隧道衬砌结构开裂调查与研究

隧道衬砌结构开裂调查与研究

摘要：以重庆城南某隧道的裂缝调查研究为背景，论述了裂缝分级及裂缝调查方法，运用ansys有限元软件分析了衬砌开裂前后隧道支护结构的承载力变化情况；研究了裂缝产生的原因并对裂缝的处理措施进行了探讨。分析结果可为同类隧道衬砌裂缝的调查处理提供参考。

关键词：隧道；衬砌裂缝

中图分类号：u455文献标识码： a 文章编号：

隧道衬砌开裂是既有线在役隧道常见的一种病害，裂缝的出现会使隧道的抗渗能力降低，引起钢筋的锈蚀及混凝土碳化，从而大大降低隧道的承载能力。对隧道衬砌混凝土的开裂进行调查分析，进而采取合理的方法进行处理以便有效地预防裂缝的出现和扩展，从而保证支护结构具有可靠的承载能力。

一、工程概况

重庆城南某隧道为单洞双线4车道，隧道全长1150米，隧道起止里程为azk1+900～azk3+050，隧道采用曲墙等截面衬砌形式，衬砌混凝土设计强度等级为c30。

二、裂缝调查

裂纹的分布和形态的调查对判断隧道裂缝的成因起着关键性的

作用。裂缝调查项目应包括裂缝分布、宽度、深度及性质。隧道裂缝的深度对二衬的承载力影响较大（尤其拱顶纵向裂缝），因此需要对隧道重点部位的裂缝深度进行探测，从而根据裂缝长度、宽度、

深度等信息综合判定裂缝的健康等级为后续裂缝处治提供依据。

裂缝情况统计：

对隧道衬砌裂缝的长度、宽度以及裂缝走向情况进行了调查，具体情况见表1。

表1 重庆城南某隧道衬砌结构状况统计表

三、裂缝形成原因分析

裂缝形成的原因比较复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。据统计，施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右，材料质量差或配合比不合理产生的裂缝在15%左右设计不当引起的裂缝占5%左右。

1）设计原因

由于对地质情况未做出详细全面合理的勘探工作，对隧道围岩类别评价及支护结构设计缺乏科学依据，与实际施工存在一定的偏差，这是导致隧道衬砌开裂的设计方面的原因。

2）施工工艺或现场操作不规范

a、隧道开挖成形差，衬砌混凝土厚度不均匀；欠挖或初期支护侵入衬砌限界，造成混凝土厚度不足，个别隧道衬砌混凝土背后存在脱空现象。

b、监控量测不规范，初期支护收敛不稳定即开始施工二次衬砌，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。

c、混凝土搅拌时随意性大，浇筑过程中振捣不均匀或漏振，混凝土均质性差。

e、为加快施工进度，提前脱模，使低强混凝土过早承受荷载，破

坏了混凝土的结构，脱模后养护不规范。f、夏季施工时混凝土入模温度过高，冬季施工时采取的防寒保温措施不力。

3）原材料质量差

水泥品种选择不好，安定性不良，或不同批次的水泥混用。砂石级配差，碎石中石粉含量多，针、片状物过多等等，都会影响水泥与骨料的胶结。

四、衬砌开裂前后承载力分析

采用ansys有限元软件对隧道衬砌的典型裂缝进行模拟，通过对数值分析结果的研究进行开裂前后承载力的变化分析。在ansys中用solid65单元模拟混凝土，用plane42单元模拟围岩，进行建模分析。采用c30混凝土，其弹性模量为30gpa，泊松比为0.2，密度为2500kg/m3。

图1 无裂缝衬砌y方向应力云图图2 拱顶开裂衬砌y方向应力云图

地层为ⅳ级围岩，其弹性模量为10gpa，泊松比为0.3，密度为2200kg/m3。拱顶裂缝宽度为6mm，深度为16cm，建立分析模型及结果如图1、图2所示，由分析结果可以看出由于拱顶裂缝的存在使得隧道衬砌结构的承载能力又较大程度的降低。

五、衬砌混凝土裂缝的整治措施

混凝土作为多组材料组成脆性材料，裂缝的存在是客观的，作为施工单位必须加强混凝土的施工管理，避免和减少混凝土裂缝的产

生。对于出现的裂缝，应认真分析原因，一类是由围岩形变压力引起，另一类则是由于衬砌自身结构、施工方法或其他缺陷等因素引起。对于前者，裂缝表征多为动态的、发展的，一般随着时间的推移，裂缝会逐渐增大，收敛时间也很长。而对于后者，裂缝多表征为静态，收敛时间很短，这种裂缝一般在发现后很短一段时间内，甚至在刚发现时就不再发展。分清是有害裂缝还是无害裂缝，并对有害裂缝进行处理,防止裂缝继续发展,影响衬砌结构的稳定。六、结论

由于裂缝的存在导致衬砌的承载力有较大程度的降低，通过对隧道衬砌裂缝的调查分析可分析裂缝成因、判定裂缝现状，为隧道裂缝的整治提供可靠的依据。由于引起隧道衬砌开裂的主要原因为施工不规范，因此在工程建设过程中加强施工管理进一步完善施工监理才能从源头上保证隧道结构的安全耐久性。

参考文献：

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[2]叶飞.何川.公路隧道衬砌裂缝的跟踪监测与分析研究[j].土木工程学报，2010，（07）.

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[4]田志勇.隧道衬砌混凝土裂缝的成因与防治[j].黑龙江交通科技，2012，（03）.

作者简介：张义红（1987- ），男，甘肃平凉人，硕士研究生，研究方向为隧道与地下工程设计理论及应用。