在役隧道衬砌结构的劣化机理研究

吴京懋

摘 要：衬砌裂损作为在役隧道最常见的病害之一， 严重影响了隧道服役期间的结构整体性，其对隧道二衬结构的强度、刚度以及稳定性均会造成一定程度的破坏。在役隧道衬砌结构承载性能劣化-耗散机理的进一步研究使得对在役隧道衬砌结构的劣化机理研究成为必要。文章总结了近年来隧道衬砌裂纹的几种基本类型，分析了隧道二衬结构开裂的原因，主要进行了基于断裂力学理论分析在役隧道衬砌结构的劣化机理。

关键词：裂纹；隧道；衬砌结构；断裂力学

中图分类号：U451+.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0081-02

Abstract： As one of the most common diseases of existing tunnels， lining cracks seriously affect the integrity of the tunnel structure during service， which will cause some damage to the strength， stiffness and stability of the second lining structure of the tunnel. It is necessary to study the deterioration mechanism of in-service tunnel lining structure due to the further study of the deterioration and dissipation mechanism of in-service tunnel lining structure. This paper summarizes several basic types of tunnel lining cracks in recent years， analyzes the causes of tunnel second lining cracks， and mainly analyzes the deterioration mechanism of existing tunnel lining structures based on the theory of fracture mechanics.

Keywords： crack； tunnel； lining structure； fracture mechanics

随着综合国力的增强以及工程施工技术的不断进步，我国隧道建设长度及速度均取得了突破性进展，已然跻身于隧道大国行列。但由于隧道工程结构计算理论的局限和前期施工管理经验的不足，以及我国地域辽阔，隧道所穿越山体工程地质及水文地质条件的复杂性，使得在役隧道皆出现了不同程度类型的病害，具体表现在：衬砌裂损、渗漏水、隧道冻害、衬砌腐蚀、震害、洞内空气污染和火灾危害。其中，衬砌裂损尤为突出。据2016年在役隧道检测统计资料显示，约占1/3的隧道处于带裂纹工作状态，因此，为控制裂纹扩展引起隧道结构坍塌，对在役隧道衬砌结构的劣化机理以及断裂力学理论分析将是必要的。

1 隧道裂纹类型及特征

1.1 衬砌受弯张口形裂纹

常见于拱腰部位和边墙中部，衬砌承受较大的地层压力作用，衬砌受弯向内位移，内缘拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，而发生张口型裂纹[1]。

1.2 内缘受挤压闭口形裂纹

常见于两拱腰发生较严重的纵向张裂内移地段的拱顶部位，出现闭口型纵裂，衬砌向上位移。其中较严重处，拱顶内缘在高挤压应力作用下发生剥落掉块。

1.3 衬砌受剪错台型裂纹

偶见拱腰部位衬砌，在其背后局部松动滑移围岩的推力作用下，沿水平工作缝较薄弱处，有一侧的衬砌变形突出，形成错台型裂纹[2]。

1.4 收缩性环向裂纹

多见于隧道靠洞口地形，受气温变化影响较大，混凝土衬砌环向施工缝出现收缩性裂纹。

2 隧道裂纹形成原因分析

2.1 混凝土自身缺陷导致隧道衬砌开裂

混凝土结构以其性能良好、造价经济的优点，已然成为目前应用最多的结构形式。长久以来，技术人员普遍认为混凝土结构耐用持久。但是事实并非如此，混凝土结构在建成后整个使用期间内，在持续荷载的作用下以及周围环境因素的影响下，随其使用时间的延长，结构内部将发生一系列物理、化学反应，导致其承载性能总是处于不断的变化过程中，而其变化的总趋势是由好到坏、由新到旧、由高到低的衰减过程。混凝土由于水泥种类及级配等外在因素的影响，致使其存在天然的缺陷，其产生的一系列反应将导致隧道衬砌开裂，并伴随着服役时间的延长而产生二衬结构的劣化及承载能力的耗散[3]。

2.2 设计原因导致隧道衬砌开裂

在勘测设计阶段未对工程地质条件进行全面而精确的调查核实，引起对围岩级别判定的失准，这将使得设计的整个方案缺乏科学的理论依据。衬砌局部设计强度的不足，围岩压力过大使得衬砌结构将产生裂纹。对设计方案的任意变更也将使得裂纹引起的稳定性破坏程度加剧[4]。

2.3施工工艺或现场操作不规范

随着计算机信息技术的提高，目前隧道施工多按信息化施工的思想进行，及时将岩体的性质和掘进面位移信息进行收集，专业评定，还可与工程信息库已有的工程实例进行比对，快速调整并指挥下一阶段的掘进方案。但在役隧道不同程度地受到当时信息化程度不高的影响，施工指导资料滞后，施工工艺不当，致使隧道衬砌结构裂损[5]。主要存在于两方面，一是监控量测出现偏差，按经验来确定衬砌混凝土的施作与收敛时间，同时过早地拆除模板，混凝土的拉压强度不足，结构强度未达到设计标准，使得衬砌结构拱顶部位在外部荷载和自身重力的作用下产生弯拉裂缝，隧道边墙在过早地成为自由面后，将同时承受弯矩和压力双重作用，造成边墙变形过大，向内产生张口型裂缝；其次是施工组织不当，在采用上下导坑法施工时，先拱后墙中，钢拱架变形过大，导致拱部衬砌出现不均匀沉降，拱肩和拱顶出现施工缝；由于施工顺序的错乱，二衬结构成环不及时，拱脚锚杆不达标，開挖后结构悬空时间过长、跨度过大，造成拱部结构产生不均匀下沉。

2.4 地下水引起隧道结构衬砌开裂

围岩地下水对隧道的影响可分为直接作用和间接作用[6]。直接作用即衬砌结构与围岩直接发生物化转换过程，地下水在水压作用下透过衬砌的微小裂缝侵蚀结构，微小裂缝将会在持续的冲刷腐蚀作用下穿透二衬结构，从而出现衬砌渗漏水病害，若不及时处治，贯通裂缝将会在地下水的直接作用下扩展增大；间接作用即在严寒地带地下水所形成的冻胀土压力，冻结土在拱肩和拱脚形成主动土压力，致使衬砌结构开裂，冻融循环压力对隧道衬砌结构往复的加载和卸载，更会加重严寒地区地下水对隧道衬砌结构所形成的病害。

3 隧道衬砌结构的断裂力学理论分析

3.1 隧道裂纹扩展的三种类型

断裂力学主要研究发生了位移间断面的带裂纹体结构，根据裂纹体的受力特性及裂纹的形态特征，断裂力学将裂纹分为三种基本类型[7]。张开型（Ⅰ型）：裂纹扩展面与拉应力垂直，上下裂纹面沿力的方向张开，裂纹沿垂直于力的方向发展，是最为常见的一种断裂模式。滑开型（Ⅱ型）：受剪应力作用，裂纹面与力的方向平行，裂纹沿剪力滑移扩展，上下面位移相反。撕开型（Ⅲ型）：受剪应力控制，上下裂纹面与裂纹线均与力的方向平行，裂纹沿裂纹面撕开发展。

3.2 断裂判据

在役隧道二衬产生劣化的机理可概括为： 二衬结构在外力以及周围环境温湿度的作用下，结构内部应力超过材料自身的极限强度值而产生开裂[8]。外力一般包括围岩松弛压力、膨胀力、车辆荷载、地震作用等。静荷载主要受围岩松弛压力影响，由于回填不密实，二衬结构背后多有空洞存在，围岩在构造应力场和重力应力场的双重作用下逐年变形劣化，围岩松弛压力随之增大。动荷载主要包括地震荷载和车辆荷载。两种荷载均属于动荷载，地震荷载对隧道衬砌结构产生的主要是剪切作用，二衬结构多产生斜裂缝；车辆荷载对隧道衬砌结构产生的主要是疲劳损伤，循环荷载作用下致使二衬开裂。

近年来，目前线弹性断裂力学是断裂理论中研究较为成熟的一部分，针对具体的隧道混凝土二衬结构裂纹，其在外部作用下，对应的混凝土材料的应力强度因子K必然存在一个临界值Kc，即断裂韧度，当K达到临界值Kc 时，二衬裂纹随即发生失稳型扩展[9]。

3.3 带裂纹隧道衬砌结构特征

基于断裂力学，对带裂纹隧道衬砌结构进行分析，二衬结构一旦出现纵向裂缝，则拱顶上部围岩和衬砌的位移和应力均会有较为明显的增大[10]；同时裂缝深度的不同，也会使得在结构、荷载一定的情况下，结构位移、应力越大，裂缝尖端的应力集中现象越明显，最终应力强度因子K增大到断裂韧度Kc，从而导致断裂，并且形成扩展裂纹，使得二衬结构失稳破坏。

4 结束语

隧道衬砌结构作为混凝土承载结构，由于隧道病害及混凝土本身缺陷的普遍存在，使其带裂纹工作状态将成为服役工作的常态。因此，基于断裂力学理论，对带裂纹隧道二衬结构特征进行分析，对目前普遍存在裂损病害的隧道加固及整治将具有理论上的参考价值，使得隧道衬砌承载性能控制在安全适用的范围。

参考文献：

[1]罗勇.隧道衬砌开裂机理及控制方法研究[D].西南交通大学，2011.

[2]刘庭金，朱合华，夏才初，等.云南省连拱隧道衬砌开裂和渗漏水调查结果及分析[J].中国公路学报，2004，02：65-68.

[3]张志军.青沙山隧道衬砌开裂补强处理[J].铁道建筑，2006，04：31-33.

[4]余小国.隧道衬砌开裂机理研究现状[J].山西建筑，2009，35（13）：331-332.

[5]郑顺强.运营隧道病害综合治理技术[J].山西建筑，2016，42（22）：165-166.

[6]孙会良.分析隧道初期衬砌裂损变形的原因[J].民营科技，2009（11）：126.

[7]孙雪莲.公路隧道病害整治技术[J].西部探矿工程，2011（11）：23-27.

[8]李爱军.某高速公路隧道衬砌开裂加固整治[J].交通世界（建养.机械），2009，08：182-183.

[9]魏万平.白石隧道衬砌裂缝病害治理方案研究与实践[J].价值工程，2016，22：147-149.

[10]张国强.隧道初期衬砌开裂原因分析及处理方案[J].科协论壇（下半月），2009，05：28-29.