文章编号:1009-6582(2004)01-0026-06衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术李治国张玉军(中铁隧道集团有限公司科研所,洛阳471009)　(中科院武汉岩土力学研究所,武汉430071)摘　要　隧道衬砌开裂将影响隧道的承载能力和使用安全。

文章主要分析了铁路隧道开裂状况及原因,对裂缝宽度的影响程度进行了分级,利用断裂力学的方法研究了衬砌开裂隧道的稳定性,并提出了相应的裂缝治理技术。

关键词　铁路隧道　衬砌开裂　裂缝宽度分级　稳定性　治理技术中图分类号:457+.2 文献标识码:A1　概　述随着我国国民经济的发展和地面空间日益紧张,基础设施建设投入不断加大,隧道与地下工程正在迅猛发展。

由于大部分隧道结构设计基准为100年,因此对其承载能力、使用安全要求很高。

然而,由于运营年限、地质条件、气候条件、设计、施工及造价、维修管理等方面的原因,致使病害隧道数量越来越多,具体表现在:开裂、渗漏水、变形侵限、掉块、坍塌、基底翻浆冒泥、下沉、底鼓、冻胀等。

其中开裂是比较严重的病害之一,有的隧道开裂以后因没有及时治理,致使突然掉块和坍塌,影响了承载能力,危及使用安全。

因此我们应认真分析开裂隧道的稳定状况,研究其产生的主要原因和治理技术。

2　我国铁路隧道开裂的状况及原因分析2.1　铁路隧道开裂状况1972年我国铁道部工务局及基建总局对全国30～70年代在不同地质(坚硬、软岩、黄土)条件下修建不同类型(单心圆拱、三心圆拱、直边墙和曲边墙、单线和双线断面)的隧道混凝土衬砌裂缝产生的原因进行调查分析,其调查隧道94座,总长80.7km ,约有93.2%的隧道衬砌开裂,裂缝长度占隧道总长19.2%。

1995年我国铁路共有运营隧道4855座,总长度2261.56km 存在的主要病害是侵限、漏水和通风照明不良。

据工务部门1995年秋检测,开裂和净空不足侵入建筑限界的2546座,占52.44%。

1997年我国铁路隧道技术状态统计,全路有运营隧道5000余座,共计2500km ,其中由于开裂、渗漏水等原因影响隧道运营的达1502座,占隧道总数的30.04%。

2.2　隧道产生开裂的主要原因根据国内有关的统计资料和参考文献,并结合作者调查有关的工程实例和病害整治经验,我国隧道产生病害的主要原因为地质问题、设计问题、施工质量问题、环境影响及其他因素。

(1)地质问题隧道施工中的地质问题主要有:软弱破碎围岩、岩溶、暗河、流沙、滑坡、膨胀性围岩、岩堆体、高应力、偏压、高水位、煤层瓦斯、石油天然气、高地温、地基不均匀沉降等,这些因素往往导致隧道支护结构变形、破坏、渗漏水或坍塌,尤其在深埋、高水位、富水区、岩溶隧道施工方面应引起高度重视。

(2)设计问题主要是隧道位置选择不好,穿越的地质条件和环境条件复杂;设计的地质条件与实际偏差较大;结构形式和断面形式不合理,支护结构强度不够,防排水体系不完善,对混凝土收缩及温度应力未采取措施,细部处理不当,导致隧道使用年限减少。

(3)施工质量问题主要是开挖和支护方法不合理,欠挖未进行处理,超挖未进行回填,支护结构背后存在空洞,隧道基底未清理干净,回填不合要求,衬砌结构未按要求收稿日期:2003-06-17作者简介:李治国,男,高级工程师,总工程师.・62・第41卷第1期2004年2月 现代隧道技术Modern Tunnelling Technology Vol.41　No.1Feb.2004配筋,混凝土灌注、拆摸、养护不合规定、厚度不够、强度不足、蜂窝麻面现象严重,防排水体系不健全或发生堵塞。

(4)环境影响问题环境影响因素很多,主要表现在以下三个方面:①地下水的侵蚀,主要是受地下水的物理或化学作用,导致混凝土碱度降低、水化产物分解或体积膨胀,从而引起混凝土强度降低或开裂、破坏。

地下水侵蚀主要有溶出性侵蚀、酸性侵蚀、盐类析晶侵蚀等。

②空气的影响,主要表现在混凝土的碳化。

由于空气中的二氧化碳和混凝土的碱性成分氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用,形成碳酸盐,降低混凝土碱度,破坏钢筋表面的钝化膜,使混凝土失去对钢筋的保护作用,加快钢筋锈蚀;同时碳化还会加剧混凝土的收缩,导致混凝土结构产生裂缝和破坏。

③混凝土在寒冷气候和地下水的共同作用,宜引起结构冻融破坏。

主要是由于在一定的冻结温度下,在混凝土内部或外部形成结构冰或过冷的水,水结冰产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,当温度升高到一定程度时,冰又融化为水,这样引起了混凝土外部压力和内部应力的变化,使混凝土内部出现空隙和微裂隙;当达到产生裂缝的条件时,混凝土内部孔隙及微裂缝增大、扩展,并互相连通,出现裂缝,严重时混凝土发生剥落或破坏。

(5)自然灾害或其它原因①列车荷载或地震荷载。

主要受交变应力和震动作用,混凝土发生疲劳破坏,产生裂缝。

②相邻洞室的开挖或其它临近构筑物的修建对已建隧道的影响,主要是改变了隧道的受力状况,出现应力重分布或局部应力集中、偏压等,导致结构开裂和破坏。

③隧道年代久远、结构老化、年久失修。

④其它因素的影响,诸如山体采空区、泥石流、洪水、滑坡等自然灾害也会引起隧道不同程度的开裂。

⑤隧道附近大型爆破及深基坑开挖的影响。

⑥战争引起的隧道和地下工程的破坏。

3　隧道裂缝宽度的分级隧道衬砌裂缝一般是指二次衬砌混凝土中的不连续面,肉眼可见的裂缝范围一般以0.05mm 为界[1],一般的工业和民用建筑中,宽度小于0.05mm 的裂缝对防水、防腐、承重都无危险性。

对于一般的隧道二次衬砌,宽度小于0.05mm 的裂缝对隧道的正常使用、承载无太大影响,可以不进行治理。

因此,我们研究的裂缝治理技术,主要是指混凝土可见裂缝,即宽度大于0.05mm 的裂缝的加固和修补。

裂缝对隧道稳定性的影响比较复杂,它涉及到裂缝位置、方向、长度、宽度、深度、密度等诸多方面,为了便于实际工作中操作,参照国内有关规范的规定,可采用裂缝宽度进行判断,如果裂缝位置、方向、密度等对结构稳定十分不利,则相应的影响程度应考虑提高一个级别。

《G BJ 10—89　混凝土结构设计规范》第三章规定,钢筋混凝土结构的一般构件的最大裂缝宽度为0.4mm 。

《TB10003—2001　铁路隧道设计规范》第10章规定,钢筋混凝土衬砌结构构件,按荷载基本组合所求得的最大裂缝宽度W max 不应大于0.2mm 。

《G B50292—1999　民用建筑可靠鉴定标准》规定,混凝土构件不适于继续承载的裂缝宽度的评定标准如表1所示。

根据以上三个规范或标准的有关规定,并参照国内多座铁路、公路隧道、地下铁道区间隧道和车站的设计标准以及多座病害隧道的调查、统计资料和整治经验,对于采用钢筋混凝土结构衬砌的隧道,其表1　混凝土构件不适于继续承载的裂缝宽度评定标准T able 1　Evalu ation criteria for crack widths of concrete elements not suitable for further loadin g检查项目受力主筋处的弯曲(含一般弯剪)裂缝和横向或斜向拉裂缝宽度/mm 剪切裂缝环境正常湿度环境高湿度环境任何湿度环境构件类别钢筋混凝土预应力混凝土钢筋混凝土预应力混凝土主要构件一般构件主要构件一般构件任何构件钢筋混凝土或预应力混凝土C u 级或d u 级/mm>0.50>0.70>0.20(0.30)>0.30(0.50)>0.40>0.10(0.20)出现裂缝注:表中括号内限值适用于冷拉、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋的预应力混凝土构件・72・衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术裂缝宽度的影响程度建议采用如表2所示的分级方法。

如为素混凝土结构,同样宽度的裂缝影响程度更大一些。

表2　裂缝宽度影响程度分级T able 2　Classif ication of the degree of influenceof different crack widths检查项目环境材料裂缝宽度/mm影响级别隧道裂缝宽度正常湿度环境钢筋混凝土W ≥0.5严重影响A 0.3≤W <0.5较大影响B 0.2≤W <0.3较小影响C W <0.2(0.1)轻微影响D4　二次衬砌带裂缝隧道的稳定性分析4.1　力学模型混凝土在外力作用下会产生内力和变形,当荷载水平较低时,并不出现破坏迹象;当载荷逐渐增加到一定水平后,能听到混凝土内部破坏的微弱而清晰的声音,并逐渐发展到混凝土表面出现许多小裂缝;当荷载继续增加,这些裂缝会扩展并贯通;达到极限荷载时,混凝土会产生最终破坏。

故采用断裂力学的方法对裂缝进行分析和计算,并假定二次衬砌开裂过程中的外荷载保持不变。

(1)裂缝在外力作用下的三种扩张方式裂缝扩展主要有三种类型:张开型(Ⅰ型),滑开型(Ⅱ型),撕开型(Ⅲ型),如图1所示。

滑开型或撕开型裂纹都属于剪切裂纹。

如果裂纹同时受正应力和剪应力作用时,Ⅰ型和Ⅱ型(或Ⅲ型)同时存在,称为复合型裂纹。

由于隧道长度方向的尺寸比宽度和高度方向尺寸大得多,其纵向的变形可以忽略不计。

为了重点分析二次衬砌上裂缝宽度和深度对隧道稳定性的影响,采用平面应变状态的有限元计算模型。

图1　三种裂缝形式Fig.1　Three types of cracks (2)工程实用近似判据对于复合型裂纹,有两个问题要解决:第一,裂纹沿什么方向进行扩展;第二,裂缝在什么条件下扩展。

在实际工程中,第二个问题更重要,人们总是比较关心裂纹在什么条件下失稳扩展。

因而人们常常根据各种理论判据进行比较,或者根据实验结果进行拟合并求出简化的表达式,这些表达式能满足工程计算的需要,并且往往是偏于安全的。

于骁中等提出了混凝土拉剪复合裂纹断裂判据[2],如式(1)所示,与实验结果比较接近。

K 2Ⅰ+4.2K 2Ⅱ=K 2ⅠC(1)式中　K Ⅰ、K Ⅱ为Ⅰ、Ⅱ型裂纹应力强度因子;K ⅠC 为Ⅰ型裂纹断裂韧度。

(3)混凝土的断裂韧度K ⅠC常用的混凝土的断裂韧度K ⅠC 的测试方法有:①三点(或四点)弯曲梁法;②紧凑拉伸试件法;③直接拉伸试件法;④其它方法,如双悬臂梁试件法、双扭转试件法、立方体劈裂试件法等。

一些研究者给出了K ⅠC 的实测数据[2],从实测数据看K ⅠC 的离散性较大,一般混凝土的K ⅠC =0.3～1.0MN.m-3/2。

4.2　建立裂纹模型及确定隧道承载能力安全系数计算裂纹尖端的应力强度因子的有限元直接法,即先将二次衬砌离散成细分的网格(特别在裂纹尖端部位),其边界上的荷载可采用规范、经验公式或围岩-支护结构模式的有限元计算得出,故可求得裂纹尖端附近的应力分量或位移分量的数值解;再利用裂纹尖端应力场或位移场的表达式,直接推算裂纹尖端的应力强度因子,在这种方法中位移法精度较高。