工程實踐中，隧道襯砌混凝土溫度應力為約束應力和非線性應力的疊加作用。

2 混凝土溫度場及溫度應力研究現狀

國外關于混凝土溫度應力導致開裂問題的研究始于20 世紀30 年代。在北美一個大體積混凝土大壩施工過程中，研究人員認識到由于水泥水化放熱，大體積混凝土會有明顯的內部溫度升高現象，并在溫度下降過程中因周圍約束或溫度分布不均勻而導致開裂。20世紀60年代，混凝土彈塑性力學和徐變理論已比較完善，研究人員開始從理論方面對混凝土溫度應力進行深入研究。Vecchio［14］采用非線性分析方法對大體積鋼筋混凝土結構內部溫度場和溫度應力進行數值模擬計算，并給出了相應的計算程序和算法。Elgaaly［15］對大體積混凝土早齡期溫度場及溫度應力進行試驗研究，包括混凝土體積膨脹試驗、松弛試驗等，研究了大體積混凝土因內部溫度變化而導致的開裂問題，并基于傳熱學基本原理建立了混凝土內部溫度變化計算模型。Larson［16］采用有限單元法對隧道襯砌混凝土溫度場和溫度應力進行計算，計算速度快，結果與試驗測試值吻合良好。

國內對大體積混凝土裂縫問題的研究始于20 世紀50 年代，文獻［3］對大體積混凝土溫度場和溫度應力進行了大量研究，并改進了大體積混凝土溫度場和溫度應力的計算模型，使得溫度場計算更為簡單快捷。文獻［17］提出了混凝土溫度計算理論方法和收縮計算模型，發現混凝土溫度收縮應力與結構長度呈非線性關系，提出了大體積混凝土溫度裂縫防治的成套方法。文獻［13］采用有限單元法計算了厚度為0.8 m 的隧道襯砌混凝土澆筑完成后2 d 內部溫度場分布情況：當混凝土入模溫度為21.2 ℃時，襯砌混凝土內部溫度最大值為40.27 ℃，最大溫升值為19.07 ℃，襯砌混凝土內外溫差最大值為16.28 ℃。

值得注意的是，隧道襯砌混凝土內部直接與隧道初期支護及防水板接觸，其內表面熱量一部分通過防水板和初期支護混凝土傳到圍巖中。對于隧道襯砌混凝土而言，其兩個側面熱量交換邊界條件不同，隧道內表面與隧道內實現熱交換，而另一側與防水板以及初期支護噴射混凝土實現熱交換。因為防水板一側熱交換系數相較于隧道內部更小，所以隧道襯砌混凝土靠近防水板一側接近絕熱狀態。隧道襯砌混凝土在靠近隧道內側出現了明顯溫度梯度，而靠近防水板一側溫度梯度相對較小，僅在表面附近出現了一定的溫度梯度。對于隧道襯砌混凝土這一特殊結構形式的大體積混凝土，其內部溫度最高值位置并不一定出現在襯砌結構中心位置，在工程實踐中對襯砌混凝土溫度進行實時監測也應注意該溫度分布特點。

隧道襯砌混凝土溫度整體變化和邊界附近的溫度梯度均會產生溫度應力，其中前者為約束條件的溫度應力，而后者為非線性應力。因此，為防止隧道襯砌混凝土由于溫度應力導致開裂，應重點降低混凝土內表面的溫度梯度并控制混凝土整體溫升值。

3 隧道襯砌混凝土溫度裂縫防治技術

隧道襯砌混凝土非荷載溫度裂縫主要由混凝土內部溫度整體升高和邊界溫度梯度導致，因此應該圍繞這2個方面提出相應的溫度裂縫防治技術。

3.1 混凝土水化溫升調控技術

3.1.1 使用低熱水泥

低熱水泥通過調整水泥熟料礦物組成，實現降低水泥水化放熱量、提高耐久性等目的。該水泥以硅酸二鈣為主要礦物，又稱為高貝利特水泥。采用低熱水泥代替普通硅酸鹽水泥配制隧道襯砌混凝土，將有效降低水泥水化過程的放熱量，從而顯著降低隧道襯砌混凝土溫升值，降低約束開裂風險。Mori等［18］研究了低熱水泥早齡期水化進程，結果表明，與普通硅酸鹽水泥相比，低熱水泥具有早期水化速率低、水化放熱量小、水化產物少等特點。楊華全等［19］研究發現，低熱水泥混凝土早期溫升小，后期強度和耐久性能好，有利于控制混凝土最高溫升值，可以有效防止溫度裂縫的產生。段寅等［20］采用數值模擬方式模擬了使用低熱水泥后隧道襯砌混凝土早齡期溫度場和溫度應力分布特點，發現低熱水泥早齡期水化放熱量小可顯著降低隧道襯砌混凝土最高溫度和溫度應力，提高結構安全性?；⒂垒x等［21］對比研究了中熱水泥和低熱水泥后期強度發展，發現低熱水泥后期強度發展優于中熱水泥，且后期耐久性能更好。

3.1.2 使用礦物摻和料

在高性能混凝土配制中使用的礦物摻和料主要包括粉煤灰、礦渣粉、硅灰等。這些礦物摻和料具有一定的水化活性，在水泥水化后期起到增加混凝土密實性、提高混凝土耐久性的作用。使用上述礦物摻和料替代一部分水泥將有效降低混凝土因水泥水化放熱導致的溫度升高，對于隧道襯砌混凝土等大體積混凝土結構意義重大。我國于20 世紀70 年代開始將粉煤灰等礦物摻和料用于混凝土材料中，主要用于建設城市中的工業建筑和黃河水利樞紐工程等［22-24］。90年代粉煤灰等礦物摻和料已經在高性能混凝土、大壩混凝土等得到廣泛應用。在礦物摻和料理論研究方面，Mehta［25］通過試驗研究了礦物摻和料的使用對混凝土水化熱的影響，發現采用礦物摻和料替代一定量的水泥可有效降低混凝土水化放熱量。王甲春等［26］通過混凝土絕熱溫升試驗研究了粉煤灰摻入量對混凝土絕熱狀態下的溫升值的影響，發現隨著礦物摻和料摻入量的提高混凝土絕熱溫升值逐漸降低。陳波［27］試驗研究了摻入礦物摻和料后混凝土早齡期拉伸徐變特點，發現礦物摻和料使用后對混凝土早齡期拉伸徐變影響更為顯著，而對長齡期徐變影響較小。

3.1.3 使用水泥水化溫升抑制材料

水泥水化溫升抑制材料是通過改變混凝土中水泥水化歷程來調控水化放熱，從而降低隧道襯砌等大體積混凝土水化溫升值。水泥水化溫升抑制材料主要包括復合型、蛋白質類、氨類水化抑制劑等。研究結果表明，水泥水化抑制劑的使用可顯著降低水泥水化72 h 的累積放熱量，減緩水泥水化放熱速率，推遲放熱峰出現［28］。

3.2 混凝土溫度梯度調控技術

隧道襯砌混凝土在與環境熱交換過程中出現的溫度梯度是導致其內部產生非線性應力的內在因素，降低襯砌混凝土內部溫度梯度是消除自應力、降低開裂風險的關鍵?，F有研究主要從2方面對隧道襯砌混凝土溫度梯度進行調控。

3.2.1 控制混凝土入模溫度

混凝土入模溫度是其溫度變化歷程的起點，該參數對大體積混凝土溫度控制尤為重要。因為對于固定配合比的混凝土而言，其絕熱狀態下的溫度升高值可以認為是固定的。混凝土入模溫度越高，其放熱量達到峰值時內部最高溫度越高。當環境溫度一定時，混凝土內部與隧道環境之間的溫度梯度越顯著，襯砌混凝土自身非線性溫度應力越大?；炷寥肽囟扰c水泥、粗細骨料、用于拌和的水等主要原材料的溫度密切相關，在工程實踐中可通過降低原材料溫度來實現對混凝土入模溫度的控制。尤其在夏季施工中，對該參數進行控制更為重要。TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》規定，混凝土的入模溫度不宜超過30 ℃，且與混凝土接觸的介質溫度不宜超過40 ℃。

3.2.2 選擇適當的養護方式

在隧道襯砌混凝土澆筑完成后進行適當的養護是降低其溫度梯度的重要途徑之一。目前，國內外隧道襯砌混凝土主要采用標準養護、氣霧養護、噴水和涂膜等養護方式。其中，對降低隧道襯砌混凝土溫度梯度最為有效的是氣霧養護。氣霧養護是采用蒸汽或噴霧的方式對隧道襯砌混凝土表面進行養護，使其表面保持在較高的溫度水平，從而徹底消除隧道襯砌混凝土早齡期溫度梯度，降低非線性溫度應力和開裂風險。在工程實踐中，可通過養護臺車實現對隧道襯砌混凝土的氣霧養護，養護臺車不僅可以對養護過程中的溫度、濕度進行實時監控，還可以實現對養護關鍵數據的自動采集、記錄、存儲和傳輸。

4 結論

1）鐵路隧道襯砌混凝土裂縫依據產生的原因可分為荷載裂縫和非荷載裂縫，其中非荷載因素導致的裂縫占總裂縫數的50%～70%。

2）導致隧道襯砌混凝土非荷載裂縫產生的因素主要包括溫度應力和收縮應力。隧道襯砌為大體積混凝土，其非荷載裂縫主要是由溫度應力導致的。

3）隧道襯砌混凝土在澆筑完成后由于水泥水化放熱，其內部溫度逐漸升高。同時，在與環境熱量交換過程中也在混凝土內部出現溫度梯度?？拷淼纼炔繙囟忍荻容^大，而靠近初期支護一側溫度梯度相對較小。

4）通過降低襯砌混凝土整體水化溫升值和控制邊界溫度梯度，可降低隧道襯砌混凝土溫度開裂風險。降低水化溫升值可通過使用低熱水泥、礦物摻和料和水泥水化抑制材料來實現；控制邊界溫度梯度則可通過控制混凝土入模溫度、加強養護的方式實現。