公路隧道二衬开裂原因分析

公路隧道二衬开裂原因分析

二衬开裂现象在我国公路隧道中屡见不鲜，导致二衬开裂的原因亦各种各样,前人在这方面做了大量研究，以下总结前人的研究成果，列举二衬开裂的原因。 1二衬开裂的原因

1.1温度应力对二衬开裂的影响

隧道衬砌混凝土存在干缩与热胀冷缩,它们都将导致混凝土的变形。

1. 1.1 混凝土的干燥收缩变形

混凝土的干燥收缩变形受到混凝土环境(如空气湿度)、混凝土构件形状、尺寸和混凝土原材料及配合比等因素的制约。混凝土在潮湿养护中其内部孔隙湿度可保持100%, 在结束湿养并裸露于大气中后开始从表面蒸发脱水并引发干缩。因此, 大气湿度是制约混凝土干缩的重要因素。同时, 与隧道内温度高低、通风强弱等也有一定影响。混凝土内部水分是从裸露表面蒸发散失的。所以, 混凝土体积（v ）愈大, 而裸露表面面积（S ）愈小,即体表比(V/S)愈大时, 混凝土干缩愈小, 否则混凝土干缩愈大。水泥石中的可蒸发水存在于大孔洞、毛细孔及凝胶孔中。脱水干燥时, 首先是大孔洞里的水蒸发但这不至于引起收缩; 随后是较粗毛细孔水蒸发, 脱水量较多而收缩较小; 再后依次是较细、更细孔里的水蒸发, 脱水量依次减少, 但收缩量依次增大。在强烈干燥下, 凝胶孔里的吸附水也能解析蒸发并引起收缩。可见, 混凝土的干燥收缩, 在体内将主要受制于水泥石的细孔含量和孔径分布, 亦即是要受制于混凝土用水量以及水泥水化度(水化龄期)。延长混凝土的潮湿养护时间和增加混凝土中骨料含量,都可减小混凝土的干缩率。

1.1.2 混凝土的温度升降变形

混凝土随温度升降要发生胀缩变形, 这种胀缩应变(t ε)决定于温度变化量(t ∆)和混凝土热胀系数(t α)。二者的关系为:

t t t εα=∆ (1)

混凝土的热胀系数(t α)通常取为10x10-6℃, 但实际上会因原材料的不同, 而有一个较大的变化。混凝土热胀系数取决于水泥石热胀系数和骨料热胀系数, 通常水泥石热胀系数（10~20）x10-6℃大于骨料热胀系数（5~13）x10-6℃, 水泥骨料比可影响t α 值大小, 试验资料证明: 减小水泥用量, 可降低混凝土热胀系数。混凝土的温度变化起因于两个因素, 即周围环境温度变化和水泥水化放热。环境温度变化视不同地区、不同季节、不同天气各不相同, 需根据工程所在地的具体条件确定。水泥水化热的多少取决于水泥的矿物组分、混合材料和细度。混凝土温度升高幅度可通过计算混凝土的绝热温升和散热降温速率求得, 但需测得很多相关数据, 准确计算难度较大。

若混凝土在干缩或者温升与温降阶段不受外界约束, 能够自由伸缩, 混凝土内部将不会产生引起贯穿性裂缝的拉应力。而实际工程中, 由于衬砌外侧围岩阻碍了衬砌的自由胀缩, 所以在衬砌混凝土内部产生温度应力, 隧道温度应力的影响因素是多方面的,包括有温差、混凝土的膨胀系数、衬砌的厚度、隧道的长度、混凝土的弹模、衬砌受约束的程度等。混凝土是抗拉强度远远低于抗压强度的材料,故常能抵抗升温时产生的压应力, 而难以抵抗降温时产生的拉应力。当衬砌内部的拉应力超过隧道衬砌混凝土的抗拉强度时, 隧道衬砌发生开裂, 这种开裂一般先从隧道的中部开始。

1.2偏压对二衬开裂的影响

偏压是产生隧道结构性裂缝的主要原因,偏压可能是由于地质和地形条件不对称、结构不对称、衬砌回填不密实等引起。在复杂的地质地形条件下修建隧洞,隧道受力出现偏压十分普遍,特别是在洞口段、滑坡段、断层带、地层分界线

及其他地质突变段。

对于地形偏压隧道，开挖后，围岩应力发生了较大改变，在开挖扰动前,主应力(σ

1)方向平行于山坡面,其在水平方向的分力产生偏压;当隧道开挖以后,岩体中应力重分布导致主应力方向偏转至σ1′方向,则隧道断面右上角应力最大，且偏压角度越大，埋深越深,这种现象越为严重。开挖前后主应力方向及开挖后断面上应力分布情况(见图1)。偏压还会导致切向应力在岩壁附近出现局部集中，使岩土体发生剪切破坏，进而在软岩膨胀、流变的影响下，将岩土体挤出，大变形的发生。此外由于隧道埋深浅，在隧道开挖的切脚效应下，靠山体一侧围岩卸荷，使得围岩压力发生偏移，进一步加剧了隧道的偏应力集中。偏压产生的应力集中过渡到支护结构上，支护受偏压荷载的影响，产生局部应力集中，当二衬混凝土上的应力超过其强度时，产生开裂。

图1隧道开挖后应力大小分布示意图

1.3隧道的不均匀沉降对二衬开裂的影响

山岭隧道所处的地质和地形环境都很复杂,处在不同围岩和不同覆盖层情况的隧道衬砌所受的压力也是不同的,相对于比较均匀的隧道衬砌,围岩压力千变万化,这是造成纵向沉降差的主要原因；其次,同一隧道中不同衬砌类型,其在围岩压力作用下的反映是不同的,即抵抗变形的能力是不同的,因此在两种衬砌的交接处很容易产生纵向沉降差,从而形成剪切裂缝；此外由于衬砌背后回填不对称, 以及不同断面的衬砌抗不均匀性变形能力的差异性等原因, 都可能导致隧道纵向的不均匀沉降, 引起纵向弯矩, 产生裂缝。

从本质上看,纵向沉降差也是一种偏压,它是沿隧道轴线方向的偏压,而上一节所讲的偏压是横向的偏压。由于隧道纵向穿过不同力学性质的岩层, 承载力差异较大;这种由隧道的不均匀沉降而产生的隧道应力, 与隧道的弹性模量成正比, 即弹性模量越大, 由相同的不均匀沉降所引起的隧道内力越大, 也越容易引起隧道衬砌的开裂。不均匀沉降的表现形式是多种多样的, 其中最常见的有以下几种形式:

（1）盆形沉降曲线, 即两边小, 中间大( 见图2)。对一般岩石隧道而言, 中部上覆岩体高、荷载大, 而端部上覆岩体薄、荷载小, 同时中部压力相互影响高于端部处的相互影响。

图2盆形沉降曲线

（2）马鞍形沉降曲线, 即中间小, 两边大(见图3)。这是由于隧道中部的岩土体的力学性质好于两土体的力学性质所致, 隧道在两边的沉降较大而中间较小。

图3马鞍形沉降曲线

（3）高低形沉降曲线, 即基础沉降一边大, 一边小(如图4所示)。这是由于隧道一端的岩土力学性质好于另一端所致,这种形式的沉降很容易产生剪切裂缝。

图4高低形沉降曲线

1.4隧道衬砌背后“马鞍形”荷载分布对衬砌的影响

通过前人调查发现, 隧道衬砌纵向裂缝约占裂缝总长度的80%, 是一种主要的裂缝形式。其中拱顶内缘挤压剥落、拱腰内缘拉裂、张开、错台者约占纵向裂缝总长度的65%, 这是一种比较普遍、数量多的典型破坏形式。实测表明, 有这种破坏形态的隧道衬砌拱部地层压力小, 拱腰部位压力大, 荷载分布近似“马鞍形”。产生这种荷载分布形式有三个主要原因: 一是由于目前施工工艺的限制, 拱背难以回填密实; 二是由于光面爆破技术把握不够, 引起超挖而又未能及时回填; 三是由于隧道拱顶岩石坍塌破碎, 回填不理想等。这样, 使原来应由拱顶承受的山体压力转到拱腰部位, 造成了隧道拱部荷载的“马鞍形”分布, 从而与原设计假定的衬砌与围岩密贴不相符合, 使拱腰内缘由原来的受压变为受拉, 拱顶内缘由受拉变为受压, 使拱腰内缘出现拉裂裂缝, 而拱顶内缘则出现压裂裂缝等破坏特征 (图5)。隧道衬砌在“马鞍形”荷载作用下, 随着拱腰拱顶荷载比的不断增大, 衬砌拱顶的内缘由受拉逐渐变为受压, 而拱腰部分则相反, 由受压变为受拉。同时, 隧道衬砌的最不利截面也由拱顶下移到拱腰, 此时, 隧道衬砌的拱腰部分, 有可能最先拉裂, 产生沿隧道纵向方向的裂缝, 同时在水平方向应力的作用下还可能产生错